Системы глобального позиционирования

Александр Глинских, к.т.н.

 

За последние несколько лет большую популярность в мире завоевали системы глобального позиционирования (определения точного местоположения). Это, действительно, очень перспективный рынок. По прогнозу консалтинговой фирмы Renaissance Strategy, объем мирового рынка услуг глобального позиционирования к 2003 г. должен увеличиться до $500 млн, а по прогнозу Ovum, в 2005 г. его объем составит $9.75 млрд (при 376 млн абонентов). Некоторым основам функционирования систем глобального позиционирования и их применению в мире и посвящена данная статья.

История создания GPS-системы

Первые системы глобального позиционирования GPS (Global Positioning System) разрабатывались исключительно для военных целей. Глобальная навигационная система GPS предназначена для передачи навигационных сигналов, которые могут одновременно приниматься во всех регионах мира. Инициатором создания GPS-системы стало Министерство Обороны США. Ее разработка началась в 1973 г., когда Министерство Обороны США перестала устраивать радионавигационная система, состоящая из наземных навигационных систем Loran-C и Omega, и спутниковой системы Transit. Проект создания спутниковой сети для определения координат в режиме реального времени в любой точке земного шара был назван NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System — навигационная система определения времени и дальности). Используемая сейчас аббревиатура GPS появилась позднее, когда система стала использоваться не только для военных, но и для мирных целей. Первая штатная орбитальная группировка системы разворачивалась с июня 1989 г. по март 1994 г. На орбиту были выведены 24 навигационных спутника Block II. Окончательно GPS-система была введена в эксплуатацию в 1995 г. В настоящее время она эксплуатируется и обслуживается Министерством Обороны США.

Состав GPS-системы

В состав GPS-системы входят 3 основных сегмента: космический, наземный и пользовательский. Космический сегмент состоит из 28 автономных спутников, равномерно распределенных по орбитам с высотой 20350 км (для полнофункциональной работы системы достаточно 24 спутников). Каждый спутник излучает на 2 частотах специальный навигационный сигнал, в котором зашифровано 2 вида кода. Один из них доступен лишь немногим пользователям, среди которых, конечно же, военные и федеральные службы США. Кроме этих 2 сигналов, спутник излучает и третий, информирующий пользователя о дополнительных параметрах (состоянии спутника, его работоспособности и др.). Параметры орбит спутников периодически контролируются сетью наземных станций слежения (всего 5 станций, находящихся в тропических широтах), с помощью которых (не реже 1-2 раз в сутки): вычисляются баллистические характеристики, регистрируются отклонения спутников от расчетных траекторий движения, определяется собственное время бортовых часов спутников, осуществляется мониторинг исправности навигационной аппаратуры и др. При этом для обнаружения отказов оборудования спутников с помощью наземных станций обычно требуется несколько часов. Третий сегмент GPS-системы — это GPS-приемники, выпускаемые и как самостоятельные приборы (носимые или стационарные), и как платы для подключения к ПК, бортовым компьютерам и другим аппаратам.

Основные возможности GPS-системы (при наличии приемника GPS-сигнала):

- определение местонахождения мобильного абонента;
- определение наиболее короткого и удобного пути до пункта назначения;
- определение обратного маршрута;
- определение скорости движения (максимальной, минимальной, средней);
- определение времени в пути (прошедшего и сколько потребуется еще) и др.

Основные характеристики GPS-системы приведены в таблице 1.

Количество спутников в орбитальной группировке 28
Число орбитальных плоскостей 63
Число спутников в каждой плоскости 48
Высота орбиты (км) 20350
Наклонение орбиты (градус) 55
Период обращения спутников (ч) 12
Масса спутника (кг) 1055
Мощность солнечных батарей спутника (Вт) 450
Срок эксплуатации (лет) 7,5
Поляризация правосторонняя
Погрешность определения 100 (С/А-код); 16 (Р-код)
Погрешность определения 10 (С/А-код); 0,1 (Р-код)
Погрешность определения времени (нc) 340 (С/А-код); 90 (Р-код)
Надежность навигационных определений (%) 95

