navstar-gps.ru/index.html

Что такое GPS, и как он работает


GPS (сокращение от Global Positioning System – Система Глобального Позиционирования) – спутниковая навигационная система, обеспечивающая возможность получения точных координат и времени практически в любой точке земного шара. GPS – это сокращенное «гражданское» название, полное название – GPS NAVSTAR (от Navigation System with Timing and Ranging – навигационная система, основанная на измерении времени и дальности). Система эта работает под управлением Министерства обороны США, и ее главным назначением является быстрое и точное позиционирование армейских подразделений. Система NAVSTAR имеет 24 рабочих спутника с орбитальным периодом в 12 часов на высоте примерно 20 200 км от поверхности Земли.

Точные координаты точки на поверхности Земли можно вычислить, зная расстояния от нее (точки) до трех спутников, если известно их положение в пространстве. Опишем вокруг каждого из них сферу с радиусом, равным этому расстоянию. Пересечение двух сфер образует окружность, причем наше местоположение будет расположено где-то на ней (см. рис.). Три сферы одновременно пересекутся в двух точках этой окружности. А так как одна из этих точек не попадает на поверхность Земли, то трех спутников вроде бы достаточно для определения, но приходится все-таки использовать четыре спутника.

Все спутники обращаются по строго фиксированным орбитам, параметры которых известны. Станции слежения непрерывно отслеживают малейшие отклонения и передают данные в центр управления. Это дает возможность в любой момент времени вычислить положение любого спутника относительно Земли с очень высокой точностью. Осталось только измерить расстояние от GPS приемника до спутника.

Для этого на спутнике и в приемнике одновременно генерируется одинаковый код. Приемник сравнивает входящий сигнал со своим и определяет, когда он генерировал такой же код. Полученная задержка, умноженная на скорость света (~300 000 км/с), дает искомое расстояние. Так как код должен генерироваться на спутнике и в приемнике синхронно, качество вычисления напрямую зависит от точности хода часов. На спутниках установлены атомные часы, имеющие точность около одной наносекунды. Причем для надежности на борту стоят не одни часы, а четыре. Но в каждый GPS приемник такие часы не поставишь – их стоимость около ста тысяч долларов, да и в карман они не поместятся. Однако для устранения ошибок, которые возникают из-за рассогласования часов, можно использовать измерения от четвертого спутника. Если часы синхронизированы, то четыре сферы, описанные вокруг спутников, будут пересекаться в одной точке. Если же часы в приемнике спешат или отстают, то рассчитанные сферы будут пересекаться не в одной точке. Тогда компьютер в приемнике начинает вычитать (или добавлять) время, чтобы свести все измерения к одной точке. Так вычисляется и устраняется ошибка часов.