Глобалната система за позициониране GPS – какво е и как работи

Глобалната позиционираща система

Глобалната система за позициониране GPS идва от английското Global Positioning System. Това е сложна система от космически спътници с предаватели и наземни приемници. Целта е да се определя в реално време местоположение, изминат път, скорост и траектория на движение на обекти по цялата Земя. В спътниците има излъчватели на сигнали.

Първоначално глобалната система за позициониране е замислена като военен проект в САЩ и е използвана само в тези рамки. На 22 февруари 1978 година е изстрелян първият спътник от системата, а в следващите две години в орбита вече има цели 6. Стартът на реалното функциониране, макар и частично, е на 6 януари 1980 год. До края на 1993 спътниците са вече 24 и покриват напълно земното кълбо. През януари 1994 системата започва пълноценна работа.

Въпреки първоначалния план в момента глобалната система за позициониране GPS е безплатна и достъпна по цял свят както за военни, така за цивилни нужди. Причината за това е нелеп инцидент от 1983 година, когато навигационна грешка вкарва южнокорейски граждански самолет в границите на СССР и бива свален от съветски изтребител. Загиват 269 души. Президентът на САЩ осъзнава, че това е можело да бъде избегнато с употребата на GPS, и за пръв път позволява използването на глобалната система за позициониране ѝза граждански цели.

В момента космическата мрежа на  глобалната система за позициониране се състои от 24 работещи спътника плюс няколко допълнителни за употреба при евентуални аварии. Всички те обикалят Земята на височина 19 300 км и правят дневно по 2 пълни оборота около нея. Орбитите им са различни и са изчислени така, че във всеки един момент от всяка точка на Земята могат да се приемат сигнали от поне 4 спътника. За да могат да се използват, е нужен приемник, който да открие и обработи сигналите и чрез тях да уточни местоположението си.

Как работи глобалната система за позициониране

Излъчвателите в сателитите на глобалната система за позициониране предават редовни сигнали за собственото си разположение и точния час. Сигналите се движат със скоростта на светлината и достигат до повърхността на Земята. До всяка една точка достигат едновременно поне три сигнала от три различни спътника.

Работата на GPS приемникът е да улавя тези сигнали и да изчислява колко време е било нужно, за да достигнат съобщенията до него. На базата на тези изчисления той може да определи точното си местоположение. Това се основава на един математически принцип, наречен трилатерация в триизмерно пространство.

Какво е трилатерация

Казахме, че за да изчисли местоположението си, приемникът в  глобалната система за позициониране трябва да приеме поне 3 различни съобщения от 3 предавателя. Ето как се случва това.

Всеки един сателит излъчва сигнали, които, условно казано, достигат до Земята под формата на кръг. В кръга има сигнал, извън него – не. Ако приемате сигнал от един сателит, това означава, че се намирате някъде в неговия „кръг”. Кръгът на втория сателит покрива частично кръга на първия, тоест сигнала от втория сателит ограничава мястото, в което можете да се намирате. Третият сигнал покрива малко площ от първия и малко от втория, но има само една точка, в която трите кръга се пресичат. Точно това е точката, в която се намира приемникът. Всъщност колкото повече сателити има в хоризонта на устройството, толкова по-точно то ще изчисли местоположението си.

Но това описание беше само за илюстрация. На практика излъчването няма формата на кръг, а е сферично (опростихме го, за да опростим обяснението). Това означава, че трите сфери ще имат не една, а две пресечни точки. Но само една от тях може да се намира на повърхността на Земята. Тоест планетата „работи” като четвърта „сфера” в изчисленията и помага допълнително на приемника да уточни местоположението си.

GPS и време

За да изчисли правилно сферите, в които се намира, приемникът в глобалната система за позициониране трябва да изчисли точното разстояние до сателитите. За това е необходимо да отчита времето, за което сигналите от тях са стигнали до него. Това обаче съвсем не е проста задача. Ето как се случва.

В идеалния случай в даден момент всеки спътник започва да излъчва дълъг сигнал. В абсолютно същия момент приемникът трябва да започне да изпълнява същия сигнал. Малко по-късно сигналът от спътника достига до приемника и той може да отчете колко е забавянето. Умножава времето на забавяне по скоростта на светлината, с която пътува сигнала, и така изчислява разстоянието от себе си до сателита.

Но за да се случи това, и в двата уреда трябва да има изключително точни часовници, които да се синхронизират до наносекунда. За тази цел в сателитите има атомни часовници, които са изключително прецизни. Те обаче струват от 50 000 до 100 000 долара за бройка, тоест са прекалено скъпи за ежедневна употреба. Затова в приемниците има обикновени кварцови часовници, които не могат да се синхронизират толкова добре.

За да се избегне проблемът, кварцовите часовници постоянно се нулират. По този начин в изчисленията се използва абсолютно синхронизираното между сателитите време – това на атомните часовници в сателитите. Тъй като спътниците се движат по предсказуеми орбити, във всеки приемник има алманах, който указва къде се намира всеки един сателит във всяка една секунда. Когато събере заедно всички данни и от сигналите, и от алманаха, приемникът на глобалната система за позициониране успява да изчисли каква корекция трябва да внесе в собствения си часовник, за да прецени точните си координати. Когато открие това „правилно” време, той нулира часовника си. Това се случва постоянно, тоест кварцовият часовник се оказва почти толкова точен, колкото и атомните в небето.

И още няколко препятствия пред  глобалната система за позициониране

Всички обяснения до тук звучат наистина логични, но има още няколко проблема, които GPS приемниците се налага да разрешат. Първо, поради навлизането си в атмосферата, сигналите от сателитите забавят скоростта си до известна степен. Закъснението може да варира и в зависимост от това къде точно се намирате. Може например сигналът да се отрази в големи обекти (небостъргачи или върхове), преди да достигне до приемника, и това да го забави допълнително. На всичкото отгоре, сателитите понякога просто подават грешна информация за своето местоположение към алманаха. За да се изчистят и тези грешки и да се постиге максимална точност на измерването, са създадени допълнителни системи за корекция. Това са например стационарни станции с известни точни координати. Техните сигнали биват улавяни от определен тип GPS приемници (наречени диференциални или DGPS) и това им позволява да бъдат още по-точни.

Компютърни неща

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *