Четвъртък, 28 март 2024 г

работен плот v4.2.1

Root NationстатииТехнологииКакво е GPS: Видове системи за позициониране, как работи и какво крие бъдещето

Какво е GPS: Видове системи за позициониране, как работи и какво крие бъдещето

-

Какво е GPS? Защо ни трябва? Каква е разликата между различните навигационни системи? Ще говорим за всичко в тази статия.

В момента GPS ни изглежда като ежедневие, познато нещо, за което всеки е чувал и повечето от тях използват в ежедневието си. Това е един от инструментите, които използваме в нашите устройства. В същото време дори не се замисляме как работи, откъде идва, колко време, усилия и пари трябваше да бъдат инвестирани в създаването на тази система. Днес приемниците на GPS сигнали имат не само навигатори, телефони, смартфони, таблети, автомобили, но дори и фитнес гривни и "умни" часовници, техните данни се използват в индустрията, любителски и професионален спорт, ралита и състезания и разбира се във военната индустрия. Нека разгледаме по-отблизо различните навигационни системи.

Какво е сателитна навигация?

Сателитната навигация или глобалната навигационна сателитна система е система от сателити, която предава данни за глобално позициониране и точно време. За предаване на информация се използват радиовълни с определени честоти. След като получи такива данни, приемникът ги изчислява и показва координатите на нашето местоположение, тоест дължина, ширина и надморска височина.
В допълнение към основните системи (GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo) има и спомагателни системи в космоса. Това са така наречените системи за сателитна корекция (SBAS), като Global Omnistar и StarFire, използвани в селското стопанство.

GPS система. Видове, история, описание на действие и бъдеще
Над нас са и регионални системи за поддръжка като WAAS в САЩ, EGNOS в ЕС, MSAC в Япония и GAGAN в Индия, които се грижат за прецизиране на данните в по-малки райони на земното кълбо. Всичко това се поддържа от наземни компоненти, за които ще говорим по-късно. В системата има много определения, но няма да навлизаме в подробности.

Прочетете също: Най-важните и интересни космически мисии през 2021 г

Видове сателитна навигация

GPS не е единствената налична в момента сателитна навигационна система. Няколко вида сателити летят над главите ни, отговарящи за геопозиционирането на устройства, които държим в джобовете си, носим на китките си или използваме в навигатори. Защо има няколко системи, а не една? Сигурен съм, че този въпрос е зададен от повечето обикновени потребители. Факт е, че първоначално GPS системата е създадена за военни нужди и военните все още имат контрол над нея. Това означава, че те контролират позиционирането на всички и навсякъде по света. Разбира се, мнозина не харесаха тази позиция, не само опоненти, но дори и приятели. Затова сериозни световни играчи решиха да развият своите навигационни системи, за да може армията им да ги контролира. Скоро в света се появиха GPS аналози, които се състезаваха помежду си за титлата на най-добрите и точни на пазара. За нас, обикновените потребители, това е само предимство. Така че, нека се опитаме да се справим с всяка система поотделно.

Американски GPS

Това е първата навигационна система, която използваме най-често. Когато мислим за сателитна навигация, обикновено използваме термина GPS. Американската система първоначално се е наричала NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System или накратко NAVSTAR-GPS.

GPS е в ръцете на американската армия или по-скоро на американските космически сили. Всички устройства се проверяват за правилна работа от Space Delta 8, която е базирана във военновъздушната база Шрайвър близо до Колорадо Спрингс и работи като част от централата на GPS.

Гражданските приложения са само незначително допълнение към военните приложения, за които оформлението и най-високата точност на позициониране са приоритет. Гражданските потребители получават донякъде съкратена версия, но все още е достатъчно добра. Не се нуждаем от точност от няколко десетки сантиметра, за да караме кола или да бягаме, но е необходима все по-голяма точност, например в навигацията, в картографията, в селското стопанство за наблюдение на полета, в транспортните компании за проследяване на превозни средства и в много други области. Ето защо не е изненадващо, че GPS системата непрекъснато се променя, извършва се оптимизация на сателитите.

GPS система. Видове, история, описание на действие и бъдещеПо време на използването си системата е претърпяла промени и все още се модернизира, от време на време в мрежата се въвеждат сателити с по-големи възможности, а старите, които са били използвани по-рано, се унищожават с течение на времето. Повечето от тях изгарят в атмосферата, а понякога отломките потъват в Тихия океан.