Основы функционирования GPS-системы

Общие сведения

Теория дальнометрии основана на вычислении расстояния распространения радиосигнала от спутника к приемнику по временной задержке. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить, просто умножив время распространения радиосигнала на скорость света.
Каждый спутник GPS-системы непрерывно генерирует радиоволны 2 частот — (L1=1575.42 МГц и L2=1227.60 МГц). Навигационный сигнал представляет собой фазоманипулированный псевдослучайный PRN-код (Pseudo Random Number code). PRN-код бывает 2 типов. Первый — C/A-код (Coarse Acquisition code — грубый код) используется в гражданских приемниках. Он позволяет получать лишь приблизительную оценку местоположения, поэтому и называется «грубым» кодом. C/A-код передается на частоте L1 с использованием фазовой манипуляции псевдослучайной последовательности длиной 1023 символа. Защита от ошибок обеспечивается посредством кода Гоулда. Период повторения С/А-кода — 1 мс. Другой код — P (precision code — точный код) — обеспечивает более точное вычисление координат, но доступ к нему ограничен. В основном, P-код предоставляется военным и (иногда) федеральным службам США (например, для решения задач геодезии и картографии). Этот код передается на частоте L2 с применением сверхдлинной псевдослучайной последовательности с периодом повторения 267 дней. Этот код доступен в принципе и гражданским лицам. Но алгоритм его обработки гораздо более сложен, поэтому и аппаратура стоит дороже. В свою очередь, частота L1 модулируется как С/А, так и Р-кодом. В сигнале GPS может присутствовать и так называемый Y-код, являющийся зашифрованной версией P-кода (в военное время система шифровки может меняться).

Кроме навигационных сигналов, спутник непрерывно передает различного рода служебную информацию. Пользователь GPS-приемника информируется о состоянии спутника и его параметрах: системном времени; эфемеридах (точных данных об орбите спутника); прогнозируемом времени задержки распространения радиосигнала в ионосфере (т. к. скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), работоспособности спутника (в так называемом «альманахе» содержатся обновляемые каждые 12.5 мин сведения о состоянии и орбитах всех спутников). Эти данные (длиной 1500 бит) передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.
У каждого GPS-приемника есть собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, по времени задержки между одинаковыми участками кода, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние до спутника. Одной из основных технических проблем описанного выше метода является синхронизация часов на GPS-спутнике и в GPS-приемнике. Даже минимальная погрешность может привести к огромной ошибке в определении расстояния. Следует сказать, что на каждом GPS-спутнике смонтированы высокоточные атомные часы. Естественно, что в каждом GPS-приемнике такие часы установить невозможно. Поэтому для коррекции ошибок в определении координат из-за погрешностей часов, встроенных в GPS-приемник, применяется некоторая избыточность в данных, необходимых для однозначной привязки к местности.

Основные принципы определения координат с помощью GPS-системы

В основе определения координат GPS-приемника лежит вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным (эти данные находятся в принятом с GPS-спутника «альманахе»). В геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами называется «трилатерацией» (рис. 1).

Если известно расстояние А до одного спутника, то координаты приемника определить нельзя (он может находиться в любой точке сферы радиусом А, описанной вокруг спутника). Пусть известна удаленность В приемника от второго спутника. В этом случае определение координат также не представляется возможным — объект находится на окружности, которая является пересечением двух сфер. Расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек (обозначены двумя жирными точками на рис. 1). Этого уже достаточно для однозначного определения координат — дело в том, что из двух возможных точек расположения приемника лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близости от нее), а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, для трехмерной навигации теоретически достаточно знать расстояния от приемника до 3 спутников.

Однако все не так просто. Приведенные выше рассуждения рассматривались для случая, когда расстояния от точки наблюдения до спутников были известны с абсолютной точностью. Разумеется, на практике всегда есть некоторая погрешность измерений («невязка») — например, из-за неточной синхронизации часов приемника и спутника, зависимости скорости света от состояния атмосферы и др. Поэтому для определения трехмерных координат GPS-приемника используются не 3, а, как минимум, 4 спутника. Получив сигнал от 4 (или более) спутников, GPS-приемник ищет точку пересечения соответствующих сфер. Если такой точки нет, процессор GPS-приемника начинает методом последовательных приближений корректировать свои часы до тех пор, пока не добьется пересечения всех сфер в одной точке.

