Как върши работата и GPS

GPS по суша, вода, в небето

"Всичко, навигационно оборудване, произвеждани и продавани само като средство за подпомагане на корабоплаването. Потребителят е отговорен за подобряване на навигационните си умения, независимо от всякакво оборудване придобити от него."
(От ръководството).

Как GPS система е изградена и работи

Системата за GPS се състои от три части: място, земята и потребителско оборудване.

Частта повърхност се състои от 4 GPS проследяване станции, разположени на тропически остров. Те проследяват видими сателити и предават данни към главния станция (MCS) и контрола на контрола на базата на въздуха в Колорадо Спрингс за обработка на сложни софтуерни модели. Тези набори от данни се наричат ефемериди. След данни на наземните станции се предава обратно към спътника и след това да ги предава на GPS на сателитни приемници.

GPS сигнали

Всички честоти в системата за GPS са кратни на основната честота на сателитна часовник, 10.23 MHz. Сателитът предава сигнали в групи L1 = 1575,42 MHz и L2 = 1227,6 MHz. Сигнали са два вида информация: "навигация съобщение" и "псевдо-случаен код" (Фигура 1.). Кодът е последователност от нули и единици, привидно случайни, но смяната на сложно законодателство. Псевдослучаен код съдържа сателитна номер (PRN).

Има два вида код. Цивилните GPS с помощта на C / A (за придобиване на груба) - код се предава само от честотата L1. Един цикъл код за предаване се състои от 1023 бита и се повтаря 1000 пъти (сек. GPS военна висока точност, използвайки P-код (Precise), който се предава от двете честоти, L1 и L2.

Навигационни съобщения се предават със скорост от 50 бита / сек честотни допълнителен носител, модулирани от псевдо-случаен код. Всяко съобщение се състои от 25 "порции" (страници) от 1500 бита. Пълен цикъл на предаване на цялото съобщение трае 12,5 минути. Съобщението за навигация включва "ефемериди данни" и "алманах данни"; данни за времето в системата на GPS, както и фактори за нейното превръщане в универсално време, ключови думи към P-код и специално съобщение. Ефемериди - представлява данни за сателитна здраве и параметрите на своята орбита - факторите, от които приемника пресмята настоящи и бъдещи позицията на спътника, с помощта на математически модел на Кеплер. В допълнение, тези съобщения съдържат коефициенти корекции на сателитна часовник и забавяне на разпространението на сигнала в йоносферата за C членове / A-код. Алманах - това ефемериди данни и състоянието на останалите спътници в системата (съхранявани в паметта на приемника). Благодарение на тези данни, приемникът е винаги "знае", където всички спътници са, дори когато той не ги вижда, и това, което е по-добре да се използват сателити, за да определи позицията.

GPS приемник определя своята позиция?

Системата за GPS използва метод за определяне на границите на до сателитна цели, определени от псевдо-случаен код. За да направите това, приемникът генерира свой вътрешен код в същото време, че тя е точно дублира сателитна код. Приемникът сравнява разликата във времето между получаването на сателитна кода на съответната части с една и съща част от кода. Знаейки за преминаването на времето и скоростта на разпространение на радиовълни, приемникът получава разстоянието до спътника, наречени псевдо-гама, и двете разстояния могат да определят точното им положение (Фигура 2) Защо е "псевдо"? Проблемът е, за да се уверите, че приемник псевдо-случаен код и спътника се генерират едновременно. От страна на спътника не представлява трудност. сателитни часовници са много точни и адаптирани към сигналите от Земята. приемник часовник е по-малко точни, освен това, забавянето на разпространение на сигнала в йоносферата, тропосферата и т.н. създаде обща грешка (Фигура 3). За неговото отстраняване GPS използва обхватът на измерването на третия спътник.

