Seperti yang sering terjadi pada proyek-proyek teknologi tinggi, penggagas pengembangan dan implementasi GPS (Global Positioning System - sistem penentuan posisi global) adalah militer. Proyek jaringan satelit untuk menentukan koordinat waktu nyata di mana saja di dunia disebut Navstar (Sistem navigasi dengan waktu dan waktu - sistem navigasi untuk menentukan waktu dan jangkauan), sedangkan singkatan GPS muncul kemudian, ketika sistem mulai digunakan tidak hanya dalam pertahanan, tetapi juga untuk tujuan sipil.

Langkah pertama untuk menyebarkan jaringan navigasi diambil pada pertengahan tahun tujuh puluhan, sedangkan operasi komersial sistem dalam bentuknya yang sekarang dimulai pada tahun 1995. PADA saat ini 28 satelit sedang beroperasi, tersebar merata di orbit dengan ketinggian 20350 km (24 satelit cukup untuk operasi yang berfungsi penuh).

Berjalan sedikit ke depan, saya akan mengatakan bahwa momen yang benar-benar penting dalam sejarah GPS adalah keputusan Presiden AS untuk membatalkan apa yang disebut rezim akses selektif (SA - ketersediaan selektif) mulai 1 Mei 2000 - kesalahan yang diperkenalkan secara artifisial menjadi sinyal satelit untuk pengoperasian penerima GPS sipil yang tidak akurat. Mulai sekarang, terminal amatir dapat menentukan koordinat dengan akurasi beberapa meter (sebelumnya, kesalahannya puluhan meter)! Gambar 1 menunjukkan kesalahan dalam navigasi sebelum dan setelah menonaktifkan mode akses selektif (data).

Mari kita coba memahami secara umum bagaimana sistem penentuan posisi global bekerja, dan kemudian menyentuh sejumlah aspek pengguna. Pertimbangan akan dimulai dengan prinsip penentuan jangkauan, yang mendasari pengoperasian sistem navigasi ruang angkasa.

Algoritma untuk mengukur jarak dari titik pengamatan ke satelit.

Rentang didasarkan pada penghitungan jarak dari waktu tunda perambatan sinyal radio dari satelit ke penerima. Jika Anda mengetahui waktu propagasi sinyal radio, maka mudah untuk menghitung jalur yang ditempuhnya hanya dengan mengalikan waktu dengan kecepatan cahaya.

Setiap satelit dari sistem GPS terus menerus menghasilkan gelombang radio dari dua frekuensi - L1=1575.42MHz dan L2=1227.60MHz. Daya pemancar adalah 50 dan 8 watt, masing-masing. Sinyal navigasi adalah kode PRN kunci fase pergeseran (kode Angka Acak Semu). PRN terdiri dari dua jenis: yang pertama, kode C / A (kode Akuisisi Kasar - kode kasar) digunakan di penerima sipil, kode P kedua (Kode presisi - kode tepat), digunakan untuk keperluan militer, dan juga, kadang-kadang, untuk memecahkan masalah geodesi dan kartografi. Frekuensi L1 dimodulasi dengan kode C/A dan P, frekuensi L2 hanya ada untuk mentransmisikan kode-P. Selain yang dijelaskan, ada juga kode-Y, yang merupakan kode-P terenkripsi (di masa perang, sistem enkripsi dapat berubah).

Periode pengulangan kode cukup besar (misalnya, untuk kode-P adalah 267 hari). Setiap penerima GPS memiliki osilatornya sendiri, beroperasi pada frekuensi yang sama dan memodulasi sinyal menurut hukum yang sama dengan osilator satelit. Jadi, dari waktu tunda antara bagian kode yang sama yang diterima dari satelit dan dihasilkan secara independen, dimungkinkan untuk menghitung waktu perambatan sinyal, dan, akibatnya, jarak ke satelit.

Salah satu kesulitan teknis utama dari metode yang dijelaskan di atas adalah sinkronisasi jam pada satelit dan penerima. Bahkan kesalahan kecil menurut standar biasa dapat menyebabkan kesalahan besar dalam menentukan jarak. Setiap satelit membawa jam atom presisi tinggi. Jelas bahwa tidak mungkin memasang hal seperti itu di setiap receiver. Oleh karena itu, untuk memperbaiki kesalahan dalam menentukan koordinat karena kesalahan jam yang terpasang di penerima, beberapa redundansi dalam data yang diperlukan untuk pengikatan yang tidak ambigu ke medan digunakan (lebih lanjut tentang ini nanti).

Selain sinyal navigasi itu sendiri, satelit terus mentransmisikan berbagai jenis informasi layanan. Penerima menerima, misalnya, ephemeris (data akurat pada orbit satelit), perkiraan penundaan propagasi sinyal radio di ionosfer (karena kecepatan cahaya berubah ketika melewati berbagai lapisan atmosfer), serta informasi tentang kinerja satelit (yang disebut "almanak", berisi pembaruan setiap 12,5 menit informasi tentang status dan orbit semua satelit). Data ini ditransmisikan pada 50 bit/s pada frekuensi L1 atau L2.

Prinsip umum untuk menentukan koordinat menggunakan GPS.

Dasar dari ide penentuan koordinat penerima GPS adalah untuk menghitung jarak darinya ke beberapa satelit, yang lokasinya dianggap diketahui (data ini terkandung dalam almanak yang diterima dari satelit). Dalam geodesi, metode menghitung posisi suatu benda dengan mengukur jaraknya dari titik-titik dengan koordinat tertentu disebut trilateration. Gambar2.

Jika jarak A ke satu satelit diketahui, maka koordinat penerima tidak dapat ditentukan (dapat ditempatkan di setiap titik bola dengan jari-jari A, dijelaskan di sekitar satelit). Biarkan jarak B penerima dari satelit kedua diketahui. Dalam hal ini, penentuan koordinat juga tidak mungkin - objek berada di suatu tempat pada lingkaran (ditunjukkan dengan warna biru pada Gambar 2), yang merupakan perpotongan dua bola. Jarak C ke satelit ketiga mengurangi ketidakpastian koordinat menjadi dua titik (ditunjukkan dengan dua titik biru tebal pada Gambar 2). Ini sudah cukup untuk menentukan koordinat dengan jelas - faktanya adalah bahwa dari dua kemungkinan lokasi penerima, hanya satu yang terletak di permukaan Bumi (atau di dekatnya), dan yang kedua, salah, ternyata berada jauh di dalam bumi atau sangat tinggi di atas permukaannya. Jadi, secara teoritis, untuk navigasi tiga dimensi, cukup mengetahui jarak dari penerima ke tiga satelit.

Namun, hidup tidak sesederhana itu. Pertimbangan di atas dibuat untuk kasus ketika jarak dari titik pengamatan ke satelit diketahui dengan akurasi mutlak. Tentu saja, tidak peduli seberapa canggih insinyurnya, beberapa kesalahan selalu terjadi (setidaknya menurut sinkronisasi yang tidak akurat dari penerima dan jam satelit yang ditunjukkan di bagian sebelumnya, ketergantungan kecepatan cahaya pada keadaan atmosfer, dll. .). Oleh karena itu, untuk menentukan koordinat tiga dimensi penerima, bukan tiga, tetapi setidaknya empat satelit yang terlibat.

Setelah menerima sinyal dari empat (atau lebih) satelit, penerima mencari titik persimpangan bidang yang sesuai. Jika tidak ada titik seperti itu, prosesor penerima mulai mengoreksi jamnya dengan perkiraan yang berurutan hingga mencapai perpotongan semua bidang pada satu titik.

Perlu dicatat bahwa keakuratan penentuan koordinat dikaitkan tidak hanya dengan perhitungan jarak yang tepat dari penerima ke satelit, tetapi juga dengan besarnya kesalahan dalam pengaturan lokasi satelit itu sendiri. Untuk mengontrol orbit dan koordinat satelit, ada empat stasiun pelacakan darat, sistem komunikasi, dan pusat kendali yang dikendalikan oleh Departemen Pertahanan AS. Stasiun pelacak terus memantau semua satelit dalam sistem dan mengirimkan data pada orbitnya ke pusat kendali, di mana elemen lintasan yang disempurnakan dan koreksi jam satelit dihitung. Parameter ini dimasukkan ke dalam almanak dan ditransmisikan ke satelit, yang, pada gilirannya, mengirimkan informasi ini ke semua penerima yang beroperasi.