Координаты подвижного абонента определяются с помощью стандартного навигационного GPS-приемника, встроенного в терминал пользователя. Навигационный приемник сигналов для системы GPS состоит из приемного модуля и малогабаритной антенны с малошумным усилителем. Приемный модуль выпускается как в виде автономного устройства со встроенными источниками питания, так и в виде отдельной платы, встраиваемой в абонентский терминал.
Устройство, как правило, использует собственную миниатюрную антенну и автономно вычисляет географические координаты и всемирное время (UTC) по навигационным сигналам. GPS-приемники чаще всего применяются, если необходимо получить высокую точность координат (погрешность — не более 100 м). Захватив сигнал, навигационный приемник автоматически вычисляет координаты объекта, скорость сигнала и всемирное время, и формирует отчет. Сведения о местонахождении объекта передаются по спутниковым каналам связи в диспетчерский пункт. Навигационные устройства могут различаться по количеству каналов приема, скорости обновления данных, времени вычислений, точности и надежности определения координат.

Современные GPS-устройства обычно оснащены 6-8 приемниками, что позволяет отслеживать, практически, все навигационные спутники, находящиеся в зоне радиовидимости объекта. Если каналов меньше, чем «наблюдаемых» спутников, автоматически выбирается наиболее оптимальное сочетание спутников. Скорость обновления навигационных данных — 1 с. Время обнаружения зависит от числа одновременно наблюдаемых спутников и режима определения местоположения. Определение навигационных параметров может производиться в двух режимах — 2D (двумерном) и 3D (пространственном). В режиме 2D устанавливаются широта и долгота (высота считается известной). При этом достаточно присутствия в зоне радиовидимости 3 спутников. Время определения координат в режиме 2D обычно не превышает 2 мин. Для определения пространственных координат абонента (режим 3D) требуется, чтобы в соответствующей зоне находились не менее 4 спутников. Гарантируются время обнаружения не более 3-4 мин и погрешность вычисления координат — не более 100 м.

Факторы снижения точности определения координат

На степень точности вычисления координат влияет ряд факторов, зависящих от процедуры их определения. Их принято называть факторами снижения точности. Как правило, при вычислении координат учитываются следующие стандартные факторы снижения точности:

Кроме того, основными источниками ошибок, влияющими на точность навигационных вычислений в GPS-системе, являются:

1. Погрешности, обусловленные режимом селективного доступа (Selective availa-bility, S/A). Используя данный режим, Министерство Обороны США намеренно снижает точность определения местонахождения для гражданских лиц. В режиме S/A формируются ошибки искусственного происхождения, вносимые в сигнал на борту GPS-спутников с целью огрубления навигационных измерений. Такими ошибками являются неверные данные об орбите спутника и искажения показаний его часов за счет внесения добавочного псевдослучайного сигнала. Величина среднеквадратического отклонения из-за влияния этого фактора составляет, примерно, 30 м.

2. Погрешности, связанные с распространением радиоволн в ионосфере. Задержки распространения сигналов при их прохождении через верхние слои атмосферы приводят к ошибкам порядка 20-30 м днем и 3-6 м ночью. Несмотря на то, что навигационное сообщение, передаваемое с борта GPS-спутника, содержит параметры модели ионосферы, компенсация фактической задержки, в лучшем случае, составляет 50%.

3. Погрешности, связанные с распространением радиоволн в тропосфере. Возникают при прохождении радиоволн через нижние слои атмосферы. Значения погрешностей этого вида при использовании сигналов с С/А-кодом не превышают 30 м.

4. Эфемеридная погрешность. Ошибки обусловлены расхождением между фактическим положением GPS-спутника и его расчетным положением, которое устанавливается по данным навигационного сигнала, передаваемого с борта спутника. Значение погрешности обычно не больше 3 м.

