Чтобы преодолеть расстояние в 20 тыс. км, сигналу требуется время. Если пользователь сможет с помощью своего приемника, в который заложен код, определить время его отправления, то несложно будет зафиксировать время его прохождения и, умножив полученные данные на скорость распространения, рассчитать расстояние до спутника.
Если в GPS-приемник установить часы, то, получив удаление от трех спутников, пользователь сможет определить широту, долготу и высоту своего местонахождения. Сигнал, идущий от спутников, напоминает три сферы, пересекающиеся в различное время в разных точках. Для пользователя, находящегося на Земле, существует только один момент их соприкосновения в данный промежуток времени. Для более слаженной синхронизации сигнала на спутниках установлены атомные часы, обеспечивающие точность хода до одной миллиардной. В большинстве GPS-приемников они могут отставать на одну или более секунд в день. Можно подсчитать, что ошибка всего в одну секунду изменит расстояние от спутника до пользователя на 300 тыс. км. Инженеры называют процесс измерения расстояния между спутником и пользователем псевдоизмерением. Дело в том, что погрешность присутствует и в сигналах от четырех спутников, в результате чего мы получаем четыре уравнения с четырьмя неизвестными.
Современные GPS-приемники способны учитывать доплеровский эффект в случае, если измерения проводятся в движении. При перемещении приемника в сторону распространения волны ее длина становится больше, а при встречном ходе — меньше. Каждый спутник напоминает скоростной поезд. Если он движется на вас, то его гудок по мере приближения становится громче, а если удаляется, то сигнал теряет мощность. Учитывая данный эффект, можно получить скорость движения GPS-приемника. Такой метод измерения скорости очень точен.
Таким образом, GPS-приемники определяют три координаты и три вектора скорости, а также производят синхронизацию времени через сеть. При этом сами приемники не передают сигналов в эфир. В скором времени GPS будут оборудованы сотовые телефоны, что приведет к подорожанию последних всего на $5.
Спутники GPS-системы передают сигнал, обладающий классической синусоидальной формой, на обычной радиочастоте. Сейчас на микроволновой частоте передаются два сигнала — L-1, L-2. Канал L-1 доступен для всех. Считается, что он предназначен для гражданских пользователей, хотя и военные про него не забывают. Канал L-2 предназначен для военнослужащих. Гражданские пользователи принимают на свои GPS-приемники этот канал, но в силу того, что они не имеют доступа к PRN-коду, возникает ошибка в позиционировании. Только дорогие приемники позволяют гражданским пользователям работать в диапазоне L-2. Поэтому большинство из них принимает сигнал L-1, позволяющий точно определять координаты от 5 до 10 м.
Сложности при приеме сигнала вызваны главным образом тем, что радиоволны на своем пути преодолевают ионосферу Земли, которая представляет собой плазменное облако, образованное Солнечным ветром. Ее границы простираются от 70 до 1300 км над поверхностью Земли, и при прохождении через ионосферу радиосигналы ослабляются и искажаются. В ночное время, когда ионосфера находится в состоянии покоя, задержка передачи сигнала составляет 1 м, а днем, когда активность плазмы высока, — более 10 м.
Для того чтобы минимизировать влияние ионосферы, используют дифференцированный D-GPS. В такой схеме используются два приемника: один мобильный, а второй находится в точке с известными координатами. Данные, поступающие с этих GPS, сравниваются и обрабатываются, после чего происходит корректировка показаний мобильного приемника. Чем ближе они находятся, тем точнее определяются координаты.
Начиная с 2005 г. спутники будут передавать дополнительные сигналы, которые помогут исключить помехи от ионосферы. По два сигнала добавятся к военным L-1 и L-2 и один — к гражданскому L-1, а существующие ныне сигналы не претерпят каких-либо изменений. Следующий этап совершенствования системы начнется в 2008 г. Спутники будут передавать еще один гражданский сигнал L-5, который будет в 5 раз более мощным, чем сейчас. Сдвоенный сигнал позволит минимизировать влияние ионосферы. GPS-приемники будущего смогут сравнивать искажения двух сигналов, внося необходимые коррективы в расчеты.
Операторы, использующие D-GPS-приемники, также окажутся в выигрыше. Напомним, что точность работы D-GPS-системы снижается по мере того, как увеличивается расстояние между фиксированным приемником и мобильным GPS. Это связано с тем что на приемники попадают сигналы от спутников, прошедшие через разные слои ионосферы. При работе с двумя сигналами мобильный GPS способен оценить влияние ионосферы, а данные от фиксированного приемника помогут свести к минимуму остальные погрешности, которые могут составлять от 30 до 50 см.
Чтобы получить точность позиционирования в пределах сантиметров или даже миллиметров, пользователи могут воспользоваться D-GPS-приемниками. Их современные модели, имея связь со стационарной станцией по радиоканалу, передают сведения о своем местонахождении и получают откорректированные данные. Длина волны, на которой ведется передача сигнала со спутника, составляет 19 см. Приемник может измерить время получения сигнала с точностью до 1%. В абсолютном выражении эта величина составит несколько миллиметров.
