Глобальная система позиционирования (GPS), которая была разработана для удовлетворения военных нужд Министерства обороны, но в настоящее время используется в повседневной жизни, является радио-навигационной системы основан что дает трехмерное освещение Земли 24 часа в сутки в любых погодных условия . Она является единственной системой сегодня которая может показать свое точное положение на Земле в любое время, в любом месте, и он является одним из истории самых интересных и революционных событий. GPS-системы могут сообщить местонахождение в любой точке на или над землей в течение примерно 300 футов. Большая точность может быть достигнута (в течение менее трех метров) с исправлениями, рассчитанные на GPS приемник на известные фиксированные места. Министерство обороны разработал и поддерживает GPS. Даже несмотря на то, что система была завершена лишь в последнее время она уже доказала, что является самым ценным помощником американских военных сил. Операция "Буря в пустыне" была проведена с помощью GPS. Солдаты были в состоянии искать места и маневра в песчаных или в ночное время, даже войска, которые жить там не могли. Кораблей ВМФ использовать GPS для встречи, для разминирования, а также эксплуатации самолета. GPS используется также для плавания в самолеты, корабли, автомобили и грузовики. GPS стала важным почти во всех военных операциях и систем оружия.

GPS состоит из трех частей: космического сегмента, сегмента контроля и пользовательского сегмента.

Космический сегмент состоит из 24 спутников, и 3 активных запчасти на орбите 11,000 морских миль над Землей. Есть шести орбитальных плоскостях (с 4 SVS в каждом), равные интервалы (60 градусов исключением), а также склонны около 55 градусов по отношению к экваториальной плоскости. Это созвездие предоставить пользователю возможность получать сигнал форме пяти до восьми спутников почти 100% времени на любой позиции на Земле. Около 12 часов идти вокруг Земли один раз (один вокруг орбиты). Часы на спутниках сохранить точное время в течение трех наносекунд - это 0,000000003 доли секунды. "Часы-передатчики инициативе направить синхронные сигналы времени, с тегами о местоположении и времени передачи , так что приемник вблизи Земли может определить свою позицию, а затем декодирование навигационных сообщений из четырех спутников, чтобы найти передачи случайных координат, и Затем решение четырех одновременных один способ распространения сигнала уравнений "(Эшби, Нил). И наоборот, гамма-детекторы на спутниках может определить пространственно-временные координаты ядерной случае путем измерения сигнала прибытия раз и решить четыре в одну сторону уравнения распространения задержки. В это время очень важно, потому что приемник должен определить точно, сколько времени требуется для сигнала от каждой поездки GPS спутник. Спутники передают сигналы, которые могут быть обнаружены кем-либо с GPS приемником. Спутники пути контролируются наземные станции. Первый GPS спутник был запущен в 1978 году и первые 10 спутников развития спутников призвал Блок I. С 1989 по 1993 год 23 дополнительных производственных спутников, называемый блок II, была запущена. На старт 24-го спутника в 1994 году завершила системы.

GPS-контроль сегмент состоит из системы станций, расположенных по всему миру (Гавайи и Кваджалейн в Тихом океане; Диего Гарсия в Индии океан; Остров Вознесения в Атлантическом океане, и Колорадо-Спрингс, штат Колорадо) мастер наземной станции в Колорадо-Спрингс, штат Колорадо, а также четыре крупных наземных антенных станций, вещающих сигналов спутников.

Монитор станций измерения сигнала от SVS, которые включены в орбитальной модели каждого спутника. Модели вычисления орбитальных данных и коррекцию часов для каждого спутника. Управляющая добавления орбитальной станции и часы данные SVS которые направляют подмножеств данных для GPS приемников сигналов по радио.

GPS пользовательский сегмент состоит из приемников, которые могли бы стороны совершили или устанавливаться на самолеты, корабли, танки, подводные лодки, автомобили и грузовики. Обнаруживают, декодируют процесс спутниковых сигналов GPS. Сигнал преобразуется в положении, скорости и времени оценками. В общей сложности Есть пять единиц данных, GPS приемник может принимать измерений. Приемник записей позиции по широте и долготе, которые могут быть переведены в различных элементов и системы координат для отображения.[1]

Существуют два GPS позиционирования услуг, указанных в Федеральном радионавигация плана:

а. Точное позиционирование службы (ППС)

Зарегистрированные пользователи со специально оборудованных приемниками использования ППС. Точность:

22 метр горизонтальной точностью

1. метр вертикальной точности

100 наносекундного времени точность

а. Стандартное размещение служба (СЭС)

Большинство приемники, способные принимать и использовать SPS сигнала. Точность:

100 метров по горизонтали точности

156 метров по вертикали точности

340 наносекунд времени точность[2]

В принципе GPS является измерение расстояния или "диапазоне" между приемником и спутниками. Спутники сообщает нам, где именно они находятся на орбите над Землей. Проблема заключается в том, что путем измерения времени, доплеровские смен, гравитационные частота смены и распространения задержки должны быть приняты во внимание, так что пользователь может точно определить позицию. Ошибка в миллиардной доли секунды во время соответствует ошибке в расположение 1 фут.

GPS является одним из первых операционных систем, за исключением высокоэнергетических ускорителей, что имеет важные последствия относительности. Когда первый спутник был запущен в 1997 году, все еще существует много противоречий по поводу теории Эйнштейна о специальной и общей теории относительности. Первый спутник, содержащиеся в первом Цезий часы быть помещены в орбиту и там было много людей, кто сомневается в том, что эффекты теории относительности, являются реальными. А частота синтезатор был построен в спутниковой системе часы, так, что после запуска, если он оказался в том, что часы будут работать на скорости предсказано общей теории относительности, он может быть включен довести часов в координатном ставки, необходимые для операции. Часы на борту эксплуатировался в течение 20 дней без включения синтезатора и частотой измерения в течение этого интервала была 442,5 частей на 10 быстрее, чем 12 часов на месте. Если нет коррекции бы состоялось это приводит к ошибке примерно 38,000 наносекунд в сутки. Частота предсказывает Общая теория относительности был только в 3.97 частях 10 12, которая была в точности возможностей орбитальных часов. Он является не просто правом, чтобы совершить относительности тесты с использованием GPS, поскольку спутниковые часы активно исправить в течение 1 микросекундной Универсальной Скоординированной времени

Есть несколько причин, по которым относительности является очень важным в GPS: GPS спутники имеют большой скорости, есть большой потенциал гравитационного различия между этим из спутников, а также пользователей, и существует значительное воздействие вращения Земли. Эти последствия сами по себе не может быть, важны, но потому, что GPS спутники оснащены атомные часы релятивистского эффекта должны быть приняты во внимание.

"Существуют три основных последствия относительности эффекты:

1. Существует фиксированной частоты компенсируется спутника тактовой частотой когда наблюдать с Земли. Большинство эффект намеренно удалены несколько компенсировало спутниковых часов в частоте до старта, так называемого "завода компенсируется" в часах.

2. Незначительное эксцентриситет орбиты каждого спутника вызывает дополнительные периодические часы ошибки, что зависит от спутниковой позиции в плоскости своей орбиты.

3. Существует также эффект (Саньяка задержек) в результате вращения Земли во время транзита спутникового сигнала со спутника на Землю "(болезнь Паркинсона, Брадфорд. Пг. 623-634).

Переход пользователя на поверхности Земли или вблизи ее или фиксированных пользователей в какой-то высоте относительно поверхности Земли придется внести дополнительные поправки вызвали их скорость и высоту над уровнем земли.

Чистый эффект относительности для нулевого эксцентриситета GPS спутник представляет собой сочетание эффектов, вызванных спутников скорости (СТО эффекта), и гравитационное поле Земли (Общая теория относительности эффект). Это производит небольшой фиксированной частоты компенсируется в дополнение к классическим доплеровского сдвига.

Одним из последствий Эйнштейном специальной теории относительности время дилатации. Часы движущиеся с большой скоростью запустить медленнее, затем часы с меньшим относительной скорости. Таким образом, часы на спутниках GPS будет работать медленнее, по сравнению с часами на Земле, потому что GPS спутники имеют большой скорости. Более подробная информация о том, что ставки часы галочку сравнить с статические часы даны по формулам:

Те 2 = (1 - Ve 2 / C 2) TS 2 и Тг 2 = (1 - Vg 2 / C 2) TS 2, где Te является надлежащее время часы на поверхности Земли, Ve является часов линейная скорость из-за вращения Земли, Ц. является надлежащее время статических часы, Тг является надлежащее время часы в GPS спутник В.Г. является линейной скорости движения GPS спутник на орбите. Такое соотношение, при котором часы будут галочкой может быть получено из формулы выше: Te 2 / Тг 2 = (1 - Ve 2 / C 2) / (1 - Vg 2 / C 2). Этот эффект имеет фиксированную стоимость. Часы на спутниках GPS запустить медленно 6 миллионной доли секунды в сутки.