5. Погрешность ухода шкалы времени спутника вызвана расхождением шкал времени различных спутников. Устраняется с помощью наземных станций слежения или за счет компенсации ухода шкалы времени в дифференциальном режиме определения местоположения.

6. Погрешность определения расстояния до спутника является статистическим показателем. Он вычисляется для конкретного спутника и заданного интервала времени. Ошибка не коррелирована с другими видами погрешностей. Ее величина обычно не превышает 10 м.
Следует отметить, что точность определения координат связана не только с прецизионным расчетом расстояния от GPS-приемника до спутников, но и с величиной погрешности задания месторасположения самих спутников. Для контроля орбит и координат спутников и предназначены наземные станции слежения, системы связи и центр управления, подчиняющиеся Министерству Обороны США. Станции слежения постоянно ведут наблюдение за всеми спутниками GPS-системы и передают данные об их орбитах в центр управления, где вычисляются уточненные элементы траекторий и поправки спутниковых часов. Указанные параметры вносятся в «альманах» и передаются на спутники, а те, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим GPS-приемникам. Кроме того, существует еще множество специальных систем, увеличивающих точность навигации. Например, особые схемы обработки сигнала снижают ошибки от интерференции (взаимодействия прямого спутникового сигнала с отраженным сигналом, например, от зданий).

Режим дифференциальной коррекции

Уменьшить ошибку в измерении координат (до нескольких см) позволяет режим так называемой дифференциальной коррекции (DGPS — Differential GPS). Дифференциальный режим позволяет установить координаты с точностью до 5 м в динамической навигационной обстановке и до 2 м — в стационарных условиях. Дифференциальный режим реализуется с помощью контрольного GPS-приемника, называемого базовой станцией. Она располагается в пункте с известными координатами в том же районе, что и GPS-приемник, и дает возможность одновременно отслеживать GPS-спутники. В состав базовой станции входят: измерительный датчик GPS с антенной, процессор, приемник и передатчик данных с антенной. Станция, как правило, использует многоканальный приемник GPS, каждый канал которого отслеживает один видимый спутник. Необходимость непрерывного отслеживания каждого спутника обусловлена тем, что базовая станция должна «захватывать» навигационные сообщения раньше, чем приемники потребителей. Сравнивая известные координаты (полученные в результате прецизионной геодезической съемки) с измеренными координатами, контрольный GPS-приемник вырабатывает поправки, которые передаются потребителям по радиоканалу в заранее оговоренном формате. В свою очередь, потребителю необходим GPS-приемник с антенной, оснащенный процессором и дополнительным радиоприемником с антенной, который и позволяет получать дифференциальные поправки с базовой станции. Поправки, принятые от базовой станции, автоматически вносятся в результаты собственных измерений пользовательских устройств. Для каждого спутника, сигналы которого поступают на GPS-приемник, поправка, полученная от базовой станции, складывается с результатом измерения псевдодальности. Коррекция может осуществляться как в режиме реального времени, так и при «оффлайновой» обработке данных (например, на компьютере).

Обычно в качестве базовой станции используется профессиональный GPS-приемник, принадлежащий какой-либо компании, специализирующейся на оказании услуг навигации или занимающейся геодезией. Результаты, полученные с помощью дифференциального метода, в значительной степени зависят от расстояния между объектом и базовой станцией. Применение этого метода наиболее эффективно, когда преобладающими являются систематические ошибки, обусловленные внешними (по отношению к приемнику) причинами (что обычно характерно для GPS-системы). Погрешности S/А и «уходы» шкалы времени компенсируются в дифференциальном режиме полностью. Погрешности из-за задержки сигналов в атмосфере зависят от идентичности условий прохождения сигналов к базовой станции и объекту, а, следовательно, от расстояния между ними. Эти погрешности компенсируются полностью лишь при близком расположении базовой станции и объекта. Эфемеридная погрешность также лучше всего компенсируется при небольшом удалении потребителя от базовой станции. Вседствие всех этих причин базовую станцию рекомендуется располагать не далее 500 км от объекта. Основными заказчиками дифференциальной коррекции обычно являются геодезические и топографические службы. Для частного пользователя DGPS не представляет интереса из-за высокой стоимости и громоздкости оборудования.