Selain yang di atas, masih banyak lagi sistem khusus, meningkatkan akurasi navigasi - misalnya, skema pemrosesan sinyal khusus mengurangi kesalahan dari gangguan (interaksi sinyal satelit langsung dengan yang dipantulkan, misalnya, dari gedung). Kami tidak akan menyelidiki fitur fungsi perangkat ini, agar tidak memperumit teks yang tidak perlu.

Setelah penghapusan mode akses selektif yang dijelaskan di atas, penerima sipil "terikat ke medan" dengan kesalahan 3-5 meter (ketinggian ditentukan dengan akurasi sekitar 10 meter). Gambar di atas sesuai dengan penerimaan sinyal secara simultan dari 6-8 satelit (sebagian besar perangkat modern memiliki penerima 12 saluran yang memungkinkan Anda memproses informasi dari 12 satelit secara bersamaan).

Secara kualitatif mengurangi kesalahan (hingga beberapa sentimeter) dalam pengukuran koordinat memungkinkan mode yang disebut koreksi diferensial (DGPS - GPS Diferensial). Mode diferensial terdiri dari penggunaan dua penerima - satu dipasang pada titik dengan koordinat yang diketahui dan disebut "basis", dan yang kedua, seperti sebelumnya, bergerak. Data yang diterima oleh base receiver digunakan untuk mengoreksi informasi yang dikumpulkan oleh rover. Koreksi dapat dilakukan baik secara real time maupun dengan pemrosesan data "offline", misalnya di komputer.

Biasanya, penerima dasar adalah penerima profesional yang dimiliki oleh perusahaan navigasi atau survei. Misalnya, pada Februari 1998, di dekat St. Petersburg, NavGeoCom memasang stasiun bumi GPS diferensial pertama di Rusia. Daya pemancar stasiun adalah 100 watt (frekuensi 298,5 kHz), yang memungkinkan penggunaan DGPS pada jarak hingga 300 km dari stasiun melalui laut dan hingga 150 km melalui darat. Selain penerima dasar terestrial, sistem layanan diferensial berbasis satelit OmniStar dapat digunakan untuk koreksi diferensial GPS. Data untuk koreksi ditransmisikan dari beberapa satelit geostasioner perusahaan.

Perlu dicatat bahwa pelanggan utama koreksi diferensial adalah layanan geodetik dan topografi - untuk pengguna pribadi, DGPS tidak menarik karena biayanya yang tinggi (paket layanan OmniStar di Eropa berharga lebih dari $ 1.500 per tahun) dan peralatan besar. Dan tidak mungkin situasi muncul dalam kehidupan sehari-hari ketika Anda perlu mengetahui koordinat geografis absolut Anda dengan kesalahan 10-30 cm.

Sebagai kesimpulan dari bagian yang menceritakan tentang aspek "teoretis" dari fungsi GPS, saya akan mengatakan bahwa Rusia, dalam hal navigasi ruang angkasa, telah menempuh jalannya sendiri dan sedang mengembangkan GLONASS (Global Navigation Satellite System) miliknya sendiri. Tetapi karena kurangnya investasi yang tepat, hanya tujuh satelit yang saat ini berada di orbit dari dua puluh empat yang diperlukan untuk fungsi normal sistem ...

Catatan subjektif singkat dari pengguna GPS.

Kebetulan saya mengetahui tentang kemungkinan menentukan lokasi saya menggunakan perangkat yang dapat dipakai seukuran ponsel pada tahun kesembilan puluh tujuh dari beberapa majalah. Namun, perspektif luar biasa yang ditarik oleh penulis artikel dihancurkan dengan kejam oleh harga peralatan navigasi yang disebutkan dalam teks - hampir 400 dolar!

Satu setengah tahun kemudian (pada Agustus 1998), takdir membawa saya ke sebuah toko olahraga kecil di kota Boston, Amerika. Apa kejutan dan kegembiraan saya ketika di salah satu jendela saya secara tidak sengaja melihat beberapa navigator yang berbeda, yang paling mahal harganya $ 250 (model sederhana ditawarkan seharga $ 99). Tentu saja, saya tidak bisa lagi meninggalkan toko tanpa perangkat, jadi saya mulai menyiksa penjual tentang karakteristik, kelebihan dan kekurangan masing-masing model. Saya tidak mendengar apa pun yang dapat dimengerti dari mereka (dan sama sekali bukan karena saya tidak tahu bahasa Inggris dengan baik), jadi saya harus memikirkan semuanya sendiri. Dan sebagai hasilnya, seperti yang sering terjadi, model paling canggih dan mahal dibeli - Garmin GPS II +, serta kasing khusus untuknya dan kabel daya dari soket pemantik rokok mobil. Toko itu memiliki dua aksesori lagi untuk perangkat saya sekarang - perangkat untuk memasang navigator ke stang sepeda dan kabel untuk menghubungkan ke PC. Saya menyerahkan yang terakhir di tangan saya untuk waktu yang lama, tetapi, pada akhirnya, saya memutuskan untuk tidak membelinya karena harganya yang cukup mahal (sedikit di atas $30). Ternyata kemudian, saya tidak membeli kabelnya dengan benar, karena semua interaksi perangkat dengan komputer turun ke "krim" di komputer dari rute yang ditempuh (dan juga, saya pikir, koordinat di waktu nyata, tetapi ada keraguan tertentu tentang ini), dan itupun kondisi pembelian perangkat lunak dari Garmin. Sayangnya, tidak ada kemungkinan untuk memuat peta ke dalam perangkat.

memberi Detil Deskripsi Saya tidak akan memiliki perangkat sendiri, jika hanya karena sudah dihentikan (mereka yang ingin berkenalan dengan detail spesifikasi teknis bisa melakukannya). Saya hanya akan mencatat bahwa berat navigator adalah 255 gram, dimensi 59x127x41 mm. Karena penampang segitiga, perangkat ini sangat stabil di atas meja atau dasbor mobil (Velcro disertakan untuk fiksasi yang lebih kuat). Didukung oleh empat baterai AA (hanya bertahan selama 24 jam operasi terus menerus) atau sumber luar. Saya akan mencoba memberi tahu Anda tentang fitur utama perangkat saya, yang menurut saya dimiliki oleh sebagian besar navigator di pasaran.

Sepintas, GPS II+ bisa disalahartikan sebagai ponsel yang dirilis beberapa tahun lalu. Hanya dengan melihat lebih dekat, Anda akan melihat antena yang sangat tebal, layar besar (56x38 mm!) dan sejumlah kecil tombol menurut standar telepon.

Saat perangkat dihidupkan, proses pengumpulan informasi dari satelit dimulai, dan animasi sederhana (bola dunia yang berputar) muncul di layar. Setelah inisialisasi awal (yang memakan waktu beberapa menit di tempat terbuka), peta langit primitif muncul di layar dengan jumlah satelit yang terlihat, dan di sebelahnya ada histogram yang menunjukkan level sinyal dari setiap satelit. Selain itu, kesalahan navigasi ditunjukkan (dalam meter) - semakin banyak satelit yang dilihat perangkat, semakin akurat penentuan koordinat, tentu saja.

Antarmuka GPS II+ dibuat berdasarkan prinsip halaman "membalik" (bahkan ada tombol HALAMAN khusus untuk ini). "Halaman satelit" telah dijelaskan di atas, dan selain itu, ada "halaman navigasi", "peta", "halaman kembali", "halaman menu" dan sejumlah lainnya. Perlu dicatat bahwa perangkat yang dijelaskan tidak Russified, tetapi bahkan dengan pengetahuan bahasa Inggris yang buruk, Anda dapat memahami pekerjaannya.

