GPS: історія створення та принципи функціонування
Вступ
Вітаю, друзі.
GPS – іншомовна абревіатура, яку досить часто ми використовуємо у нашому спілкуванні, та яка означає систему визначення місцеперебування, що майже повсякденно використовується у нашому житті, принаймні у житті більшості користувачів смартфонів та навігаторів. А чи задумувались ви, щоразу вмикаючи власні пристрої, як це функціонує? Як забезпечується така точність позиціювання?
У сьогоднішній статті маю намір детально розібрати тему GPS та розповісти про історію її створення та принципи функціонування.
GPS (англ. – Global Positioning System) – система глобального позиціювання, також часто зустрічається як — супутникова система навігація, розроблена, реалізована та експлуатується Міністерством оборони США, що використовується у багатьох сферах діяльності людини, як то: авіації, судноплавстві, геодезії, будівництві, аграрному секторі, у звичайному побуті у смартфонах і звичайно ж у військових технологіях.
Історія створення
Система супутникової навігації, за історію свого існування, пройшла значний еволюційний шлях. В основі системи супутникової навігації лежить винахід американських учених, здійснений в процесі спостереження за змінами сигналу від першого штучного супутника землі при його наближенні та віддаленні відносно спостерігача. Суть відкриття полягала у тому, що якщо точно знати свої координати на Землі, то стає можливим виміряти положення та швидкість супутника, і навпаки. Цей винахід ліг в основу робіт над реалізацією системи супутникової навігації.
У 1973 році, було прийнято рішення щодо початку розробки програми «DNSS», що незабаром отримала назву NavSTaR (Navigation Satellite Time and Ranging), у грудні того ж року отримала відому всім нам зараз назву – “GPS” та яка була введена в експлуатацію у лютому 1978 року. Головним завданням системи супутникової навігації було забезпечення високоточного позиціювання різних рухомих і статичних об’єктів на місцевості.
Технічна реалізація
В основу тієї системи увійшло 24 супутники NavSTaR. Всі супутники розташовано на шести різних кругових орбітах, під кутом 60° один до одного, що дозволяє забезпечити видимість від чотирьох до дванадцяти таких супутників з будь-якої точки земної поверхні.
На кожній орбіті знаходиться по 4 супутники, висота орбіт приблизно дорівнює 20200 кілометрів над рівнем моря і таку орбіту обрано не випадково. Адже період обертання тіл на такій орбіті складає 11 годин 58 хвилин і за одну зоряну добу, яка складає 23 години 56 хвилин, супутник робить навколо нашої планети два оберти.
Сьогодні на орбіті Землі обертається 32 супутники GPS (31 робочий та 1 запасний), а миттєва точність визначення розташування для цивільних потреб, хоч і залежить від багатьох чинників та переважну більшість часу становить 2-16 м.
Принципи функціонування
Тепер давайте розберімося, як же ж визначаються координати об’єкта на земній поверхні.
Новостворена система супутникової навігації, як будь-яка інша система, що розроблена військовими, була доступна виключно військовим. Тільки у 1983 році система стала відкритою для забезпечення цивільних потреб. При цьому, аж до 1 травня 2000 року, точність визначення розташування було штучно обмежене шляхом внесення похибок до передаваних даних. Середнє значення точності в режимі обмеження точності системи (відомому як SA «Selective Availability») складало 100 м.
Супутники GPS по своїй суті є нічим іншим, ніж радіотрансляторами, котрі постійно транслюють в ефір певний пакет інформації. У нашому випадку це — альманах. Кожен альманах містить точний час та координати супутника на власній орбіті.
Це надає приймачу радіус сфер з супутниками у їх центрах та наше місце перебування на краю сфери.
У свою чергу, приймач розташований на поверхні Землі отримує цю інформацію і виходячи із різниці часу між часом відправлення та часом отримання, застосувавши математичний метод триангуляції, вираховує власні координати, визначивши, де перетинаються ці три сфери на поверхні Землі.
Залишилось розібратись із точністю визначення місцеперебування та необхідною кількістю супутників для її забезпечення.
Здається логічним, що мінімальне значення необхідних супутників — три і це буде майже вірно. Чому так? Річ у тому, що весь принцип визначення координат базується на вимірюванні відстані до супутника за величиною затримки радіосигналу, тому робимо висновок, що нам потрібен надзвичайно точний годинник — атомний, і такий є на супутниках, але не має у приймача. Наземні приймачі забезпечені електронними годинниками. Суть проблеми полягає у необхідності синхронізувати супутникові годинники із годинником приймача. Похибка в одну мільйонну секунди призведе до помилки в місцеположенні до 300 метрів. Для визначення часового зсуву між годинниками супутників та приймача необхідно як мінімум чотири супутники, адже необхідно вирішити систему з чотирьох рівнянь з чотирма невідомими, які являють собою положення в трьох вимірах плюс зміщення годинника приймача з часом GPS. Таким чином, для точного розрахунку положення необхідно чотири супутники.
Але на цьому проблеми з часом не закінчились. Розробникам довелося також враховувати у роботі системи теорію відносності Ейнштейна, відповідно до якої швидкість плину часу має зворотну залежність від швидкості руху. У нашому ж випадку для швидшого супутника, плин часу буде повільнішим ніж для приймача на поверхні Землі. Для розв’язання цієї проблеми розробникам довелось штучно прискорити годинники на борту супутників.
Чи не дивно усвідомлювати той факт, що ось так за лаштунками таких звичайних повсякденних речей, як використання смартфонів з мобільними картами, навігаторів, фітнес браслетів та смартгодинників, без яких ми уже і не уявляємо власного життя, криється результат тривалого шляху науково-технічного прогресу.
Сподіваюсь, що мені вдалось достатньо доступно розкрити тему і ця стаття допоможе читачу розібратись в основних принципах функціонування система глобального позиціювання.
