GPS

Сравнение орбит GPS, ГЛОНАСС, Galileo и COMPASS (спутников на средней околоземной орбите) с Международной космической станцией, космическим телескопом «Хаббл», геостационарной орбитой и орбитой захоронения, а также номинальными размерами Земли

GPS (англ. Global Positioning System — система глобального позиционирования) — глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) с двойным назначением (для военных и гражданских нужд), является многозадачной системой космической информации, постоянно действующая и разработанная по запросу Министерства обороны США. Она предназначена для обеспечения навигации, точного позиционирования и передачи временных шкал в любой точке планеты, за исключением полярных регионов. Спутники, входящие в состав орбитальной группы GPS, представляют собой беспилотные автоматические спутники Земли. Управление данной системой осуществляется с наземных станций. Для поддержания её функциональности регулярно запускаются новые спутники, которые заменяют вышедшие из строя устройства.

История

История создания GPS начинается в 1973 году, когда Управление совместных программ при Центре космических и ракетных исследований США получило поручение от Министерства обороны США разработать и испытать навигационную систему на основе спутников. Это привело к созданию системы, первоначально названной NAVSTAR (NAVigation System with Time And Ranging), которая предназначалась для навигации и синхронизации временных шкал. Поскольку проект инициировался Министерством обороны, его первоочередными задачами являлись оборона и национальная безопасность, что дало название — оборонительная система спутниковой навигации (DNSS).

Логотип NAVSTAR GPS

Концепция и архитектура GPS разрабатывались около пяти лет, и в 1974 году компания Rockwell получила контракт на постройку первых восьми спутников Block I. Первый спутник выведен на орбиту 22 февраля 1978 года, и в том же году Rockwell заключила новый контракт на четыре дополнительных спутника. Изначально планировалось создать 24 спутника на высоте 20 200 км и наклоне 63°. К началу серийного производства в 1989 году параметры изменились: наклон уменьшили до 55°, а количество орбитальных плоскостей увеличили до шести.

Существует два ключевых этапа развертывания GPS: первоначальная работоспособность (IOC) и полная работоспособность (FOC). Этап IOC начался в 1993 году, когда в группе спутников находилось 24 спутника различных модификаций. Переход к FOC произошёл в июле 1995 года после завершения лётных испытаний, хотя услуги начали предоставляться полноценно с марта 1994 года.

При проектировании системы предполагалась точность навигации в пределах 400 м при использовании C/A-кода, однако фактическая точность оказалась в 10 раз выше, составив 15-40 м. Это вызвало опасения в США относительно использования сигналов GPS потенциальными противниками, что привело к внедрению методов деградации точности для гражданских пользователей. Режим селективного доступа отключён 2 мая 2000 года, что значительно повысило точность навигации. Модернизация GPS включает разработку спутников нового поколения Block III, которые, в сочетании с усовершенствованным наземным комплексом, обеспечивают улучшенные характеристики по точности и защите от помех.

Техническая реализация

Космический сегмент GPS

В штатной орбитальной группировке GPS имеется 24 основных спутника, размещённых на шести круговых орбитах, обозначаемых латинскими буквами от A до F. На некоторых траекториях могут находиться один или два резервных устройства, которые помогают поддерживать систему в рабочем состоянии при сбоях основных спутников. Орбитальные плоскости наклонены под углом 55°, а долготы восходящих узлов отличаются на 60°. Высота орбит составляет 20 200 км, что соответствует периоду обращения в 11 часов 58 минут, то есть спутники GPS находятся в синхронных орбитах.

Наземный комплекс управления GPS

Управление орбитальной группировкой GPS осуществляется 2-й оперативной космической эскадрой Космического командования ВВС США. Управление осуществляется с помощью наземного комплекса второго поколения (Operational Control Segment — OCS), который включает в себя различные элементы и системы для обеспечения эффективной работы спутников:

• главный центр управления системой GPS на базе ВВС Шривер;
• резервный центр управления системой GPS;
• станции мониторинга Национального агентства геопространственной разведки;
• глобальную сеть закладочно-измерительных станций;
• станции мониторинга GPS ВВС США;
• запросные станции GPS L-диапазона.

Принцип работы

Имитация оригинальной конструкции космического сегмента GPS с 24 спутниками GPS (по 4 спутника на каждой из 6 орбит), показывающая эволюцию количества спутников, видимых из фиксированной точки (45° северной широты) на Земле

Определение местоположения объекта на Земле производится с использованием метода пространственно-временной трилатерации. Для его осуществления необходимо задействовать как минимум три искусственных спутника Земли (ИСЗ), координаты которых известны в определённые моменты времени. Каждый спутник, обращаясь по своей орбите, регулярно передаёт радиосигналы на нескольких несущих частотах. Эти сигналы содержат информацию о времени их передачи и текущих координатах спутника. Наземные приёмные устройства ГНСС улавливают эти сигналы и вычисляют время задержки каждого из них. С помощью анализа полученных данных вычисляются координаты объекта на поверхности Земли без учёта высоты. Если одновременно принимается информация более чем от трёх спутников, возможно также установить высоту объекта над уровнем Земли. Наличие более четырёх ИСЗ позволяет не только точно определить координаты, но и оценить достоверность полученных значений.