Halaman navigasi menampilkan: koordinat geografis absolut, jarak yang ditempuh, kecepatan gerakan seketika dan rata-rata, ketinggian, waktu gerakan dan, di bagian atas layar, kompas elektronik. Saya harus mengatakan bahwa ketinggian ditentukan dengan kesalahan yang jauh lebih besar daripada dua koordinat horizontal (bahkan ada catatan khusus dalam panduan pengguna tentang hal ini), yang tidak memungkinkan penggunaan GPS, misalnya, untuk menentukan ketinggian paralayang. Tetapi kecepatan sesaat dihitung dengan sangat akurat (terutama untuk objek yang bergerak cepat), yang memungkinkan penggunaan perangkat untuk menentukan kecepatan mobil salju (yang speedometernya cenderung terletak secara signifikan). Saya dapat memberikan "nasihat buruk" - ketika menyewa mobil, matikan speedometernya (agar jarak tempuhnya lebih sedikit - lagipula, pembayaran sering sebanding dengan jarak tempuh), dan tentukan kecepatan dan jarak yang ditempuh menggunakan GPS (untungnya, itu dapat mengukur baik dalam mil maupun dalam kilometer).

Kecepatan rata-rata ditentukan oleh algoritma yang agak aneh - waktu idle (ketika kecepatan sesaat adalah nol) tidak diperhitungkan dalam perhitungan (menurut saya, akan lebih logis untuk hanya membagi jarak yang ditempuh dengan total waktu perjalanan , tetapi pencipta GPS II + dipandu oleh beberapa pertimbangan lain).

Jarak yang ditempuh ditampilkan pada "peta" (memori perangkat cukup untuk 800 kilometer - dengan jarak tempuh yang lebih tinggi, tanda tertua secara otomatis dihapus), jadi jika Anda mau, Anda dapat melihat skema pengembaraan Anda. Skala peta berubah dari puluhan meter menjadi ratusan kilometer, yang tidak diragukan lagi sangat nyaman. Hal yang paling luar biasa adalah memori perangkat berisi koordinat utama pemukiman di seluruh dunia! AS, tentu saja, disajikan secara lebih rinci (misalnya, semua distrik Boston hadir di peta dengan nama) daripada Rusia (lokasi hanya kota-kota seperti Moskow, Tver, Podolsk, dll. ditunjukkan di sini). Bayangkan, misalnya, Anda sedang menuju dari Moskow ke Brest. Temukan "Brest" dalam memori navigator, tekan tombol "GO TO" khusus, dan arah lokal gerakan Anda muncul di layar; arah global ke Brest; jumlah kilometer (dalam garis lurus, tentu saja) yang tersisa ke tujuan; kecepatan rata-rata dan perkiraan waktu tiba. Dan di mana saja di dunia - bahkan di Republik Ceko, bahkan di Australia, bahkan di Thailand ...

Sama bergunanya adalah apa yang disebut fungsi pengembalian. Memori perangkat memungkinkan Anda merekam hingga 500 titik kunci (titik jalan). Pengguna dapat menamai setiap titik dengan kebijaksanaannya sendiri (misalnya, DOM, DACHA, dll.), Berbagai ikon juga disediakan untuk menampilkan informasi di layar. Dengan mengaktifkan fungsi kembali ke titik (salah satu yang direkam sebelumnya), pemilik navigator mendapatkan opsi yang sama seperti dalam kasus yang dijelaskan di atas dengan Brest (yaitu jarak ke titik, perkiraan waktu kedatangan, dan semuanya kalau tidak). Misalnya, saya punya kasus seperti itu. Sesampainya di Praha dengan mobil dan menetap di sebuah hotel, saya dan teman saya pergi ke pusat kota. Meninggalkan mobil di tempat parkir, kami berjalan-jalan. Setelah tiga jam berjalan tanpa tujuan dan makan malam di sebuah restoran, kami menyadari bahwa kami tidak ingat di mana kami meninggalkan mobil. Saat itu malam di luar, kami berada di salah satu jalan kecil di kota yang tidak dikenal ... Untungnya, sebelum meninggalkan mobil, saya menuliskan lokasinya di navigator. Sekarang, dengan menekan beberapa tombol pada perangkat, saya menemukan bahwa mobil itu berjarak 500 meter dari kami, dan setelah 15 menit kami sudah mendengarkan musik yang tenang, menuju hotel dengan mobil.

Selain bergerak ke tanda yang direkam dalam garis lurus, yang tidak selalu nyaman dalam kondisi kota, Garmin menawarkan fungsi TrackBack - kembali ke jalur Anda sendiri. Secara kasar, kurva gerak didekati dengan serangkaian bagian lurus, dan tanda ditempatkan pada titik putus. Pada setiap bagian lurus, navigator mengarahkan pengguna ke tanda terdekat, setelah mencapainya, beralih otomatis ke label berikutnya. Fungsi yang sangat nyaman saat mengendarai mobil di medan yang tidak dikenal (sinyal dari satelit, tentu saja, tidak melewati gedung, oleh karena itu, untuk mendapatkan data tentang koordinat Anda dalam kondisi yang padat, Anda harus mencari yang lebih atau tempat yang kurang terbuka).

Saya tidak akan mempelajari lebih lanjut deskripsi kemampuan perangkat - percayalah bahwa selain yang dijelaskan, ia juga memiliki banyak lotion yang menyenangkan dan diperlukan. Satu perubahan orientasi tampilan bernilai sesuatu - Anda dapat menggunakan perangkat baik dalam posisi horizontal (mobil) dan vertikal (pejalan kaki) (lihat Gambar 3).

Salah satu daya tarik utama GPS bagi pengguna, saya menganggap tidak adanya biaya apapun untuk menggunakan sistem. Membeli sekali perangkat - dan nikmatilah!

Kesimpulan.

Saya pikir tidak perlu menghitung area penerapan sistem penentuan posisi global yang dipertimbangkan. Penerima GPS terpasang di mobil, ponsel, dan bahkan jam tangan! Baru-baru ini saya menemukan pesan tentang pengembangan chip yang menggabungkan penerima GPS mini dan modul GSM- diusulkan untuk melengkapi kalung anjing dengan perangkat berdasarkan itu, sehingga pemilik dapat dengan mudah menemukan anjing yang hilang melalui jaringan seluler.

Tetapi dalam setiap tong madu ada lalat di dalam salep. Dalam hal ini, hukum Rusia bertindak sebagai yang terakhir. Saya tidak akan membahas secara rinci aspek hukum menggunakan navigator GPS di Rusia (sesuatu tentang ini dapat ditemukan), saya hanya akan mencatat bahwa perangkat navigasi presisi tinggi secara teoritis (yang, tanpa diragukan lagi, bahkan penerima GPS amatir) dilarang di sini, dan pemiliknya sedang menunggu penyitaan perangkat dan denda yang cukup besar.

Untungnya bagi pengguna, di Rusia, beratnya undang-undang dikompensasi oleh opsionalitas implementasinya - misalnya, sejumlah besar limusin dengan antena pencuci penerima GPS pada penutup bagasi mengemudi di sekitar Moskow. Semua kapal laut yang kurang lebih serius dilengkapi dengan GPS (dan seluruh generasi yachtsmen telah tumbuh dewasa, mengalami kesulitan menavigasi di ruang angkasa menggunakan kompas dan alat bantu navigasi tradisional lainnya). Saya berharap pihak berwenang tidak akan berbicara di roda kemajuan teknis dan akan segera melegalkan penggunaan penerima GPS di negara kita (mereka membatalkan izin untuk Handphone), serta memberikan lampu hijau untuk deklasifikasi dan replikasi peta rinci area yang diperlukan untuk penggunaan penuh sistem navigasi mobil.

27 Mei 2008 Bogomazov Alexey 1

Global Positioning System, atau singkatnya GPS, adalah satu-satunya sistem navigasi satelit berfitur lengkap di dunia. Lebih dari 25 satelit khusus terus-menerus mengirimkan sinyal radio yang akurat (pertama-tama dalam waktu) yang diambil oleh penerima GPS di seluruh dunia. Siaran ini memungkinkan penerima (receiver) untuk secara akurat menentukan lokasi mereka (bujur, lintang, posisi di atas permukaan laut) dalam cuaca apa pun, kapan pun, di mana pun di dunia.