- Реклама -

Пълната готовност на GPS системата е постигната през 1993 г., когато са изведени в орбита необходимия брой спътници. Но още през 1983 г. администрацията на Роналд Рейгън одобри разрешение за гражданско използване на системата. Това се случи, след като СССР свали корейски цивилен самолет, който по погрешка наруши съветското въздушно пространство. Първоначално обаче точността на системата за цивилното население беше ограничена до 100 метра. Но дори това беше достатъчно по това време, за да се избегнат по-нататъшни бедствия.

Работата на GPS системата от космоса се поддържа допълнително от сателити WAAS (Wide Area Augmentation System), което осигурява необходимата корекция на данните за повишаване на точността на системата. Те се намират в Северна Америка (и отчасти в Южна Америка) и са под опеката на FAA (Федералната авиационна администрация). WAAS е предназначен да поддържа граждански приложения за сателитна навигация.

руски ГЛОНАСС

GLONASS е съкращение за глобалната навигационна сателитна система, която работи подобно на американската GPS. ГЛОНАСС се състои от 24 активни сателита, разположени на приблизително 19 100 километра над земята, а орбитата на сателита отнема 11 часа и 15 минути. Тестването на системата започва през 1982 г., тоест обратно в СССР. Той наистина е създаден като отговор на американските разработки, по-известни у нас като "Междузвездни войни". Съветският съюз не искаше да отстъпва по нищо на САЩ, но "перестройката, гласността, ускорението" си свършиха работата. Работите бяха прекъснати най-вече поради липса на средства. Въпреки че, както се оказа по-късно, не всичко беше затворено. Наистина беше изненада за американците, когато през 1993 г. беше официално обявено, че системата ГЛОНАСС е готова за работа. През 1995 г. руснаците успяха да изведат в орбита цяло съзвездие от 24 сателита.

GPS система. Видове, история, описание на действие и бъдещеНо всичко не беше толкова добре от самото начало. Ерата на Елцин от 2002-те също се отрази на космическите програми. Нямаше финансиране, никой не се интересуваше от космоса и сателитната навигация. В резултат на това през 7 г. само 2002 сателита все още функционират. Руснаците обаче се заеха с работата и като част от възстановителната програма за 2011-XNUMX г. пуснаха в експлоатация подобрените спътници ГЛОНАСС-К, както и съпътстващите ги съвременни системи за наземно управление.

GPS система. Видове, история, описание на действие и бъдещеНа следващия етап от модернизацията, през 2012-2020 г., основното внимание беше отделено на подобряването на свойствата на PNT (позициониране, навигация и синхронизация) с цел повишаване на сигурността на държавата и възможностите на нейните отбранителни и граждански системи. В момента се работи върху следващото поколение сателити, известни като GLONASS-K2.

Китайски BeiDou

Китай започна да разработва сателитна навигационна система в края на 2000 век. През 1 г. те успяха да затворят първия етап от развитието на BDS-1, който е по-известен като навигационна сателитна система BeiDou-2. Като част от този проект Китай и най-близките чужди страни бяха снабдени със системи за позициониране. Следващата стъпка беше BDS-2020 със сателитна мрежа, осигуряваща покритие в Азиатско-тихоокеанския регион. През 3 г., като част от проекта БДС-XNUMX, системата BeiDou заработи в цял свят.

GPS система. Видове, история, описание на действие и бъдещеВ момента има 35 сателита в орбита и общо програмата вече е извършила 59 изстрелвания с полезни товари, които извеждат следващите поколения на системата BeiDou в орбита. Според китайските власти в създаването на програмата BDS-400 са участвали повече от 300 агенции и 000 3 учени и техници. За да се поддържа най-новата констелация от сателити, са създадени повече от 40 наземни станции за наблюдение на правилната работа на системата. Глобалната достъпност на системата се оценява на 99%, а за ключовия Азиатско-тихоокеански регион е дори по-висока, тоест там работи почти перфектно. Също така китайците положиха много усилия за подобряване на точността на системата.

GPS система. Видове, история, описание на действие и бъдещеBeiDou също позволява кратки текстови съобщения до 14 000 бита (1000 китайски символа). Тази стойност може също да включва снимки или звукозаписи.

Както при други разработки в сателитните навигационни системи, местните потребители плащат за услугата, но резултатите са наистина впечатляващи.

Прочетете също: Китай също има желание да изследва космоса. Е, как се справят?