В силу общей теории относительности состоит в том, что часы на более высоких высотах над Землей запустить быстрее, чем часы на поверхности Земли. В метрике Шварцшильда мы могли рассчитывать цены на часы, которые представляют особый интерес галочку сравнить с часами на бесконечном расстоянии от источника гравитационного поля. Давайте сравним темпы два статических часы: один на поверхности Земли и в GPS спутник. Для статического часы:

DT = 2-DS 2 = (1 - R / R) 2 DTi, где Т собственного времени часы мы заинтересованы в Ti является надлежащее время часы бесконечных расстоянии, и R = 2MG / с 2, где М это масса Земли, G является ньютоновской гравитационной постоянной и С, скорости света. Поэтому соотношение курсов, на которых часы на поверхности Земли и в GPS спутник будет галочкой определяется по формуле:

2 DTE / DTG 2 = (1 - R / RE) / (1 - R / RG), где вновь является радиус Земли и RG это расстояние от центра Земли до спутниковой GPS. Этот эффект также имеет фиксированную стоимость. Часы на спутниках GPS быстро запускать на 45 миллионный второй день. Поэтому сочетание специальной и общей теории относительности эффекты мы приходим к выводу, что часы в GPS быстро запускать спутники на 39 миллионной доли секунды в сутки, которые, если не принимать во внимание позицию может привести ошибка в 12 километров.

GPS спутники не придерживаются строгой круговой орбите вокруг Земли. Там существуют незначительные эксцентриситет орбиты, и поэтому он вызывает периодические часы ошибки, что зависит от позиции спутников на орбите. Рассмотрим две позиции спутника на орбите (Position1 и Position2 на рисунке). Как мы могли видеть, d1 расстояние от Земли до спутника в Position1 не равна d2 расстояние от Земли до спутника в Position2. Также существуют различия в скорости, на которой спутник поездок в этих двух позиций. Скорость спутника Position2 будет больше чем скорость спутника в Position1. Таким образом, будет различным специальной и общей теории относительности эффект, когда спутник орбитах вокруг Земли. GPS орбиту вокруг Земли очень близка к окружности, так что периодические ошибки очень небольшая, но имеет фиксированные значения и могут быть включены в систему.[3]

Одновременность очень важное понятие в GPS. Для пользователей, для определения местоположения и времени часы в GPS спутники должны быть синхронизированы. Если мы используем инерциальной системе отсчета, часы могут быть синхронизированы с помощью Эйнштейна синхронизации процедур (если лучи света, излучаемого с двух разных точек прибудет в середине этих пунктов в то же время, то события или препровождающую луч света из двух оригинальных точек произошло синхронный). Однако пользователи GPS движутся (Земля вращается) и неинерциальной эффект произойдет. Рассмотрим ситуацию проиллюстрирована на диаграмме выше. Часы A, B, C, D и вращаются вокруг определенного часа E. скоростей часы предоставляются Va, Vb, Vc, VD. Кроме того, все скорости равны и существуют центростремительный (??), Которая вызывает ускорение часы двигаться вокруг часов Е и, следовательно, направление скоростях меняется по отношению к оси координат X (представлена на рисунке). Саньяка эффект играет важную роль в системе. Было бы желательно, чтобы синхронизировать часы во вращающейся рамке крепится к Земле, поскольку большинство пользователей GPS находятся на остальной или почти на земной поверхности. Поскольку Земля вращается, эффект Саньяка является достаточно большим, в GPS, и часы не могут быть синхронизированы в ротации кадр и есть необходимость иного подхода к синхронизации часов. Давайте попытаемся разработать пространственно-временной диаграмме в системе отсчета часов E от диаграмме выше. Позволяет выбрать определенный момент времени, когда скорость часов A в X направлении, скорость часы C находится в направлении, противоположном направлению х и скоростей часы B и D в X направлении равен нулю. Это положение иллюстрируется в предыдущей схеме. Поэтому пространственно-временные диаграммы выглядит так:

Отметим, что скорость часы D и B равны нулю и поэтому их мировых линий параллельных мира линию петух Е и линий одновременности являются такими же, как за час E. Что это мясо на часы A, B, C и D в быть синхронизированы? В любой момент времени все эти часы должны показывать то же время координаты. Скажем мы используем отсчета тактовой А. Давайте посмотрим на диаграмму. Рассмотрим часы А некоторые линии одновременности (Ta = 0 в нашу схему). Вопросы, J и L представляют переходы с часами B и D мировых линий. Если часы синхронизированы, часы B и D на вопросы, J и L следует читать одновременно с часами A (Ta = 0). Мы можем четко видеть из рисунка, когда часы А прочитано раз та = 0, часы B гласит время Te> 0 и часы D читает времени Te <0. Тот же анализ применим в системе отсчета в часах C (точки М и К о мировых линий часы D и B). Поэтому мы не можем синхронизировать часы с использованием какого-либо вращающейся системе отсчета. В GPS Синхронизация выполняется в системе "Земля-Centered инерциальной системе с использованием постоянства скорости света.

В дополнение к относительности последствий говорилось выше, существуют последствия, вызванные пользователем скорость и высота пользователя выше геоида. Некоторые из этих эффект может отменить или частично отменить в оценке позиции. Однако эти последствия могут быть значительными, если пользователь является другой спутник на орбите.

Там также имеются вторичные последствия, которые меньше, чем точность уровне требует со стороны пользователя. Приливная потенциального влияния на часы это результат вращения Земли вокруг Солнца, и поэтому подвержена Солнца гравитационным полем. Однако, как GPS-спутников и пользователь находится в орбите вокруг Солнца почти на том же положении, так много в этой связи отменяется.

В земной гравитации потенциал не является сферической из-за эллипсоидальных форму Земли, которые вызывают эффект, который не моделируется в системе (поле квадрупольного эффект). Однако этот эффект очень мал. При высокой точности желательно, чтобы система GPS затем этот счет должны быть приняты во внимание. Если этот эффект не принимать во внимание потенциал тяготения Земли (F) определяется по формуле:

F =-G * Me / R, где G является ньютоновской гравитационной постоянной, мне массу Земли, а R является расстояние от точки наблюдения до центра Земли. Эта формула соответствует сферической формы Земли. Если мы хотим, чтобы за счет эллипсоидальных форму Земли мы выражаем формуле с учетом коэффициента 1 / R 2. Поэтому, F = (GMe / R) * [1 - J 2 (Re / R) 2 P 2 (COS Q)], где J 2 Земля квадрупольного момента коэффициент Re является Земли экваториального радиуса и С 2 (x) = ( 3x 2 - 1) / 2 Лежандра многочлен второй степени. Это расширение является достаточным для желательной точности GPS, но если военное применение потребует выше и выше точность от GPS система Гравитация потенциал, возможно, необходимо будет распространить на счет для Земли не совершенен эллипсоидальных форму (это означает, что reciprocals более высоких степеней R будет которые должны быть включены в формулу).

Другие последствия часы на спутниках GPS так называемого Шапиро задержек. Причина этой задержки заключается в том, что скорость света меняется, когда она подвергается воздействию гравитационного поля Земли. Эта задержка была измерена экспериментально и оказалась незначительной.

Другое воздействие на часы вызывают в земной массы вращающегося вокруг своей оси (линзы-Тирринга эффект - перетащить рамку). Этот эффект слегка изменяет решение уравнения Эйнштейна, и создает несколько иной метрики. Однако эти последствия являются незначительными для GPS.

Релятивистские эффекты в GPS системы является очень важным. При более высокой точностью будет желательно вторичные эффекты относительности должна быть выполнена в более совершенных систем наряду с первичными последствиями. В настоящее время неопределенность позиции с помощью точного позиционирования кодекс в настоящее время около 2,4 метров, и много людей, заинтересованных в снижении ошибку на миллиметр уровне. Даже несмотря на то, что система не в том, что высокая точность, он по-прежнему дает много примеров для применения в теории относительности.

"Новые и удивительно применения определения местоположения и времени передачи основанные на GPS постоянно изобрели. Civilain приложения включают, например, отслеживание слонов в Африке, исследования движений земной коры пластины, топографическая съемка, картографирование, изучение, утиль в открытом океане, автопарк отслеживания, поиска и спасания, силовые линии вине местоположение и синхронизации телекоммуникационных узлов "(Эшби, Нил).[4]

Список литературы:.

1. Эшби, Нейл. "Общая теория относительности в рамках Глобальной системы позиционирования".

2. Дана, Питер. "Глобальная система позиционирования Обзор".

3. Глобальная система позиционирования(http://www.utexas.edu/dept/grg/gcraft.html)

4. Эшби, Нейл. "Глобальная система позиционирования: теория и Приложения "