Saat ini GPS telah menjadi sistem vital, merupakan bagian integral dari navigasi modern di darat, di laut, di udara, di samping itu, merupakan alat penting untuk pemetaan, serta mengamati perubahan lanskap permukaan bumi. Sistem ini memberikan kontribusi tertentu pada industri pihak ketiga seperti telekomunikasi dan berbagai jenis penelitian ilmiah (misalnya, studi tentang sifat gempa bumi).

sistem GPS dikembangkan oleh Departemen Pertahanan AS, yang dikendalikan olehnya. Terlepas dari kenyataan bahwa pemeliharaan sistem ini membutuhkan biaya sekitar $400 000 000 per tahun (jika Anda menghitung penuaan satelit), manusia biasa dapat dengan bebas menggunakannya untuk kebutuhan sederhana mereka.

Pada akhir tahun 2005, satelit generasi berikutnya ditambahkan ke satelit yang sudah diluncurkan. Satelit ini memiliki nomor fitur tambahan, salah satunya adalah dukungan untuk sinyal GPS sipil kedua, yang disebut L2C dan dirancang untuk meningkatkan akurasi dan keandalan sistem secara keseluruhan. Di tahun-tahun mendatang, semakin banyak satelit yang dimodernisasi direncanakan akan diluncurkan, di masa depan mereka harus menambahkan sinyal ketiga dan keempat, dan di samping itu, banyak fitur baru yang akan digunakan secara eksklusif oleh militer (siapa yang meragukannya ).

Pada bulan Agustus 2000, The Wide-Area Augmentation System (WAAS) menjadi tersedia untuk umum, dan jika berbicara secara manusiawi, sistem panorama yang memungkinkan untuk menentukan lokasi portabel penerima GPS dengan ketelitian dua meter. Dua meter, tentu saja, tidak buruk, tetapi Anda dapat mencapai akurasi satu sentimeter jika Anda menggunakan GPS Diferensial (DGPS).

Lingkup penggunaan GPS

Mungkin banyak yang pernah mendengar GPS banyak orang menggunakannya setiap hari. Namun, bagi sebagian besar orang, ini hanyalah teknologi yang memungkinkan mereka menentukan lokasi mereka di permukaan bumi. Sebenarnya, ini sedikit berbeda, teknologi ini digunakan di berbagai bidang aktivitas manusia.

Harus dikatakan bahwa tanpa sinkronisasi waktu yang akurat, tingkat kesalahan dalam transmisi informasi akan langsung meningkat, dan dalam beberapa kasus transmisi menjadi tidak mungkin. Ini karena nuansa implementasi peralatan. Misalnya, dengan implementasi transmisi tertentu secara biasa jaringan lokal, kartu jaringan harus disinkronkan hampir setelah transfer setiap byte. Ini tentu saja merupakan contoh yang benar-benar jauh, tetapi bayangkan tingkat sinkronisasi apa yang seharusnya ada di instalasi industri dan ilmiah yang jauh lebih serius.

Jam atom di satelit menghitung mundur " waktu GPS". Waktu ini diukur dalam hari, jam, menit, detik, dan seterusnya. Secara umum, semuanya sama dengan waktu di bumi, yang didasarkan pada rotasi bumi. Perbedaan utama adalah bahwa waktu GPS mutlak terlepas dari rotasi bumi. Satu hari GPS adalah 86400 detik dalam SI (omong-omong, SI, ini bukan sistem pengukuran, ini sistem internasional , sepertinya sepele, tetapi tidak semua orang tahu), yang merupakan standar Waktu Atom Internasional (TAI) (Waktu Atom Internasional).

PADA 1980 Waktu GPS telah disamakan dengan Coordinated Universal Time (UTC). Dengan demikian, jam GPS mulai berdetak pada 6 Januari 1980 pukul 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI), dan perbedaan 19 detik muncul karena "detik kabisat" yang tidak jelas. Tapi kita sudah masuk ke hutan disiplin ilmu khusus, jadi jika ada yang tertarik, silakan, sambil belajar teori relativitas, ada di sini di setiap langkah.

• Geofisika dan geologi . Pengukuran presisi tinggi dari tegangan berbagai lapisan bumi dapat dilakukan dengan menggunakan GPS. Pertama, mari kita berurusan dengan tegangan, itu tidak ada hubungannya dengan baterai, ini lebih merupakan deformasi dan perpindahan batu di bawah pengaruh kekuatan apa pun. Untuk mengukur nilai ini, cukup mengambil 2 penerima GPS, salah satunya harus stasioner (sejauh mungkin), kemudian dengan mudah menentukan offset penerima kedua relatif terhadap yang pertama, yang akan menjadi nilai yang diinginkan. . Teknologi ini menemukan aplikasi dalam pengamatan gunung berapi, dan memungkinkan Anda untuk memprediksi terlebih dahulu penyebab dan bentuk perubahan masa depan di lanskap sekitarnya.

Sejarah perkembangan GPS

Perkembangan GPS sebagian didasarkan pada sistem navigasi radio terestrial serupa seperti: LORAN(dikembangkan pada awal 1940-an dan digunakan selama Perang Dunia II). Dorongan tambahan untuk pengembangan sistem ini adalah peluncuran satelit buatan pertama di Uni Soviet pada tahun 1957. Sebuah tim ilmuwan Amerika yang dipimpin oleh Dr. Richard B. Kershner memantau transmisi sinyal radio dari satelit. Mereka melihat pola yang menarik. Sesuai dengan efek Doppler, frekuensi sinyal radio yang dikirim oleh satelit berkurang dengan bertambahnya jarak dari satelit (semakin banyak sinyal yang ditempuh, semakin rendah frekuensinya). Segera muncul pemahaman bahwa, mengetahui posisi persisnya di dunia, serta frekuensi sinyal yang dikirim oleh satelit, mereka dapat menentukan lokasi satelit di orbit bumi dengan akurasi tinggi (sesuai dengan perhitungan Doppler yang sama). Sangat mudah untuk memahami bahwa pernyataan sebaliknya juga benar, mengetahui lokasi satelit dan frekuensi sinyal, Anda dapat menentukan lokasi Anda di Bumi.

Sistem navigasi satelit pertama transit(digunakan oleh Angkatan Laut AS) berhasil diuji pada tahun 1960. Sistem ini menggunakan 5 satelit dan memungkinkan koreksi navigasi dilakukan kira-kira setiap jam. Pada tahun 1967, Angkatan Laut AS mengembangkan satelit baru, Timation, yang memungkinkan untuk ditempatkan di atas kapal, dan benar-benar dimasukkan ke orbit, sebuah jam yang akurat (teknologi yang diandalkan oleh GPS). Pada 1970-an, Sistem Navigasi Omega menjadi sistem navigasi radio pertama yang mencakup seluruh dunia. Sistem ini didasarkan pada perbandingan fase sinyal.

Eksperimen pertama Blok I Satelit GPS diluncurkan pada Februari 1978. Satelit GPS pertama dibuat oleh Rockwell International dan sekarang dibuat oleh Lockheed Martin. Setelah peristiwa tahun 1983, ketika sistem pertahanan udara Uni Soviet menembak jatuh sebuah pesawat penumpang KAL 007 di wilayah udaranya (kapal memasuki wilayah udara Uni Soviet karena kesalahan), membunuh semua orang di dalamnya (total 269 orang), Presiden AS Ronald Reagan mengatakan bahwa GPS dapat tersedia untuk warga sipil segera setelah pembangunannya selesai. Pada tahun 1985, yang lain 10 Blok I satelit. Satelit Block-II modern pertama diluncurkan 14 Februari 1989. Pada Desember 1993, jumlah satelit dinaikkan ke jumlah di mana sistem sudah dapat berfungsi, dan pada 17 Januari 1994, semua 24 satelit berada di orbit.

Pada tahun 1996, Presiden AS Bill Clinton sepenuhnya menyadari pentingnya GPS tidak hanya untuk keperluan militer, tetapi juga untuk penggunaan sipil. Setelah itu muncul arahan penetapan status GPS sebagai sistem ganda (baik militer maupun sipil). Pada tahun 1998, Wakil Presiden AS Al Gore mengumumkan rencana untuk menambahkan dua sinyal sipil lagi ke GPS untuk meningkatkan akurasi dan keandalan sistem, serta untuk memastikan tingkat keselamatan penerbangan yang lebih tinggi.