Европейски Галилей

Кое е най-голямото предимство на системата Галилео? За разлика от GPS и GLONASS, той остава в цивилни ръце и не принадлежи на никое конкретно правителство, както е в комунистически Китай. Системата е изградена само с оглед на гражданския пазар и следователно нуждите на населението в крайна сметка влияят върху нейното развитие. Трябва да се признае, че Galileo е глътка свеж въздух сред милитаризираните системи за позициониране. Досега програмата Галилео е извършила 28 изстрелвания и е извела 30 спътника в орбита. В момента системата използва пълна констелация от сателити, но не всички устройства са винаги налични, а някои от тях все още чакат своя ред в складовете.

Сегментът за наземно обслужване е разположен в два центъра - Oberpfaffenhofen в Германия и Fucino в Италия. Освен това системата включва световна мрежа от сензори за наблюдение, измервателни станции и станции за предаване на данни.

GPS система. Видове, история, описание на действие и бъдещеПоради факта, че орбитите на всички тези системи стават все по-наситени, спътниците на Галилео са разположени малко по-високо, на височина от 23 222 километра (най-ниската е GLONASS, след това GPS, китайският BeiDou и на върха на пирамидата на Галилео ). Отнема приблизително 14 часа за всеки сателит да обиколи напълно земята. За повечето места на земята 6 до 8 спътника на Галилео са налични по всяко време, което означава много висока точност, която в повечето ситуации се измерва в сантиметри, а не в метри.

GPS система. Видове, история, описание на действие и бъдещеGalileo е съвместим с GPS системата, която допълнително подобрява точността на измерванията, а работата му се поддържа и от системата EGNOS (Европейска геостационарна навигационна служба), състояща се от наземни компоненти и сателити, отговорни за подобряване на работата и точността на сателитните навигационни системи .

японски MICHIBIKI (Michibiki)

За да гарантира точността на навигацията на собствената си територия, Япония създаде малка група от спътници, наречена Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) или Michibiki. В планински или силно урбанизирани райони само GPS често е недостатъчен поради твърде много препятствия. 4 сателита в експлоатация от ноември 2018 г. премахват този проблем. Три от тях все още са в региона на Азия и Океания. През 2024 г. се планира да се достигне спътниково съзвездие, състоящо се от 7 единици. Това допълнително ще подобри цялостната ефективност на системата и ще я направи независима от GPS. Така Япония ще си осигури пълна автономия на своя територия.

- Реклама -

GPS система. Видове, история, описание на действие и бъдещеВъпреки малкия си размер в сравнение с други системи, QZSS отговаря на всички очаквания на японското население и допълнително поддържа корабоплаването във всички онези страни, разположени на меридианите, минаващи през територията на Япония.

В допълнение, Япония разполага и с GPS/Michibiki система за прецизна поддръжка, наречена MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS). Състои се от 2 сателита, които освен всичко друго предоставят данни за времето.

Индийски NavIC

NavIC (NANavigation with Indian Constellation) е индийският аналог на GPS, който също се нарича Индийска регионална навигационна сателитна система (IRNSS). Системата, след като достигне всичките си възможности, ще бъде подобна по действие на японската. В момента в орбита има 7 сателита, които осигуряват позициониране в Индия и на разстояние до 1500 километра от границите на страната. Системата не зависи от GPS.

GPS система. Видове, история, описание на действие и бъдещеNavIC се поддържа от GAGAN (геосинхронна разширена навигационна система с GPS), която се състои от три допълнителни сателита и наземна инфраструктура. С въвеждането в експлоатация разликата между системите EGNOS и MSAS беше преодоляна, което допълнително повиши нивото на безопасност на гражданското въздухоплаване.

Глобални системи за помощ

Докато описваме отделните системи, споменахме и регионалните системи за поддръжка. Работата на сателитната навигация отвъд регионалните граници обаче може също да поддържа глобални системи за подпомагане. В момента могат да се разграничат две от тях. Това са Omnistar и StarFire. И двата имат поддръжка за сателитна навигация, която се използва най-вече за нуждите на съвременното прецизно земеделие. Използването им изисква специални приемници, благодарение на които фермерът, движейки се през полетата си, може да работи с точност до 5-10 сантиметра (системите за поддръжка на запис дават точност от 1-2 сантиметра). Такова точно позициониране се предоставя като услуга и изисква допълнителни такси, платени директно за доставка на системни данни.