При определяне на двуизмерни координатите на двата кръга на еднакво разстояние приемник не "знае" дали той наистина е върху тях, или не. Например, ако часовника на приемника е бавен, истинското положение е по-близо, но във всеки случай пропорционално по-близо до всеки един от спътниците. Въвеждане на границата на щата от третия спътник, ние можем да получите уникален резултат. приемникът GPS е програма, която отнема информацията за трите линии на позиция и да го решава алгебрично. Тези изчисления водят разтвор от три уравнения за трите неизвестни: географска дължина и ширина, както и часовник грешки. Ето защо, за да се определи най-двуизмерни координатите са необходими минимум 3 сателита, 4 - за триизмерна.

На точност

GPS потребителите се интересуват от действителната точност на системата; с други думи, колко близо можете да се разхождате от всеки навигационна опасност, разчитайки само на GPS приемник? За съжаление, ясен отговорът на този въпрос не съществува. Това се дължи на статистически характер на грешките в GPS.

Причини за възникване на грешки, GPS

режим SA
В мирно време, добавя грешка на няколко десетки метра; в особени случаи може да въведе грешки на стотици метри. (Американското правителство е отговорно за функционирането на системата в предната част на милиони потребители, и може да се очаква, че такова значително намаляване на точността няма да бъде въведен без достатъчно сериозни причини.) Това се постига чрез случаен пренос на смяна на времето за псевдослучайни код. Грешки, които произтичат от SA, произволни и еднакво за всяка страна. SA също оказва влияние върху точността на курса и скоростта на GPS. Поради тази причина, неподвижен приемник често показват леко различна скорост и разбира се. Така че, до известна степен, за да се оцени степента на излагане на SA може да бъде периодични промени в курса и на GPS скорост.

Radiowave забавяне на разпространението в йоносферата и тропосферата
Скоростта на радиовълни е постоянна във вакуум, но когато входа на сигнала в атмосферата се променя. закъснение е различно за сигнали от различни сателити. размножаване грешка в зависимост от атмосферните условия и сателитна височина над хоризонта, толкова по-ниска спътник, по-голямата си път сигнал преминава през атмосферата и по-голяма деформация. Повечето приемници елиминират сигнали за използване от сателити с височина над хоризонта по-малко от 7.5. (Още атмосферни зависят от времето на деня: след залез слънце в йоносферата плътност и неговото въздействие върху радиосигнали намалява (явление, познати радиооператорите къси вълни).

Влиянието на отразения сигнал (Multypath)
Освен директния сигнал от сателитен приемник може също да получава сигнали, отразени от скалите, сгради, съдове. Ако директен сигнал от приемника е затворен надстройките или фалшифициране отразения сигнал може да бъде по-силна. Този сигнал се прави дълъг път, и приемника ще "мисли", че е най-отдалечената от спътника, отколкото е в действителност. Тези грешки са много по-малко от 100 метра, като само близки обекти са в състояние да дадат достатъчно силен отзвук.

сателитна геометрия
Това зависи от местоположението на спътника спрямо приемника, който се определя от позицията. Ако приемникът "хванат" четири сателита, както и всички от тях са на север, сателитна геометрия е лошо. Резултати - грешка на 90-150 м, или дори невъзможно да се определи координатите .. (Всички четири измерения - от една и съща посока, а площта на тяхното пресичане, е твърде голямо; Фигура 4)

Със същото с 4 спътника точността се увеличава значително, ако те са равномерно разположени от двете страни на хоризонта. В този случай, дори и с SA, точността на до 30 м. И по-горе.

Сателитна геометрия фактор измерва PDOP (Позиция разреждане на Precision) или HDOP (Хоризонтално разреждане на Precision). Идеално място съответства сателити PDOP = 1; високи стойности показват лоша сателитна геометрия. PDOP се използва като множител за други грешки. Всяка измерена псевдо приемник има грешка в зависимост от атмосферното шума, грешки в ефемериди, SA, отразения сигнал и т.н. Например, ако предвидената стойност на грешката в размер на до 50 м. И PDOP = 1,5, след очакваната грешка при определянето на обекта е 75 метра.