Peluncuran satelit terakhir dilakukan di September 2005, sedangkan tanggal peluncuran satelit GPS tertua yang saat ini beroperasi adalah Februari 1989.

Satelit GPS

Sistem GPS menggunakan satelit yang terletak dengan cara tertentu, lebih khusus di Orbit melingkar menengah (ICO). Ini adalah orbit tertutup antara orbit Bumi (1400 km) dan orbit geosynchronous (35790 km). Selain itu, ada tiga satelit yang tidak digunakan dalam orbit konstan jika terjadi situasi yang tidak terduga dan segala macam malfungsi dan kesalahan. Setiap satelit mengelilingi bumi tepat dua kali sehari pada ketinggian 20.200 km. Orbit terletak sedemikian rupa sehingga pada waktu tertentu, hampir semua titik di permukaan bumi berada dalam jangkauan empat satelit sekaligus. Ada enam satelit aktif di masing-masing dari enam bidang orbit. Orbit masing-masing satelit menyimpang 55 derajat dari bidang ekuator.

Posisi satelit dipantau oleh lima stasiun bumi yang terletak di seluruh dunia (Hawaii, Kwajalein, Ascension Island, Diego Garcia, Colorado Springs). Selain itu, ada satu stasiun utama (pangkalan udara Elang dalam buah. Colorado), yang mengirimkan semua informasi ke satelit melalui stasiun pelacakan sekunder. Informasi ini biasanya berisi penyesuaian waktu dengan akurasi satu mikrodetik.

Setiap satelit secara teratur mentransmisikan waktu, sesuai dengan jam atomnya, dan informasi lainnya dalam bentuk digital ke dunia luar. Biasanya, satelit menyiarkan posisi persisnya di orbit dan perkiraan posisi semua satelit GPS aktif lainnya. Tampaknya, mengapa mengirimkan informasi tentang lokasi satelit yang tersisa, bagaimanapun, penerima berbasis darat memilih sinyal terkuat yang diterima, dan kemudian, menggunakan informasi yang diterima, mereka mencoba menangkap sinyal yang kurang kuat dari satelit lain.

penerima GPS

Tujuan utama dari penerima GPS adalah untuk menentukan lokasinya di permukaan bumi. Posisi ini ditentukan secara unik menggunakan tiga parameter - lintang dan bujur geografis, serta posisi di atas permukaan laut. Selain itu, penerima harus menentukan waktu yang tepat, bukan dalam arti jam berapa sekarang, tetapi dalam arti sinkronisasi yang akurat dengan satelit. Semua parameter ini ditentukan oleh proses trilaterasi. Singkatnya, trilaterasi terdiri dalam menemukan posisi suatu objek menggunakan setidaknya empat titik dengan koordinat yang diketahui dan jarak yang diketahui dari setiap titik ke objek. Secara umum, mereka tidak menemukan jarak, tapi jangkauan semu (pseudorange), yang merupakan perkiraan pertama dari jarak.

Jadi satelit mengirimkan sinyal yang mengenkripsi koordinat mereka sendiri dan waktu sinyal dikirim. Setelah menerima sinyal, penerima mendekodekannya, menghitung orbit masing-masing satelit, dan kemudian menemukan jarak ke satelit ini. Perhitungan jarak dilakukan dengan mempertimbangkan penundaan antara waktu saat sinyal dikirim dan saat diterima. Dengan demikian, mengetahui waktu kedatangan sinyal, mudah untuk menemukan jarak dengan mengalikannya dengan kecepatan sinyal.

Proses penentuan penundaan secara akurat mungkin yang paling memakan waktu. Setiap satelit secara berkala mengirim 1023 bit urutan arbitrer semu ( urutan acak semu), adalah barisan yang hanya memiliki beberapa sifat dari suatu barisan arbitrer. Setiap satelit memiliki urutannya sendiri, yang memungkinkan mereka untuk berbagi frekuensi radio yang sama menggunakan akses paralel divisi kode ( pembagian kode akses ganda). Penerima menghasilkan urutan yang dikirim oleh masing-masing satelit dan membandingkannya dengan yang diterima, sehingga penerima dapat dengan mudah mengenali setiap satelit.

Mari kita kembali ke masalah trilaterasi. Penerima telah menentukan 4 posisi satelit dan 4 jarak ke mereka. Sekarang bayangkan 4 bola berpusat di tempat satelit berada dan dengan jari-jari sama dengan jarak ke satelit. Secara umum, berdasarkan stereometri sekolah, 3 opsi dimungkinkan: 2 titik persimpangan, satu titik persimpangan dan tidak ada titik persimpangan. Untuk alasan yang jelas, titik persimpangan adalah lokasi penerima. Dua titik dimungkinkan jika semua satelit berada pada bidang yang sama, yang tidak selalu mungkin (3 satelit selalu terletak pada bidang yang sama). Opsi ini, pada prinsipnya, juga dapat diterima, karena satu titik terletak di suatu tempat di Bumi, dan yang kedua simetris sehubungan dengan bidang tempat satelit berada, atau lebih tepatnya, di suatu tempat di luar angkasa. Memilih yang tepat cukup sederhana. Jika hanya ada satu titik persimpangan, maka itu adalah titik yang diinginkan.

Saat bekerja dengan receiver asli, semuanya agak lebih rumit, karena beberapa alasan yang cukup spesifik. Biaya penerima GPS mulai dari $90 , dan biaya jam atom kira-kira sama dengan biaya beberapa lusin produk industri mobil Jerman, dan 50 Mercedes jelas lebih mahal daripada 50 dolar. Dengan demikian, jarak tidak begitu mudah untuk dihitung. Untungnya, jam biasa cukup akurat, yang, untungnya, dapat memberikan perbandingan yang cukup akurat untuk waktu sinyal. Akibatnya, terjadi kesalahan dalam menentukan posisi geografis, untungnya kecil (bidang berpotongan di sekitar satu titik).

Sedikit lebih tinggi ketika saya berbicara tentang menghitung jarak, saya tidak melewatkan kecepatan sinyal untuk apa pun, ini adalah salah satu masalah terbesar dengan GPS. Jika Anda memecahkan masalah sekolah dalam fisika, maka di sana kecepatan ini dianggap sama dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa, yang, secara umum, tidak benar, cahaya bergerak lebih lambat di udara, hal lain adalah bahwa rasio kecepatan ini sama ke satu dan digit pertama setelah nol adalah suatu tempat yang cukup jauh. Namun, ketika menghitung posisi yang tepat, angka-angka ini memberikan kontribusi yang signifikan. Yang terburuk adalah bahwa kecepatan sinyal di ionosfer (masalahnya terutama di sini) berubah hampir tidak terduga, dan semakin tebal lapisan yang harus dilalui sinyal, semakin besar kesalahannya. Jika satelit melayang langsung di atas penerima, maka kesalahannya minimal. Jika tidak, maka kesalahan meningkat dengan sudut deviasi satelit dari cakrawala. Untuk memperbaiki kesalahan ini, pertama-tama perkiraan posisi penerima ditentukan, dan kemudian model matematika dibuat dan, berdasarkan itu, kesalahan dihilangkan.

Perubahan kecepatan sinyal radio di ionosfer tergantung pada frekuensinya, jadi frekuensi kedua L2(lebih lanjut tentang itu di bawah) untuk memperbaiki kesalahan ini. Beberapa penerima militer dan sipil yang mahal (biasanya digunakan untuk pemantauan) dapat membandingkan frekuensi L1 dan L2, hitung penundaan sinyal di atmosfer dan buat penyesuaian yang baik.

Sinyal GPS dapat dihamburkan dan dipantulkan dari permukaan sekitarnya - bangunan, medan, tanah padat, dll. Ini adalah penyebab kesalahan lain. Banyak teknik penerimaan dirancang untuk mengurangi kesalahan ini (khususnya Jarak Korelator Sempit- pertanyaan yang agak spesifik, seperti yang saya pahami, mereka membandingkan fungsi yang dihasilkan dengan apa yang seharusnya dengan kondisi yang cukup ketat). Jika sinyal hilang dan bepergian ke suatu tempat untuk waktu yang lama, maka penerima itu sendiri dapat mengenali ini dan mengabaikan sinyal tersebut. Jika sinyal hanya dipantulkan, misalnya, dari permukaan bumi, jauh lebih sulit untuk menyaringnya (antena khusus digunakan). Ini disebabkan oleh fakta bahwa kesalahan seperti itu hampir tidak terlihat jika dibandingkan dengan sinyal utama dan sangat mirip dengan distorsi yang disebabkan oleh pergerakan massa udara biasa.