Применение GPS-системы

Еще в 1983 г. президент США официально заявил, что GPS-система должна быть доступна каждому. Крайне важным для развития GPS-приложений стало и решение президента США об отмене с 1 мая 2000 г. режима «селективного доступа». Теперь каждый любительский GPS-терминал может определять координаты с точностью в несколько метров (а не несколько десятков метров, как раньше). На рис. 2 представлены ошибки в навигации до и после отключения режима селективного доступа (данные U.S. Space Command).

После отмены режима «селективного доступа» гражданские приемники «привязываются к местности» с погрешностью 3-5 м (высота определяется с точностью около 10 м). Данные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 GPS-спутников (большинство современных аппаратов имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников).
GPS-cистема используется во всем мире для решения как военных, так и гражданских навигационных задач. С ее помощью контролируются транспортные и грузовые перевозки, отслеживается местонахождение потерянных или угнанных транспортных средств, ведется поиск людей в чрезвычайных ситуациях, проводятся исследования миграции животных и др.

GPS-приемники встраивают в автомобили, сотовые телефоны и даже наручные часы! Все морские суда оборудованы GPS-приемниками. Созданы и чипы, совмещающие в себе миниатюрный GPS-приемник и модуль GSM — устройствами на его базе предлагается оснащать собачьи ошейники, чтобы хозяин мог без труда обнаружить потерявшегося пса. Например, американская компания AVID Identification Systems разработала идентификационный GPS-микрочип (размером с рисовое зернышко), который вживляется собаке в холку. Каждому микрочипу присваивается уникальный номер. С помощью такого микрочипа можно быстро найти потерявшуюся собаку.

В свою очередь, компания US Wireless разработала GPS-систему RadioCamera, предназначенную для оперативного сбора информации о ситуации на дорогах путем анализа сигналов сотовых телефонов. Радиосигналы сотовых телефонов поступают в центральный компьютер, определяющий местоположение разговаривающих абонентов с целью расчета расстояния между ними и определения изменения скорости движения автомобилей. Пеленгуя каждый отдельный мобильный телефон, оператор системы может определять место, скорость и направление движение автомобиля (в котором находится данный телефон). Благодаря системе RadioCamera возможно прогнозировать дорожные пробки за час до их возникновения. Кроме того, если телефон долго находится на одном месте без движения, то возможно, там произошла авария. Информация о всевозможных пробках поступает на электронные доски объявлений, а водителям предлагаются альтернативные маршруты движения. В настоящее время компания US Wireless разрабатывает также систему автоматического расчета оптимальных маршрутов движения, гибко реагирующую на любое критическое изменение ситуации.

Следует также упомянуть технологию GlobalTrax разработки американской компании GeoSpatial Technologies, предназначенную для слежения за перемещениями автомобилей. С ее помощью можно отследить перемещения автомобиля в любое время суток и в любом месте. В технологии GlobalTrax применяются GPS-система и геоинформационные системы. Их совместное использование позволяет определить местонахождение любого автомобиля со встроенным GPS-приемником с точностью до 3 м. Данные можно получать при помощи портативного компьютера, подключенного к Интернет. В этом случае точные координаты сопровождаются указанием на карте. Можно использовать и мобильный телефон (поступает только текстовая информация с координатами). Графическое изображение местности обновляется с частотой 1 раз в секунду. Продажи ПО GlobalTrax начнутся в 2001 г.

Компания Qualcomm использует ПО локализации сотовых телефонов разработки своей дочерней фирмы SnapTrack в системе глобального позиционирования gpsOne, задачей которой является отслеживание местоположения владельцев мобильных телефонов при чрезвычайных ситуациях (например, определение местонахождения владельца сотового телефона, позвонившего по 911). Это значительно упрощает работу спасательных служб. Уже к октябрю 2001 г. служба 911 будет пользоваться подобными данными.
Кроме того, компании Phone.com (разработчик решений мобильного доступа в Интернет) и SnapTrack совместно создают технологию определения местонахождения мобильного абонента на основе платформы Mobile Location Server (MLS) от компании Phone.com. Платформа MLS и ПО SnapSmart компании SnapTrack обеспечивают точное определение координат (с точностью от 3 до 20 м) в условиях, когда стандартные методы GPS-технологии не всегда работают (например, внутри зданий, на городских улицах и т. д.).