GPS система. Видове, история, описание на действие и бъдещеУслугата се базира на диференциалната система за глобално позициониране (DGPS) и се свежда до използването на базов приемник, който се намира на определено място. Приемникът на автомобила, освен сателитния сигнал, приема и корекции от стационарния базов приемник.

Omnistar е независима компания и нейните предаватели могат да бъдат закупени за различни машини, докато системата StarFire е от производителя на селскостопанско оборудване John Deere, който предлага вградени или външни системи, които са с точност до ±3 cm и работят с GPS и GLONASS.

Как работи GPS?

В този раздел ще опишем работата на GPS с помощта на оригинала, тоест американската версия, тъй като в момента имаме най-много налични данни за него. Други работят по подобен начин.

Съзвездие от GPS сателити

Необходима е доста гъста мрежа от сателити за правилна работа по света. В случай на съзвездие от 24 спътника, можем да сме сигурни, че по всяко време и във всяка точка на Земята сме в обсега на четири от тях. Американците като цяло обещаха, че поне 24 ще бъдат налични през 95% от времето. В момента системата се поддържа от 31 спътника. Земята е разделена на 6 равни зони, през които се движат спътниците, като всяка от тях има 4 полета за покриване.

GPS система. Видове, история, описание на действие и бъдещеПрез юни 2011 г. беше пусната модификация, наречена Expendable 24. Три от 24-те сателита и следователно полетата, които контролират, бяха подсилени от допълнителен сателит, за да се получи по-бързо получаване на сигнал и по-добра точност при трудни теренни условия. Има и някои промени, за да се направи цялата мрежа от 27 сателита възможно най-ефективна.

GPS система. Видове, история, описание на действие и бъдещеGPS сателитите се движат в предсказуема MEO (средна околоземна орбита) орбита на надморска височина от приблизително 20 200 km, така че винаги да знаете къде се намират. Освен това тяхната позиция се проверява с помощта на радиотелескопи. Наземната контролна мрежа се състои от главен контролен център, резервен контролен център, 11 командни и контролни антени и 16 наблюдателни станции, така че позицията на спътниците винаги е известна. Едно завъртане на всеки спътник около Земята отнема 12 часа.

Как работи всичко това на практика?

Сателит в орбита непрекъснато предава радиосигнали, които се улавят от нашето оборудване, което има съответните приемници. Всеки сателит съобщава своята позиция и време на предаване. Като знаем допълнително колко бързо се разпространяват радиовълните, можем да изчислим разстоянието от този спътник. Ако получим допълнителни данни от още три сателита и изтеглим данни от четири наведнъж, устройството ще изчисли нашето местоположение в пресечната точка на данните, идващи от всички сателити.

За да работят гладко и точно, все още се нуждаем от точни измервания на времето, когато сигналът е изпратен. Как беше постигнато това? Всеки от сателитите носи атомен часовник - най-точният хронометър, изобретян някога от човека. Каква е точността на такъв часовник? Времето се измерва до най-близката милионна от секундата!

GPS система. Видове, история, описание на действие и бъдеще

Приемащото устройство използва всички тези данни, за да изчисли ефективно нашата позиция. Но цялата система трябва също така да вземе предвид такива въпроси като специалната теория на относителността, която е написана от джентълмен, широко известен като Алберт Айнщайн. Колкото по-далеч е обектът от източника на гравитация, толкова по-бързо минава времето върху него, така че е необходимо да се преизчисли за всеки сателит. Накратко, всичко е доста сложно, но за щастие ние използваме тази система от години и открихме, че работи, и то доста добре.

GPS система. Видове, история, описание на действие и бъдеще

Разбира се, нормалната работа на системата изисква участието на висококвалифициран персонал, чиято подготовка може да се сравни с тази на центровете за управление на космическите полети.

GPS: милиарди разходи по програмата

След изстрелването в орбита сателитът няма да работи там завинаги. По-старите версии имат жизнен цикъл от 7,5 години, по-новите версии 12 години, а най-новата система GPS III/IIIF се очаква да остане в орбита 15 години (данни за американската версия на системата). След това време апаратът трябва да бъде заменен, така че трябва да се изгради нов образец в стерилни условия и едва тогава това произведение на изкуството може да излезе в орбита.

В допълнение към оборудването в космоса има и оборудване за наблюдение на земята и висококвалифициран персонал, отговорен за контрола на системата. Работата по подобряване на наземния компонент също продължава, като сега основният фокус е върху новата система за оперативен контрол (OCX) от следващо поколение и свързаните с нея подсистеми. Промените се въвеждат постепенно, за да не се наруши работата на цялата GPS система.