Banyak penerima GPS dapat mengirimkan informasi ke PC atau perangkat lain menggunakan NMEA0183 protokol. NMEA2000- protokol yang lebih baru, tetapi kurang umum.

frekuensi GPS

Jadi, mari kita lihat beberapa frekuensi yang hadir dalam spektrum gelombang elektromagnetik (gelombang radio) GPS: (Mengapa beberapa? Sistemnya setengah militer, tidak ada yang akan mengatakan yang sebenarnya).

• L1 (1575,42 MHz): frekuensi pembawa pertama;
• L2 (1227,60 MHz): frekuensi pembawa kedua; satelit terpancar sinyal sinusoidal pada dua frekuensi ini. Seperti disebutkan di atas, sebelum dikirim, sinyal-sinyal ini dimodulasi dengan urutan acak semu (phase keying). Frekuensi L1 dimodulasi oleh dua jenis kode: kode C/A (kode akses gratis) dan kode P(Y) (kode akses resmi), dan frekuensi L2 hanya dimodulasi oleh kode P. Jangan lupa tentang informasi tentang posisi satelit dan waktu, yang juga hadir dalam sinyal ini. Akuisisi Kasar C/A (kode akses gratis) memiliki frekuensi pulsa 1023 MHz dan periode pengulangan 0,001 detik. Kode ini didekodekan tanpa masalah, tetapi menentukan posisi yang tepat dengan bantuannya hampir tidak mungkin. Kode yang dilindungi P(Y) (kode akses resmi) memiliki tingkat pengulangan pulsa 10,23 MHz dan periode pengulangan 7 hari. Kode ini berubah seminggu sekali, dan hanya orang yang berwenang dari Departemen Pertahanan AS yang dapat mengubahnya. Lebih tepatnya, mereka bisa, Amerika membuat kesalahan dan informasi bocor dari mereka. Saya harus mengambil langkah-langkah keamanan tambahan: Mode Anti Spoofing dapat diluncurkan kapan saja. Dalam hal ini, sinyal P dikodekan dan diubah menjadi sinyal Y, yang hanya dapat didekodekan oleh perangkat keras. Ketersediaan Selektif SA (SA, Mode Akses Selektif) dirancang khusus untuk melindungi pengguna yang tidak sah. Ketika mode ini beroperasi, informasi tentang posisi satelit dan waktu tidak dikirim dalam pesan informasi, tetapi informasi yang dikoreksi. Koreksi kecil dibuat (10 meter horizontal dan 30 vertikal, kira-kira tentu saja) dan akurasi penentuan segera berkurang secara signifikan.
• L3 (1381,05 MHz): ini adalah kontribusi satelit untuk program pertahanan AS, frekuensi ini dirancang untuk mendeteksi peluncuran rudal, ledakan nuklir, dan peristiwa lain yang disertai dengan pelepasan energi dalam jumlah besar;
• L4 (1841,40 MHz): sinyal untuk koreksi kesalahan tambahan ketika sinyal melewati ionosfer;
• L5 (1176,45 MHz): frekuensi untuk pensinyalan SOS (safety-of-life (SoL)). Sinyal marabahaya akan dikirim pada frekuensi ini, dengan prediksi kesalahan penerimaan minimal atau tidak sama sekali. Satelit Block-IIF pertama yang mampu mengudara pada frekuensi ini akan diluncurkan pada tahun 2008.

Peluang untuk meningkatkan GPS

• GPS Diferensial (DGPS) - diferensialGPS. Memungkinkan Anda meningkatkan akurasi penentuan dari 4-20 meter menjadi 1-3 meter. Prinsipnya adalah membuat jaringan terestrial penerima GPS stasioner yang menghitung koordinatnya berdasarkan pembacaan satelit (yang selalu memiliki kesalahan) dan membandingkannya dengan koordinatnya, yang diketahui sebelumnya. Koreksi disiarkan di ruang lokal sebagai sinyal FM. Metode ini memungkinkan penerima sipil yang murah untuk meningkatkan akurasinya.
• Sistem Augmentasi Area Luas (WAAS) - sistem pemandangan panorama. Stasiun bumi sedang dibangun, yang menempati kira-kira sama seperti pada kasus sebelumnya, hanya saja mereka tidak menyiarkannya di udara, tetapi mengirimkannya ke satelit tambahan di orbit geosinkron, dan mereka, pada gilirannya, menyiarkannya di udara, di Selain itu, mereka melaporkan informasi tentang penundaan sinyal di ionosfer, dll. Sistem ini secara signifikan dapat membantu dalam aeronautika dalam kondisi visibilitas yang buruk dan nol. Sayangnya, hanya beberapa satelit WAAS yang diluncurkan saat ini. Saat ini, sistem ini hanya beroperasi di wilayah pantai barat dan timur Amerika Serikat. Namun, analog dari sistem ini sedang dibuat di Eropa oleh EGNOS, Euro Geostationary Navigation Overlay Service), dan Jepang (MSAS, Multi-Functional Satellite Augmentation System). Sistem ini hampir identik dengan WAAS.
• Sistem Augmentasi Area Lokal (LAAS) . Koreksinya mirip dengan kasus sebelumnya, tetapi siarannya bukan dari satelit, tetapi dari stasiun bumi di dekatnya yang memerlukan peningkatan akurasi (misalnya, bandara).

GPS (kependekan dari English Global Positioning System - Global Positioning System) adalah sistem navigasi satelit yang beroperasi di sistem koordinat dunia WGS 84. GPS memungkinkan Anda untuk menentukan lokasi dan kecepatan objek hampir di mana saja di Bumi. Menariknya, sistem ini dikembangkan dan diterapkan oleh Departemen Pertahanan AS, tetapi saat ini digunakan untuk tujuan sipil. Rusia telah menciptakan sistem navigasi satelitnya sendiri, yang disebut dan kami telah menulis tentangnya. Sistem bekerja dengan cara yang sama, tetapi satelit GLONASS lebih stabil.

Beberapa waktu yang lalu, GPS jarang digunakan di ponsel, oleh karena itu semacam keingintahuan yang bisa mengejutkan orang. Tetapi hari-hari itu sudah lama berlalu dan hari ini Anda harus bekerja keras untuk menemukan smartphone yang tidak memiliki dukungan GPS.

Mengapa Anda membutuhkan GPS di ponsel/smartphone/tablet Anda?

GPS digunakan terutama untuk menentukan lokasi perangkat. Berdasarkan ini, pengguna dapat memahami di mana dia berada saat ini. Peta navigasi didasarkan pada prinsip ini, yang digunakan, misalnya, oleh pengendara. Dan bersama dengan Internet, peta tidak hanya dapat menunjukkan lokasi perangkat dan jalur ke tujuan, tetapi juga kemacetan lalu lintas. Contoh mencolok adalah Yandex.Maps.

Smartphone dengan GPS tidak hanya digunakan oleh pengendara biasa, tetapi juga sangat populer di kalangan kurir, serta pengemudi taksi - terutama di kota-kota besar.

Fitur lokasi digunakan di beberapa layanan. Misalnya, di jaringan sosial Anda dapat memposting foto dan menentukan koordinat di mana foto itu baru saja diambil. Ada layanan yang memungkinkan Anda untuk menandai lokasi Anda tidak di peta sederhana, tetapi di toko atau kafe - sehingga pengguna dapat mengirim pesannya ke teman dan mengundang mereka.

Bahkan ada layanan kencan berdasarkan lokasi pengguna saat ini. Jadi, pengguna menunjukkan di mana dia berada dan melihat pengguna lain di peta. Misalnya, pengguna dapat mengenal satu sama lain jika mereka berada dalam jarak dekat di peta.