Благодаря появлению недорогих GPS-приемников процедура определения координат на местности стала простой и доступной, что дало своеобразный импульс и к развитию систем электронной картографии. Например, компания Microsoft предлагает ПО бизнес-картографирования MS MapPoint 2001, входящее в комплект приложений MS Office. С помощью данного ПО можно визуализировать бизнес-данные на основе интеграции электронных карт и демографической информации с документами, созданными средствами MS Office. В MapPoint хранится большой объем демографических сведений (240 категорий данных по США и Канаде и более 40 категорий данных по другим данным).

Кроме того, поддерживается глобальное позиционирование (пользователи MapPoint могут отслеживать свое местонахождение на карте во время движения). Компания Garmin предлагает любителям путешествий (туристам, альпинистам, мореплавателям) навигационный прибор eTrex Summit. Он объединяет GPS-приемник, альтиметр (высотометр), электронный компас и весит около 150 г. У компании Garmin есть и более ранняя модель GPS-навигатора Garmin GPS II+, на примере которой можно рассмотреть, как используются подобные устройства.

Вес GPS-навигатора Garmin GPS II+255 г, а размеры — 59х127х41 мм (дисплей — 56х38 мм). Он питается от 4 пальчиковых батареек АА (ресурс — 24 часа непрерывной работы) или внешнего источника. При включении Garmin GPS II+ начинается процесс сбора информации со спутников, а на экране появляется мультипликация (вращающийся земной шар). После первоначальной инициализации на дисплее возникает примитивная карта неба с номерами видимых спутников, а рядом — гистограмма, свидетельствующая об уровне сигнала от каждого спутника. Кроме того, указывается погрешность навигации (в метрах) — чем больше спутников видит GPS-приемник, тем, разумеется, точнее будет определение координат.

Интерфейс GPS II+ построен по принципу «перелистываемых» страниц (для этого есть специальная кнопка PAGE). Есть также «страница навигации», «карта», «страница возврата», «страница меню» и ряд других. На странице навигации отображаются: абсолютные географические координаты, пройденный путь, мгновенная и средняя скорости движения, высота над уровнем моря, время движения и, в верхней части экрана, электронный компас. Пройденный путь отображается на «карте». Масштаб карты меняется от десятков метров до сотен километров. В памяти прибора есть координаты основных населенных пунктов всего мира. Для определения направления движения к пункту назначения необходимо найти его в памяти GPS-навигатора, нажать кнопку GO TO, и на экране появится локальное направление движения: глобальное направление; количество километров (по прямой), оставшееся до точки назначения; средняя скорость и расчетное время прибытия. Не менее полезной является и так называемая функция возврата. В память устройства можно записывать ключевые точки (waypoints), которые пользователь может называть по своему усмотрению. Кроме того, предусмотрены различные пиктограммы для отображения информации на дисплее. Можно также включить функцию возврата к точке (любой из ранее записанных). Кроме движения к записанной метке по прямой в Garmin реализована функция TrackBack — возврат по своему пути. Иначе говоря, кривая движения аппроксимируется рядом прямолинейных участков, а в точках излома ставятся метки. На каждом прямолинейном участке GPS-навигатор ведет пользователя к ближайшей метке, по достижении же ее осуществляется автоматическое переключение на следующую метку. Реализована и функция смены ориентации дисплея — можно использовать аппарат как в горизонтальном (автомобильном), так и в вертикальном (пешеходном) положении (рис. 3).

Недостатки GPS-системы

Несмотря на все преимущества, у GPS-систем есть и недостатки. Например, GPS-приемник может быть отключен в любой момент (из соображений безопасности США). Кроме того, внедрение GPS-технологии подразумевает наличие подробных электронных карт c масштабом до 100 м (которые есть в свободной продаже не в каждой стране).

Назад Вперед