Для проведения более точных измерений приемник должен идентифицировать волну сигнала со спутника. Современные GPS сопоставляют сигналы от спутников по каналам L-1 и L-2. В системе GPS длины волн отличаются на 85 см, что позволяет проводить измерения с точностью до 8 мм. Надежность такой системы измерения в сотни раз больше, чем у систем, работающих с PRN-кодами. Их предел — 50 см. D-GPS приемники, работающие с одним каналом L-1, обеспечивают точность измерения до 19 см. Дорогие модели GPS имеют возможность повысить точность измерения посредством сопоставления частот сигналов, поступающих по каналам L-1 и L-2. С началом передачи дополнительных сигналов со спутников существенно возрастет точность и надежность работы GPS-приемников. Гражданские пользователи получат доступ к открытой части канала L-2 и новому каналу L-5. В будущем GPS смогут производить сравнение трех пар каналов (L-1 с L-2, L-2 с L-5, L-2 с L-5L).
Какие еще возможности откроются перед пользователями GPS? Федеральное управление гражданской авиации США разрабатывает новые правила полетов с использованием системы GPS. Многие самолеты уже оснащены подобными приемниками, но возможности их использования ограниченны. Новое оборудование позволит производить посадку при нулевой видимости. Однако для этого потребуется, что бы, во-первых, в любой ситуации пилот учитывал, что показания приборов не всегда соответствуют реальному местонахождению самолета, и в экстренных случаях вносил поправки в режим полета. (При посадке отклонение от заданной траектории не должно превышать 10 м.) Во-вторых, авиационные системы должны иметь очень высокую степень надежности.
Представители Федерального управления гражданской авиации США предложили две системы, основанные на базе D-GPS-технологии. В наземную часть комплекса входят приемно-передающие антенны, связанные с центром управления. В 2003 г. появилась сеть наземных станций WAAS, которая позволяет в режиме реального времени корректировать координаты всех пользователей GPS. (Над подобными системами работают инженеры Европы, Китая, Японии, Индии, Австралии и Бразилии.) В случае ошибки WAAS в течение 7 секунд вносит коррекцию в D-GPS-пользователя. Благодаря этому при заходе на посадку пилот может вести самолет до высоты 100 м. В зоне аэропорта экипаж переходит на режим пилотирования с использованием наземного навигационного оборудования.
Со временем навигационные комплексы LAAS, работающие в коротковолновом диапазоне, смогут обеспечить приземление при нулевой видимости с использованием канала L-5. Военно-морские силы США разрабатывают для авианосцев систему точного наведения и посадки самолета JPALS, в основе которой лежит принцип D-GPS-системы, работающей с каналами L-1 и L-2. При заходе на посадку и приземлении летчик морской авиации должен контролировать расстояние до палубы авианосца с точностью до 1 м, чтобы специальный крюк на корпусе самолета смог зацепить тормозной канат. Испытания системы JPALS начнутся в 2006 г.
Ученые и инженеры уже трудятся над созданием GPS-системы третьего поколения. Запуск новых спутников произойдет не ранее 2012 г. За счет использования спутниковой связи и установки на них более мощных вычислительных комплексов существенно расширятся u1074 возможности системы.
Глава 2. Cистема позиционирования
Очевидно, что любому человеку, сознательно или интуитивно, хочется знать, где он находится. В житейских случаях он задает свое местоположение относительно знакомых ему ориентиров. Например: «Я нахожусь по такому-то адресу». Или: «Я лечу где-то посередине между Жмеринкой и Парижем». Самой же универсальной формой задания местоположения, той, которой пользуются навигаторы и геодезисты, является использование какой-либо системы координат. Поэтому, прежде чем говорить о позиционировании, необходимо сказать о том, что такое координаты пункта в нашем понимании.
Рассмотрим геоцентрические системы координат. Их начало совпадает с центром (или, точнее говоря, с центром масс) Земли. Глобальная система позиционирования использует прямоугольную (декартову) систему X, Y, Z и эллипсоидальную систему B, L, H. Поясним, о каком эллипсоиде идет речь. Общеземной эллипсоид является самой простой в математическом смысле моделью Земли. Эллипсоид подбирают так, чтобы его поверхность как можно ближе подходила к поверхности геоида. Геоид можно представить себе как поверхность, совпадающую с невозмущенной поверхностью мирового океана и мысленно продолженную под материками. В строгом определении геоид — это уровневая поверхность, содержащая точку, принятую за начало отсчета высот. В России таковой является нуль-пункт кронштадтского футштока. Опорными плоскостями в рассматриваемых системах координат являются плоскость экватора и плоскость начального (гринвичского) меридиана. От экватора отсчитывают геодезические широты B. От Гринвича отсчитывают геодезические долготы L. Геодезические высоты H отсчитывают от поверхности эллипсоида по нормали. К этому же эллипсоиду относится и прямоугольная система координат. С осью суточного вращения Земли совпадает малая ось эллипсоида и ось Z, проходящая через северный полюс. Ось X является линией пересечения плоскости экватора и плоскости гринвичского меридиана. Ось Y также лежит в плоскости экватора. Системы спутниковой радионавигации не исключение. Рассмотрим несколько основополагающих идей.