Apakah ada kelemahan pada GPS?

Dengan demikian, tidak ada kekurangan dalam GPS, tetapi perlu diingat bahwa lokasi mungkin tidak selalu dapat diandalkan, karena ada margin kesalahan. Untuk penentuan posisi yang lebih akurat, Anda dapat menggunakan kedua sistem navigasi sekaligus - GPS dan GLONASS, terutama karena keduanya digunakan di banyak perangkat.

GPS lainnya memiliki nilai plus yang solid. Selain itu, sistem sebenarnya tidak memengaruhi biaya perangkat, yang dapat Anda lacak pada biaya ponsel cerdas: bahkan perangkat paling murah pun dilengkapi dengan GPS.

GPS adalah sistem navigasi satelit yang mengukur jarak, waktu dan posisi. Memungkinkan Anda menentukan lokasi dan kecepatan objek di mana saja di Bumi (tidak termasuk wilayah kutub), di hampir semua cuaca, serta di luar angkasa dekat planet ini. Sistem ini dikembangkan, diimplementasikan, dan dioperasikan oleh Departemen Pertahanan AS.

Deskripsi singkat tentang GPS

Sistem navigasi satelit Departemen Pertahanan Amerika Serikat, GPS, juga disebut NAVSTAR. Sistem ini terdiri dari 24 satelit navigasi bumi buatan (NISS), kompleks pengukur perintah darat dan peralatan konsumen. Ini adalah sistem navigasi global, segala cuaca, yang menyediakan penentuan koordinat objek dengan akurasi tinggi di ruang tiga dimensi dekat Bumi. Satelit GPS ditempatkan di enam orbit menengah-tinggi (ketinggian 20183 km) dan memiliki periode revolusi 12 jam, bidang orbit terletak pada interval 60° dan condong ke ekuator dengan sudut 55°. Ada 4 satelit di setiap orbit. 18 satelit adalah jumlah minimum untuk memastikan visibilitas di setiap titik di Bumi minimal 4 satelit.

Prinsip dasar penggunaan sistem ini adalah menentukan lokasi dengan mengukur jarak ke objek dari titik-titik yang koordinatnya diketahui - satelit. Jarak dihitung dari waktu tunda propagasi sinyal dari pengiriman oleh satelit hingga diterima oleh antena penerima GPS. Artinya, untuk menentukan koordinat tiga dimensi, penerima GPS perlu mengetahui jarak ke tiga satelit dan waktu sistem GPS. Dengan demikian, sinyal dari setidaknya empat satelit digunakan untuk menentukan koordinat dan ketinggian penerima.

Sistem ini dirancang untuk menyediakan navigasi udara dan kapal laut dan waktu dengan presisi tinggi. Ini dapat digunakan dalam mode navigasi dua dimensi - penentuan 2D parameter navigasi objek di permukaan bumi) dan dalam mode tiga dimensi - 3D (pengukuran parameter navigasi objek di atas permukaan bumi). Untuk mengetahui posisi tiga dimensi suatu objek, diperlukan pengukuran parameter navigasi minimal 4 satelit, dan untuk navigasi dua dimensi minimal 3 satelit. GPS menggunakan metode pseudo-range untuk menentukan posisi dan metode kecepatan pseudo-radial untuk menemukan kecepatan suatu objek.

Untuk meningkatkan akurasi hasil penentuan dihaluskan menggunakan filter Kalman. Satelit GPS mengirimkan sinyal navigasi pada dua frekuensi: F1 = 1575,42 dan F2 = 1227,60 MHz. Mode emisi terus menerus dengan modulasi pseudonoise. Sinyal navigasi adalah kode C / A publik (kursus dan akuisisi), ditransmisikan hanya pada frekuensi F1, dan kode P yang dilindungi (kode presisi), dipancarkan pada frekuensi F1, F2.

Dalam GPS, setiap satelit memiliki kode C/A dan kode P uniknya sendiri. Jenis pemisahan sinyal satelit ini disebut kode. Hal ini memungkinkan peralatan on-board untuk mengenali satelit mana yang menjadi milik sinyal ketika mereka semua mentransmisikan pada frekuensi yang sama.GPS menyediakan dua tingkat layanan pelanggan. definisi yang tepat(PPS Precise Positioning Service) dan Data Standar (SPS Standard Positioning Service) PPS berdasarkan kode eksak, sedangkan SPS berdasarkan kode publik. Tingkat layanan PPS diberikan kepada militer dan layanan federal AS, dan SPS - ke konsumen sipil massal Selain sinyal navigasi, satelit secara teratur mengirimkan pesan yang berisi informasi tentang keadaan satelit, ephemerisnya, waktu sistem, perkiraan penundaan ionosfer, dan indikator kinerja. Peralatan GPS onboard terdiri dari antena dan penerima. PI termasuk penerima, kalkulator, blok memori, kontrol dan perangkat tampilan. Blok memori menyimpan data yang diperlukan, program untuk memecahkan masalah dan mengendalikan operasi penerima. Tergantung pada tujuannya, dua jenis peralatan onboard digunakan: khusus dan untuk konsumen massal Peralatan khusus dirancang untuk menentukan parameter kinematik rudal, pesawat militer, kapal dan kapal khusus. Saat menemukan parameter objek, ia menggunakan kode P dan C / A. Aparatus ini memberikan penentuan kontinu secara praktis dengan akurasi: lokasi objek— 5+7 m, kecepatan — 0,05+0,15 m/s, waktu — 5+15 ns

Aplikasi utama sistem satelit navigasi GPS:

• Geodesi: menggunakan GPS, koordinat titik dan batas tanah yang tepat ditentukan
• Kartografi: GPS digunakan dalam kartografi sipil dan militer
• Navigasi: menggunakan GPS, navigasi laut dan jalan dilakukan
• Pemantauan transportasi satelit: dengan bantuan GPS, posisi dan kecepatan mobil dipantau, dan pergerakannya dikendalikan
• Komunikasi seluler: yang pertama Handphone dengan GPS muncul di tahun 90-an. Di beberapa negara, seperti Amerika Serikat, ini digunakan untuk menemukan orang yang menelepon 911 dengan cepat.
• Tektonik, Tektonik Lempeng: Pengamatan GPS Pergerakan dan Getaran Lempeng
• Aktivitas Luar Ruangan: Ada berbagai permainan yang menggunakan GPS, seperti Geocaching, dll.
• Penandaan geografis: informasi, seperti foto, "ditandai" ke koordinat menggunakan penerima GPS internal atau eksternal.

Penentuan koordinat konsumen

Pemosisian berdasarkan jarak ke satelit

Koordinat lokasi dihitung berdasarkan rentang terukur ke satelit. Empat pengukuran diperlukan untuk menentukan lokasi. Tiga dimensi sudah cukup jika Anda dapat mengecualikan solusi yang tidak masuk akal oleh yang lain cara yang dapat diakses. Pengukuran lain diperlukan karena alasan teknis.

Pengukuran jarak satelit

Jarak ke satelit ditentukan dengan mengukur jumlah waktu yang dibutuhkan sinyal radio untuk melakukan perjalanan dari satelit ke kita. Baik satelit dan penerima menghasilkan kode pseudo-acak yang sama persis pada waktu yang sama pada skala waktu yang sama. Mari kita tentukan berapa lama waktu yang dibutuhkan sinyal dari satelit untuk mencapai kita dengan membandingkan penundaan kode pseudo-acak terhadap kode penerima.

Memastikan Waktu yang Sempurna

Waktu yang akurat adalah kunci untuk mengukur jarak ke satelit. Satelit akurat dalam waktu karena mereka memiliki jam atom di dalamnya. Jam penerima mungkin tidak sempurna, karena penyimpangan dapat dihilangkan dengan menggunakan perhitungan trigonometri. Untuk memperoleh kemungkinan tersebut, perlu dilakukan pengukuran jarak ke keempat satelit tersebut. Kebutuhan empat pengukuran ditentukan oleh desain penerima.

Menentukan posisi satelit di luar angkasa.

Untuk menghitung koordinat kita, kita perlu mengetahui jarak ke satelit dan lokasi masing-masing di luar angkasa. Satelit GPS bergerak sangat tinggi sehingga orbitnya sangat stabil dan dapat diprediksi dengan sangat akurat. Stasiun pelacak terus-menerus mengukur perubahan kecil dalam orbit, dan data tentang perubahan ini ditransmisikan dari satelit.

Penundaan sinyal ionosfer dan atmosfer.

Ada dua metode yang dapat digunakan untuk meminimalkan kesalahan. Pertama, kita dapat memprediksi perubahan kecepatan yang khas pada hari-hari biasa, di bawah kondisi ionosfer rata-rata, dan kemudian memperbaiki semua pengukuran kita. Tapi, sayangnya, tidak setiap hari itu normal. Cara lain adalah dengan membandingkan kecepatan propagasi dari dua sinyal yang memiliki frekuensi pembawa yang berbeda. Jika kita membandingkan waktu propagasi dari dua komponen frekuensi yang berbeda dari sinyal GPS, kita dapat mengetahui jenis perlambatan yang terjadi. Metode koreksi ini cukup rumit dan hanya digunakan pada penerima GPS "frekuensi ganda" yang paling canggih.

Multipath.

Jenis kesalahan lainnya adalah kesalahan "multipath". Mereka terjadi ketika sinyal yang ditransmisikan dari satelit berulang kali dipantulkan dari objek dan permukaan di sekitarnya sebelum mencapai penerima.

Faktor reduksi presisi geometris.

Penerima yang baik dilengkapi dengan rutinitas komputasi yang menganalisis posisi relatif dari semua satelit yang dapat diamati dan memilih empat kandidat dari mereka, yaitu. posisi terbaik empat satelit.

Akurasi GPS yang dihasilkan.

Kesalahan GPS yang dihasilkan ditentukan oleh jumlah kesalahan dari berbagai sumber. Kontribusi masing-masing bervariasi tergantung pada kondisi atmosfer dan kualitas peralatan. Selain itu, akurasi dapat dikurangi dengan sengaja oleh Departemen Pertahanan AS sebagai akibat dari pemasangan yang disebut mode S / A ("Ketersediaan Selektif" - akses terbatas). Mode ini dirancang untuk mencegah musuh potensial mendapatkan keuntungan taktis dalam penentuan posisi GPS. Ketika dan jika mode ini disetel, itu menciptakan komponen paling signifikan dari total kesalahan GPS.

Kesimpulan:

Akurasi pengukuran penggunaan GPS tergantung pada desain dan kelas penerima, jumlah dan lokasi satelit (secara real time), keadaan ionosfer dan atmosfer bumi (awan tebal, dll.), adanya gangguan, dan faktor lainnya. Perangkat GPS "Rumah Tangga", untuk pengguna "sipil", memiliki kesalahan pengukuran dalam kisaran dari ± 3-5 m hingga ± 50 m dan lebih (rata-rata, akurasi nyata, dengan gangguan minimal, jika model baru, adalah ± 5 -15 meter per rencana). Akurasi maksimum yang mungkin mencapai +/- 2-3 meter secara horizontal. Tinggi - dari ± 10-50m hingga ± 100-150 meter. Altimeter akan lebih akurat jika Anda mengkalibrasi barometer digital ke titik terdekat dengan ketinggian pasti yang diketahui, (dari atlas biasa, misalnya) di medan datar atau ke tekanan atmosfer yang diketahui (jika tidak berubah terlalu cepat, saat cuaca berubah). Pengukur presisi tinggi dari "kelas geodesi" - lebih tepatnya dua atau tiga kali lipat (hingga satu sentimeter, dalam denah dan tinggi). Keakuratan pengukuran yang sebenarnya disebabkan oleh berbagai faktor, misalnya jarak dari stasiun pangkalan (korektif) terdekat di area layanan sistem, multiplisitas (jumlah pengukuran / akumulasi berulang per titik), kontrol kualitas kerja yang sesuai, tingkat pelatihan dan pengalaman praktis seorang spesialis. Peralatan presisi tinggi semacam itu hanya dapat digunakan oleh organisasi khusus, layanan khusus, dan militer.

Untuk meningkatkan akurasi navigasi disarankan untuk menggunakan penerima GPS - di ruang terbuka (tidak ada bangunan di dekatnya atau pohon yang menjorok) dengan medan yang cukup rata, dan sambungkan tambahan antena eksternal. Untuk tujuan pemasaran, perangkat tersebut dikreditkan dengan "keandalan dan akurasi ganda" (mengacu pada keduanya) sistem satelit, Glonass dan Jeepies), tetapi peningkatan aktual nyata dalam parameter (peningkatan akurasi penentuan koordinat) dapat berupa nilai - hanya hingga beberapa puluh persen. Hanya pengurangan nyata dalam waktu mulai panas-hangat dan waktu pengukuran yang mungkin

Kualitas pengukuran jip memburuk jika satelit terletak di langit dalam balok padat atau pada garis yang sama dan "jauh" - di garis cakrawala (semua ini disebut "geometri buruk") dan ada gangguan sinyal (tinggi -Bangunan bertingkat menghalangi, mencerminkan sinyal, pohon, gunung curam di dekatnya). Di sisi siang Bumi (diterangi, saat ini, oleh Matahari) - setelah melewati plasma ionosfer, sinyal radio dilemahkan dan terdistorsi oleh urutan besarnya lebih dari di sisi malam. Selama badai geomagnetik, setelah semburan matahari yang kuat, gangguan dan gangguan panjang dalam pengoperasian peralatan navigasi satelit dimungkinkan.

Keakuratan jeepieskin yang sebenarnya tergantung pada jenis penerima GPS dan bagaimana data dikumpulkan dan diproses. Semakin banyak saluran (setidaknya harus ada 8) di navigator, semakin akurat dan cepat parameter yang benar ditentukan. Saat menerima "data tambahan dari server lokasi A-GPS" melalui Internet (dengan transfer data paket, di ponsel dan ponsel cerdas) - kecepatan penentuan koordinat dan lokasi di peta meningkat

WAAS (Wide Area Augmentation System, di benua Amerika) dan EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Services, di Eropa) adalah subsistem diferensial yang mentransmisikan melalui geostasioner (pada ketinggian 36 ribu km di lintang rendah hingga 40 ribu kilometer di atas lintang menengah dan tinggi ) satelit informasi korektif pada penerima GPS (koreksi sedang diperkenalkan). Mereka dapat meningkatkan posisi rover (field, rover) jika stasiun koreksi ground base (penerima sinyal referensi tetap yang sudah memiliki koordinat presisi tinggi) berada dan beroperasi di dekatnya. Dalam hal ini, penerima lapangan dan pangkalan harus secara bersamaan melacak satelit dengan nama yang sama.

Untuk pengukuran yang lebih cepat Disarankan untuk menggunakan receiver multi-saluran (8-saluran atau lebih) dengan antena eksternal. Setidaknya tiga satelit GPS harus terlihat. Semakin banyak, semakin baik hasilnya. Visibilitas yang baik dari langit (horizon terbuka) juga diperlukan. Cepat, "panas" (berlangsung beberapa detik) atau "awal hangat" (setengah menit atau satu menit, dalam waktu) dari perangkat penerima dimungkinkan jika berisi almanak segar dan terbaru. Dalam kasus ketika navigator tidak digunakan untuk waktu yang lama, penerima dipaksa untuk menerima almanak lengkap dan, ketika dihidupkan, start dingin akan dilakukan (jika perangkat mendukung AGPS, maka lebih cepat - hingga beberapa detik). Untuk menentukan hanya koordinat horizontal (lintang / bujur), sinyal dari tiga satelit mungkin cukup. Untuk mendapatkan koordinat tiga dimensi (dengan tinggi), setidaknya diperlukan empat sp-ka. Kebutuhan untuk membuat sistem navigasi domestik kita sendiri adalah karena fakta bahwa GPS adalah milik Amerika, musuh potensial yang dapat, kapan saja, dalam kepentingan militer dan geopolitik mereka, secara selektif mematikan, "mengganggu", memodifikasinya di wilayah mana pun atau meningkatkan buatan , kesalahan sistematis dalam koordinat (untuk konsumen asing dari layanan ini), yang selalu hadir di masa damai.