потребителски център за приложения и система за информационна поддръжка

GPS - Глобална система за позициониране

GPS (Global Positioning System - глобална система за позициониране) - система за сателитно търсене, съставена от набор от 24 сателита, поставени в орбита от Министерството на отбраната на САЩ и наземни станции за проследяване, обединени в обща мрежа. Системата за глобално позициониране работи при всякакви метеорологични условия, навсякъде по света, 24 часа в денонощието. Няма ограничения за използването на координатната система.

История на развитието на GPS

Първоначално GPS е разработен за чисто военни цели: системата за отбрана се нуждаеше, от една страна, от инструменти за насочване за високоточни оръжия с голям обсег и, от друга страна, универсална навигационна система, достъпна за масова употреба в армията. Обединяването на тези задачи в едно - създаването на точна система за позициониране - от 60-те години на миналия век започва да работи Министерството на отбраната на САЩ. Виждайки потенциала на тази система не само за военни цели, разработчиците получиха задачата да направят оборудването достъпно за широк кръг потребители, но при условие, че военните могат по всяко време да ограничат работата на системата.

С въведените основни изисквания за системата американският флот и военновъздушните сили започнаха да разработват концепция за използване на радиосигнали, излъчвани от сателити, за навигационни цели. Разбира се, причината беше изстрелването на първия изкуствен спътник. Съединените щати наблюдаваха полета му, получавайки сигнал от бордовия предавател на наземни точки с предварително известни координати. Изследвани са параметрите на преминаването на сигнали през дебелината на земната атмосфера и доплеровото изместване на честотата, което възниква, когато спътникът се движи в орбита, от които е възможно да се изчисли общата честота.сателитна орбита. Д-р Франк МакКлюр от Лабораторията по приложна физика (APL) посочи, че обратно, ако е известна пълната орбита на спътника, точната позиция на спътника в орбита може да бъде изчислена от Доплеровото изместване. Възникна интерес към обратната задача: изчисляване на координатите на приемника въз основа на сигналите, получени от сателита.

Системата Transit, разработена през 1964 г., беше предшественик на GPS. Състоеше се от 7 спътника на ниска орбита, които излъчваха стабилни сигнали. Няколко наземни станции наблюдаваха и коригираха параметрите на орбитата. Потребителите определиха своите координати на земната повърхност чрез измерване на доплеровото изместване на честотата от всеки сателит. През 1967 г. системата Transit става достъпна за граждански потребители. Той беше много бързо адаптиран за навигация на кораби, но поради голям брой недостатъци не можеше да се използва в самолети и други бързо движещи се обекти.

Вторият предшественик на GPS, Timation, е разработен под ръководството на Роджър Истън в NRL (Военноморска изследователска лаборатория, Военноморска изследователска лаборатория). Изследователската програма стартира през 1964 г. и включва изстрелването на два изкуствени спътника, носещи ултрастабилни часовници, предаване на сигнали за точно време от сателита и определяне на двуизмерни координати на приемника. Основната идея беше да се използват синхронизирани предаватели, излъчващи кодиран сигнал. Чрез измерване на забавянето на сигнала от сателити с предварително известни координати е възможно да се изчисли разстоянието до сателитите и въз основа на това да се изчислят координатите на приемника. Така беше положен и експериментално тестван основният принцип на работа на GPS.

Междувременно военновъздушните сили на САЩ работеха върху 3D система("Система 621В") с непрекъснат достъп. През 1972 г. беше демонстрирана работата на система, използваща нов метод за разделяне на сателитни сигнали, кодово разделяне на базата на псевдослучаен шумоподобен сигнал. В тази версия всички сателити излъчват на една и съща носеща честота, която се модулира от свръхдълъг псевдослучаен код, индивидуален за всеки сателит, което направи възможно значително повишаване на шумоустойчивостта и предаване на информация за позицията на сателитите (ефемериди) в сигнала, както и точни времеви отпечатъци. В най-простия случай кодовете могат да бъдат както публично достъпни, така и тайни. Само отворени кодове бяха достъпни за цивилни потребители, така че беше достатъчно да се въведат умишлени грешки в информацията, предавана с отворени кодове, само военното оборудване щеше да остане работоспособно и гражданските приемници щяха да спрат да функционират с приемлива точност. По време на тестовете на тази система беше формулирана концепцията за глобална система от 16 спътника в геостационарни орбити, чиито проекции върху земната повърхност бяха разширени на 30 ° северно и южно от екватора.

Първият етап включва експериментално потвърждение на пригодността на общата концепция на сателитната навигационна система, демонстрация на присъщия й потенциал и уточняване на по-нататъшния работен план. Вторият етап включваше пълномащабно инженерно развитие, третият - производството и внедряването на GPS сегменти. Първите експериментални сателити направиха възможно тестването на метода за измерване на обхвата с помощта на широколентов радиосигнал и прецизни времеви отпечатъци, получени от атомни часовници. Кръговите орбити на сателитите бяха последователно увеличени от 925 км до 13 000 км, след което достигнаха крайната стойност от 20 145 км. Същоносещата честота на предавателите се променя последователно: първо 400 MHz, след това 1227 MHz, а по-късно достига текущата стойност от 1575 MHz. Военните предвидиха двойната цел на GPS сателитите, в допълнение към съществуващото оборудване за позициониране и точно време, сателитите могат да носят сензори за ядрена експлозия (NUDET, ядрена детонация) на борда, предназначени да откриват фактите за тест на ядрено оръжие, да идентифицират ядрена атака и да оценят степента на унищожение.

Едновременно със сателитния сегмент се развиха наземният и потребителският сегмент. Управлението беше преместено във военновъздушната база Falcon, Колорадо. Системата е напълно тествана и демонстрира успешно взаимодействие между наземни контролни станции, сателити и терминално оборудване.

Първият пълномащабен боен тест за системата беше кризата в Персийския залив, която настъпи през 1990-1991 г. GPS сателитите позволиха на коалиционните сили срещу Ирак да маневрират, локализират и стрелят с безпрецедентна точност 24 часа в денонощието. Условията бяха най-тежки - чести пясъчни бури, липса на асфалтирани пътища, растителна покривка и други забележителности.

По време на разработването на оригиналната GPS концепция се смяташе, че точността от 100 метра ще бъде достатъчна за цивилни потребители. Тестването в края на 70-те години показа, че стандартните прецизни кодове дават значително по-добри резултати. Действителната точност на позициониране по това време беше в рамките на 20-30 м. За да се гарантира предимството на военните при използването на GPS, беше решено да се въведе умишлено ограничаване на точността за цивилни потребители (в навигационните данни, предавани от сателити, бяха въведени умишлени грешки, точността на сигналите за референтно време беше подценена).Използването на GPS се разшири и скоро стандартната стометрова точност престана да удовлетворява хората. В полунощ между 1 и 2 май 2000 г. принудителното изключване на точността беше деактивирано.

Състав на системата

GPS системата се състои от три сегмента:

космически сегмент
сегмент за контрол и управление
сегмент на потребителско навигационно оборудване/сателитно навигационно оборудване