Как работает GPS?

GPS (Global Positioning System) - это спутниковая навигационная система. Она предоставляет информацию о времени и местоположении для приемника GPS, расположенного в любом месте на поверхности земли или вблизи нее. GPS работает в любых погодных условиях при условии беспрепятственной связи на линии прямой видимости с 4 или более спутниками GPS.

GPS работает независимо от интернет-соединения пользователя или телефонного сигнала. Однако их наличие повышает эффективность GPS-позиционирования. Первоначально GPS был разработан для военных целей, но в настоящее время любой, у кого есть GPS-приемник, может получать радиосигналы со спутников GPS. 

Примечание: 

• Первоначально, когда GPS был разработан для военного использования, каждые 12 часов на высоте 20 180 км вокруг Земли вращались 24 спутника GPS.
• 4 спутника GPS были расположены на каждой из 6 орбит с ориентацией 60 градусов между собой. Эти орбитальные плоскости не вращаются относительно какой-либо звезды.
• Позже количество спутников было увеличено до 32, чтобы повысить точность определения местоположения.
• Локализация любого GPS-приемника осуществляется через измерение времени полета.
• Чем больше спутников от линии визирования до приемника GPS, тем выше точность определения положения приемника.

Как работает GPS?

В любой момент времени на земле есть как минимум 4 спутника GPS на линии видимости с приемником. Каждый из этих спутников GPS отправляет информацию о своем местоположении и текущем времени в приемник GPS в фиксированные регулярные моменты времени. Эта информация передается в приемник в виде сигнала, который затем перехватывается приемными устройствами. Эти сигналы являются радиосигналами, которые распространяются со скоростью света. Расстояние между приемником GPS и спутником рассчитывается путем нахождения разницы между временем, когда сигнал был отправлен со спутника GPS, и временем, когда приемник GPS получил сигнал.

Как только приемник получает сигнал по меньшей мере от трех спутников, он затем указывает свое местоположение, используя процесс трилатерации. GPS требует как минимум 3 спутника для расчета двухмерного положения (широта и долгота на карте). В этом случае приемник GPS предполагает, что он расположен на среднем уровне моря. Однако для нахождения 3-D положения приемников (широта, долгота и высота) требуется как минимум 4 спутника.

Что такое трилатерация?

Трилатерация - это процесс определения вашей позиции на основе пересечения сфер. Когда приемник получает сигнал от одного из спутников, он рассчитывает свое расстояние от спутника, учитывая трехмерную сферу со спутником, расположенным в центре сферы. Как только приемник проделает то же самое с 3 другими спутниками GPS, приемник затем приступает к поиску точки пересечения 3 сфер, чтобы вычислить его местоположение.

Технические проблемы, с которыми сталкивается GPS:

• Синхронизация времени между отдельными спутниками и приемником GPS
• Обновление в реальном времени точного местоположения спутника GPS
• Точное измерение времени полета
• Помехи другим сигналам

Синхронизация времени

Каждый из спутников GPS оборудован атомными часами, чтобы держать время обновленным и точным. Для обновления и обеспечения точного времени на приемнике, приемник использует четвертый спутник GPS, чтобы сохранить его точное время. С синхронизацией с приемником и спутниками GPS, поддерживаемыми атомными часами, точная разница во времени может быть вычислена приемником.

Спутники GPS постоянно управляются с наземных станций для разрешения синхронизации времени.

Значение ультра точности синхронизации времени

Электромагнитное излучение распространяется со скоростью света. Точность положения прямо пропорциональна измерению времени, так как скорость * время = расстояние, поэтому даже небольшое отклонение в расчете времени может создать огромную разницу в расстоянии из-за большой скорости света.

Обновление в реальном времени точного местоположения спутника.
Это делается путем мониторинга спутников из ряда широко распространенных наземных систем.
Мастер станция анализирует все измерения и передает фактическое положение каждого спутника.

Дифференциальный GPS [DGPS]

DGPS - это улучшение по сравнению с GPS, которое обеспечивает повышенную точность определения местоположения. 

Как он работает?

• Приемник GPS, также называемый базовой станцией, должен быть установлен в точно известном месте.
• Приемник базовой станции вычисляет свое местоположение на основе спутниковых сигналов и сравнивает свое местоположение с известным местоположением
• Разница между этими двумя местоположениями применяется к данным, записанным приемником GPS
• Обеспечивает точность позиционирования в диапазоне от метра до сантиметра

DGPS использует сеть фиксированных наземных станций для передачи разницы между позициями, указанными спутниковыми системами GPS, и известными фиксированными позициями. Эти станции передают разность между измеренными спутниковыми псевдодальностями и фактическими псевдодальностями, и приемные станции могут корректировать свои псевдодальности на ту же величину.