Сегменты GPS

Как и система ГЛОНАСС, система GPS имеет три основных сегмента:

• космический сегмент, представляющий собой орбитальную группировку, бортовое спутниковое навигационное оборудование, формирующее навигационный сигнал;
• наземный сегмент, состоящий из наземных станций, каналов передачи данных, средств контроля и управления;
• сегмент потребителей.

Радиочастотные характеристики

Типы сигналов GPS:

• C/A-код. Общедоступный код с периодом повторения 1023 цикла и частотой следования импульсов 1,023 МГц. С ним работают все гражданские GPS-приёмники.
• P-код. Используется в закрытых для общего пользования системах, период его повторения составляет 2·1014 циклов. В основном P-код предоставляется военным и федеральным службам США.
• Y-код. Это шифрованная версия P-кода.

Кроме того, навигационный спутник регулярно передаёт специальное сообщение, которое содержит дополнительные сведения. Пользователь информируется о состоянии спутника и его параметрах — системном времени, эфемеридах, прогнозе ионосферной задержки, показателях работоспособности.

Применение GPS

Основные сферы применения GPS:

• Картография. При помощи GPS составляются подробные карты и планы местностей с рельефом любой сложности.
• Геодезия. Очерчиваются точные границы земельных участков и координаты каких-либо конкретных объектов.
• Транспортный мониторинг. С помощью GPS идёт отслеживание транспортного потока.
• Сотовая связь. Применяется для определения точного местоположения абонента, звонящего в службу спасения, поскольку пострадавший не всегда может точно указать свои координаты или просто не успевает этого сделать.
• Мониторинг тектоники. При помощи GPS ведутся наблюдения за перемещениями тектонических плит.
• Прогнозирование погоды. Метеорологические станции передают данные по погодным условиям и при этом связывают их со своим местоположением.
• В авиации и мореходстве передатчики GPS позволяют отслеживать курсы самолётов или судов в реальном времени и при необходимости быстро среагировать на сигнал бедствия.
• Геотаргегинг — те или иные события, фотоснимки можно привязать к конкретному месту на Земле.
• Навигация. Распространённая сфера применения GPS.

Достоинства и недостатки

Достоинства GPS:

• С GPS легко ориентироваться на местности, так как он показывает направление для каждого поворота.
• GPS работает в любую погоду.
• Низкая стоимость.
• 100%-ный охват земной поверхности.
• Система регулярно обновляется правительством Соединённых Штатов Америки.
• Простая система навигации на воде.
• Сигнал GPS доступен по всему миру.
• GPS работает от спутников.

Недостатки GPS:

• Иногда сигналы GPS не являются точными из-за препятствий для передачи сигнала, таких как здания, деревья, а иногда из-за экстремальных атмосферных условий, таких как геомагнитные бури.
• Чип GPS потребляет много энергии, которая разряжает аккумулятор за 8-12 часов.
• GPS не проникает сквозь толстые стены или конструкции. Он также плохо работает в больших зданиях или сооружениях.

Услуги GPS

Глобальная концепция художника для спутника глобальной системы позиционирования NAVSTAR

Спутники GPS предоставляют услуги гражданским и военным пользователям. Гражданская услуга доступна всем пользователям на постоянной основе по всему миру. Военная услуга доступна вооружённым силам США и их союзников, а также одобренным государственным учреждениям.

Модернизация

Программа модернизации GPS — продолжающаяся многомиллиардная работа по улучшению функций и общей производительности системы глобального позиционирования. Улучшенные функции включают новые гражданские и военные сигналы GPS. Модернизация GPS предполагает полную замену устаревших спутников GPS и наземных систем на более новые и функциональные.

Модернизация GPS включает в себя серию последовательных приобретений спутников, включая GPS Block IIR-M, GPS Block IIF, GPS III и последующие GPS III. Это также предполагает параллельные усовершенствования сегмента управления GPS, включая программы аварийных операций GPS III (COps), раннего использования M-Code (MCEU) и системы оперативного управления следующего поколения (OCX).

Первый шаг в модернизации GPS сделан в мае 2000 года, когда президент Билл Клинтон распорядился Министерству обороны отключить функцию выборочной доступности GPS (SA). SA являлась намеренной деградацией точности гражданских GPS-систем, реализованной на глобальном уровне с помощью спутников GPS. В 1990-х годах гражданские GPS-системы могли давать неверные показания на расстоянии до футбольного поля (100 метров). В день, когда SA деактивирована, точность гражданских GPS-систем улучшилась в десять раз, что привело к всемирной революции в гражданских и коммерческих приложениях.