GPS система. Видове, история, описание на действие и бъдещеОколо 1,7 милиарда долара (2020 фискална година) се изразходват за поддръжка на цялата система. За фискалната 2021 г. разработчиците поискаха от Конгреса на САЩ 1,8 милиарда долара за разходите за поддръжка на GPS системата. Следователно при такива суми само най-големите държави могат да си позволят да поддържат автономна система, а останалите трябва да използват съществуващите. За да покажем как расте цената на програмата, можем само да кажем, че през 2012 г. тя е била 750 милиона долара (тук дори не вземаме предвид инфлацията, методологията на изчисление и нейното ниво).

Лесно ли се блокира GPS?

Златните дни на GPS системата във въоръжените сили бавно се забравят. Затихването и заглушаването на сателитните сигнали става все по-често срещано явление и в резултат на това прецизните оръжия, базирани единствено на космически данни, вече не са толкова ефективни, колкото преди. Проблемът засяга не само самите оръжия, но и самолети, кораби, сухопътни превозни средства и всяко друго устройство, което е оборудвано с GPS приемник.

Виждали сме повече от веднъж примери за блокиране на GPS сигнала в "горещи" точки на Земята. Случвало се е огромни кораби в пристанището или плаващи, например, в Черно море, внезапно да изчезват от картите и да се появяват на тях на 30 километра и това е свързано с действията на руснаците в този регион. Продължавайки тази тема, трябва да се каже, че подобни мерки често се провеждат в Сирия, за да се осигури работата на руските бази в региона. Дори Израел страда от този вид смущения, където GPS понякога работи по-зле и това е сериозен проблем, например за гражданския въздушен трафик.

GPS система. Видове, история, описание на действие и бъдеще

Смущаването на GPS сигнал не е особено трудно. Радиопредавател с подходяща мощност и честота, поставен близо до защитена цел, не позволява на GPS приемниците да получат правилните данни. Производителите на сателити се опитват да се борят с това, като разработват все по-устойчиви на смущения сигнали, които са оборудвани с най-новите версии на оборудването. Това обаче е игра на котка и мишка и предимството е на страната на разрушителите. Те могат да реагират на промените по-бързо с по-ниски разходи и по-големи възможности. В крайна сметка сателитите не се променят за една седмица.

Освен за коварни цели, методите за блокиране на GPS се използват и за защита на държавни глави. Не е изненадващо, че руснаците са особено любители на такива инструменти. Това важи особено за движенията на Путин, които те толкова се опитват да скрият, че в региона, в който се намира, всички навигационни системи може да не работят изобщо за определено време. Руснаците максимално защитават маршрута на пътуване на своя президент, така че чрез блокиране на навигационните системи се опитват поне частично да изключат атака с дрон.

Въпреки горепосочените проблеми и недостатъци, не трябва да очакваме военните да се откажат от GPS системата. Напротив, ще се засили борбата със системите за заглушаване, като към техниката и оръжията ще бъдат добавени допълнителни системи, които ще предотвратят заглушаването на GPS сигнала.

Инерционната навигация ще продължи да се подобрява, а прецизните оръжия винаги ще имат друг, също толкова ефективен метод за прицелване в резерв. В момента се работи интензивно върху такива решения. Говори се за навигация с изображения, астронавигация (връщане назад във времето?) и навигация за магнитни аномалии. Висока технология! Следователно ни очакват още много интересни неща.

Сателитна навигация за граждански цели

Но средният потребител не се интересува много от това, което има армията там. Искаме GPS да ни помогне да определим местоположението си, така че навигатор правилно очертан маршрут на туризъм в планината или сутрешно бягане или по време на пътуване с кола. Сега е трудно да си представим живота на съвременния човек без тези удобства.

По принцип можем да кажем, че дори да не използваме директно GPS, тоест да не включим сами приемника, пак можем да го използваме. Системата работи самостоятелно, станала е позната, удобна и необходима част от живота ни.

Прочетете също:

Yuri Svitlyk
Yuri Svitlyk
Син на Карпатите, непризнат гений на математиката, "адвокат"Microsoft, практичен алтруист, ляво-дясно
Още от автора
- Реклама -
Регистрирай се
Уведомете за
гост

0 Коментари
Вградени рецензии
Вижте всички коментари
Други статии
Абонирайте се за актуализации

Последни коментари

Популярни сега
0
Харесваме вашите мисли, моля, коментирайте.x