GPS приемници по различен начин осигуряват информация за оценка на точността, с помощта PDOP. Освен HDOP, използвани GQ (Геометрично качество, взаимен HDOP) или качествена оценка в точки. Много съвременни приемници показва EPE (Прогнозна позиция Грешка - очаква позиция грешка) директно от гледна точка на разстояние. EPE отчита местоположението на спътниците и сигналите прогнозните грешки за всеки спътник, в зависимост от SA, състоянието на атмосферата, грешката на сателитна часовник, приет като част от ефемеридата информация.

Сателитна геометрия също се превръща в проблем, когато използвате GPS приемника вътре в превозното средство в гъста гора в планината, близо до високи сгради. Когато сигналите от отделните спътници са блокирани, позицията на останалите спътници ще определи как точно позицията на GPS (и техния брой ще показва дали позицията може да се определи като цяло).

Добър GPS приемник показва не само, които се използват сателити, но и къде са те (азимут и височина над хоризонта), така че можете да определите дали приемането на този спътник е запушен. Фигура 5 показва пример за лошо подреждане на спътника на дисплея GPS: сателити наброяват 22, 01 и 09 не са видими. В тази ситуация, можете да очаквате големи грешки дължина; Търсене може да се определи с достатъчна точност.

точност количествена оценка

Прост тест за визуализиране на точността на GPS приемника - периодични показания запис стационарен приемник за достатъчно дълъг период от време. Така например, на всеки 2 минути. през деня. По-лесно е да се направи, ако има плотер или компютър, който е свързан с GPS. Прокарване на получените координати на таблета, ние се получи картина, подобна на фиг. 7.

Смята се, че GPS позицията на разпределение съответства по-скоро добре за нормалното (Гаусово) закона. Това означава, че за по-голям брой измерване пристрастия или систематична грешка е нула. Цивилните GPS осигурява точност без SA 15 метра RMS, и режим SA 2DRMS = 100 м. Какво означава това? RMS (Root Mean Square) - корен квадратен от сумата на квадратите на отклоненията на дължина и ширина, разделен на броя на измерванията. Гамата от 65% от точките получава радиус RMS. 2DRMS означава два пъти страна членка. За пространствен двумерен Гаусово разпределение в интервала от плюс или минус 2DRMS пада от 95% точки, ако елипсовидна разпределение (различни грешки в ширина и дължина) при периферна разпределение - до 98%. разпределение GPS позиция става елипсовидна ако небето, от една страна, за да затвори на сигналите.

заключение

Повечето от GPS време осигурява висока точност, с точност до няколко десетки метра, което е достатъчно, за да се движите в нормални условия. Но за потребителя е важно, че в някои моменти може да има отклонения от дължината на кабела и др. Вероятността за грешка е много малка, но това не бива да се пренебрегва. Той винаги е препоръчително да се използва повече от едно от средствата за навигация. При вземането на решение за нивото на доверие на GPS показанията, следните характеристики могат да бъдат взети под внимание:

приемник на информация за местоположението на сателити. Максималната възможна грешка по време на неблагоприятната комбинация от най-големите ценности на факторите, които влияят на точността и, преди всичко, геометрията на сателит. На приемника обикновено показват, EPE 20-40 м, 60 м и се появи повече.);
намалена видимост над антената на приемника;
промяна на GPS позиция за предходния период (година, изпълнена в голям мащаб).
кореспонденция курса и скоростта с помощта на GPS и компаса изостават.
наличието на предмети, които отразяват сигнала.

В допълнение, следва да се каже, че координатната система карти (Map Datum), свързани с различни модели на елипсоид на Земята, използвани в строителството на карти в различни страни. Разликата между тях може да бъде до 500 м. При използване на GPS и карта потребителят трябва да вземе това под внимание и ще направи съответните корекции.

И за последен. Преди това се счита само точността на GPS показанията. Максималната грешка на навигация с помощта на GPS, обобщени от максималната грешка на цялата верига: Satellites - приемникът - потребителят - картата - потребителя.