GPS

NAVSTAR GPS (англ. NAVigation Satellites providing Time And Range; Globaj Positioning System - обеспечивающие измерение времени и расстояния навигационные спутники; глобальная система позиционирования) — спутниковая система навигации, часто именуемая GPS.


Сравнение геостационарных, GPS, ГЛОНАСС, Galileo, компаса (MEO), Международной космической станции и др.



Как это происходило и происходит с множеством высоких технологий, сначала GPS разрабатывалась как сугубо военная система, и на деньги выделенные из государственного бюджета США на нужды Министерства обороны. Военные нуждались, с одной стороны, в средствах наведения высокоточного оружия дальнего радиуса действия, и, с другой стороны, в универсальной системе навигации, доступной для массового применения в армии. Вполне очевидным решением было объединение этих двух задач в одну — создание системы точного позиционирования. Начиная с 1960-х годов Минобороны США начало развивать идею создания глобальной, всепогодной, непрерывно доступной, очень точной системы навигации и позиционирования.

Когда основные требования были определены, ВМС и ВВС США приступили к разработке концепции использования в целях навигации и позиционирования радиосигналов, излучаемых со спутников. Безусловно, толчком к такому пути развития послужил запуск Советским Союзом первого искусственного спутника в 1957 г.

ВМС финансировали две программы, ставшие предшественниками GPS: Transit и Timation. Система Transit стала первой действующей спутниковой навигационной системой. Она состояла из 7 низкоорбитальных спутников с высокостабильными радиосигналами. Несколько наземных станций контролировали и корректировали параметры орбиты. Пользователи системы определяли свои координаты, измеряя доплеровский сдвиг частоты от каждого спутника.

Второй предшественник GPS, Timation, включал в себя два спутника, передающих прецизионные сигналы точного времени. Идея состояла в использовании синхронизированных передатчиков, излучающих закодированный сигнал. Так был заложен и экспериментально опробован базовый принцип работы GPS.

Тем временем ВВС США работали над аналогичной программой «Система 621В». Она предоставляла возможность трехмерной (широта, долгота и высота) навигации с непрерывным доступом. В 1972 году была продемонстрирована работа системы, использующей новый метод разделения сигналов спутников — кодовое разделение на основе псевдослучайного, шумоподобного сигнала. В этом варианте все спутники излучают на одной несущей частоте, которая модулируется сверхдлинным псевдослучайным кодом (ПСК), индивидуальным для каждого спутника.

Для объединения усилий этих и других исследовательских групп, разрабатывающих различные навигационные системы, в 1968 году Минобороны США основало трехсторонний объединенный комитет, названный NAVSEG (Navigation Satellite Executive Group). Система, построенная по сформулированной комитетом концепции, теперь известна, как система глобального позиционирования NAVSTAR.

NAVSTAR_GPS_logo.png

Самые первые спутники NAVSTAR GPS на самом деле были двумя переделанными спутниками системы Timation. Несколько позже, в 1978 — 1985 годах были запущены и протестированы спутники GPS, известные как «Блок1». 

После гибели самолёта компании Korean Airline в 1983 году, сбитого над территорией СССР, принято решение о предоставлении сигнала гражданским службам.

Запуск в марте 1994 г. 24-го спутника второго блока завершил формирование созвездия GPS. 

Начиная с 1996 г. на орбиту начали выводить спутники нового типа - «Блок 2R», которые, в случае невозможности контакта с наземной станцией управления, могут автономно функционировать без существенной потери точности 180 дней.

В июне 2004 года состоялось подписание совместного заявления по обеспечению взаимодополняемости и совместимости Galileo и GPS. А в декабре 2006 года состоялись Российско-американские переговоры по сотрудничеству в области обеспечения взаимодополняемости космических навигационных систем ГЛОНАСС и GPS.

В декабре 2018 года компанией Space X был произведен первый запуск в космос навигационного спутника GPS третьего поколения. Отмечалось, что аппарат разработан для "передачи информации о расположении, навигации и времени" в три раза точнее и при обеспечении "в восемь раз более высокой помехоустойчивости" по сравнению с прошлыми моделями и предназначался для нужд Военно-морских сил США.

     
     GPS Block IIIA      Navstar-2F     GPS-IIR


Обобщенная структура GPS, как и у системы ГЛОНАСС, состоит из трех сегментов: космического (спутники), пользовательского (приемники) и сегмента управления.

Космический сегмент американской GPS образуется орбитальной группировкой, номинально состоящей из 24 основных и 3-6 резервных КА с орбитальным периодом в 12 часов. Спутники размещаются на 6, равномерно разнесенных по долготе через 60 градусов, круговых орбитах высотой около 20000 км и наклонением 55 град. Указанная высота необходима для обеспечения стабильности орбитального движения спутников и уменьшения фактора влияния сопротивления атмосферы.




Общим недостатком использования любой радионавигационной системы является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до приёмника, или приходить со значительными искажениями или задержками. Так как рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень сигнала от спутников может серьёзно снизиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Нормальному приёму сигналов GPS могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников, а также (в редких случаях) от магнитных бурь либо преднамеренно создаваемые «глушилками» (данный способ борьбы со спутниковыми автосигнализациями часто используется автоугонщиками). 

Невысокое наклонение орбит GPS (примерно 55°) серьёзно ухудшает точность в приполярных районах Земли, так как спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом, в результате на луче зрения находится бо́льшая воздушная масса, а также возможные объекты вблизи горизонта (здания, горы и т.п.). Погрешности в определении псевдодальности, вносимые ионосферой и тропосферой, для спутника в зените составляют 1 м и 2,3 м соответственно, тогда как для надгоризонтного спутника эти величины могут достигать 100 м и 10 м, соответственно.

GPS реализована и эксплуатируется министерством обороны США, и поэтому есть полная зависимость от этого органа в получении другими пользователями точного сигнала GPS.

Сейчас на околоземной орбите находятся 24 спутника, которые передают сигналы привязки. Число спутников периодически меняется, но всегда остается достаточным, чтобы поддерживать бесперебойную работу Global Positioning System. На случай форс-мажора предусмотрены запасные спутники, и каждое десятилетие на орбиту выходят новые, модернизированные космические аппараты, потому что ничто не должно нарушить режим работы GPS.


Спутники вращаются по шести орбитам, образуя взаимосвязанную сеть. Ею управляют специальные станции GPS, которые расположены в тропиках, но связаны с координационным центром в Соединенных Штатах. Благодаря этой сети вы можете узнать точные координаты человека, машины или самолета со скоростью прохождения сигнала от спутников, то есть практически мгновенно, а точность показаний не зависит от погодных условий и времени суток. При этом само по себе использование Global Positioning System – бесплатное, и единственное, что нужно, чтобы пользоваться этой навигационной системой, – навигатор или другое устройство, поддерживающее функцию GPS.