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技术历史、技术、我们身边的事物
导航系统 GPS。 发明和生产的历史
GPS（eng. Global Positioning System - 全球定位系统，读作 G.P. Es）是一种卫星导航系统，可提供距离和时间测量并确定 WGS 84 世界坐标系中的位置。它可以让您到达地球上的任何地方（不包括极地地区），几乎在任何天气以及近地空间中，都可以确定物体的位置和速度。 该系统由美国国防部开发、实施和运营，目前可供民用——您所需要的只是一个导航器或其他带有 GPS 接收器的设备（例如智能手机）。 使用该系统的基本原理是通过测量消费者的天线接收来自导航卫星的同步信号的时间点来确定位置。 为了确定三维坐标，GPS接收器需要有四个方程：“距离等于光速与消费者接收信号的时刻与其同步发射时刻之间的差值的乘积”来自卫星”：|x - a_{j}| = c(t_{j} - τ)。 这里：a_{j} - 第 {j} 个卫星的位置，t_{j} - 根据用户时钟从第 {j} 个卫星接收信号的时刻，τ - 同步信号的未知时刻所有卫星根据用户时钟发射，c为光速，x为用户未知的三维位置。
在 GPS 接收器的帮助下，不仅可以确定移动物体的位置，还可以确定其移动速度、行进距离、到预定点的距离和方向、到达时间以及与设定路线的偏差被计算。 今天已经很明显了：在新千年的第一个十年，卫星导航系统将成为陆地、空中和海洋物体定位的主要手段。 因为采用当今的技术，GPS 接收器体积小、可靠且便宜，因此普通消费者越来越容易使用它们。 首先，出现了 NAVSTAR 空间无线电导航系统（NAVSTAR）。 在美国，基于时间和距离测量的导航系统主要是为部队和军事装备的坐标时间支持而创建的。 美国第一颗导航卫星于 1978 年 1983 月发射，随后开始将卫星导航方法积极引入平民生活。 直到 747 年，该导航系统一直由军方独家使用。 然而，在一架波音 XNUMX 在鞑靼海峡上空被击落后，该系统被开放供民用。 然后，其实就出现了缩写GPS（Global Positioning System）——全球定位系统。 术语“定位”比术语“定位”更广泛。 定位除了确定坐标外，还包括确定运动物体的速度矢量。 美国政府已经花费了超过一百亿美元来创建这个系统，并继续在它的进一步发展和支持上花钱。 卫星导航系统使用发射特殊信号的卫星，而不是大地测量标志和无线电信标。 目前在轨卫星的位置是众所周知的。 卫星不断传输有关其位置的信息。 它们的距离是通过测量无线电信号从卫星传播到无线电接收器所需的时间并将其乘以电磁波的速度来确定的。 通过使用原子频率参考发生器和接收器同步卫星的时钟，可以准确测量到卫星的距离。 “要计算地球上某个地方的坐标，”V. Kuryshev 在 Radio 杂志上写道，“有必要知道到卫星的距离以及每个卫星在外层空间的位置。GPS 卫星处于高轨道（20000 km），并且可以非常准确地预测它们的坐标。美国国防部的跟踪站会定期确定轨道的最小变化，并将这些数据传输到卫星。测量到的到卫星的距离称为伪距，因为有一些其确定的不确定性。事实上，地球的电离层和对流层会导致卫星信号延迟，从而在距离计算中引入错误。还有其他错误来源 - 特别是机载计算机上的计算错误、接收器的电噪声、无线电波的多径传播。不幸的卫星在天空中的相对定位也会导致总位置误差的相应增加分配。 为了确定距离，卫星和接收器生成称为伪随机码的复杂二进制码序列。 通过比较卫星伪随机码相对于接收机相同码的延迟来确定信号传播时间。 每颗卫星都有自己的两个伪随机码。 为了区分不同卫星的测距码和信息报文，在接收机中调用相应的码。 卫星的伪随机测距码和信息消息允许在相同频率上同时从卫星传输消息，而不会相互干扰。 卫星的辐射功率和卫星信号的相互影响是微不足道的。 使用差分测量可以提高测量精度。 具有精确已知大地坐标的参考地面站计算其接收器的坐标与其实际坐标之间的差异。 校正形式的差异通过无线电信道传输给消费者，以校正接收器的读数。 这些校正消除了距离和位置测量中的大部分误差。 指标接收处的坐标计算是自动进行的，并且可以以方便的制图形式使用信息。 GPS由3个部分组成：空间部分、控制部分和用户部分。
空间部分由 24 颗卫星组成，它们位于 6 个轨道（每个轨道 20350 个）上，高度约为 28 公里。 目前有XNUMX颗卫星在运行。 “额外”卫星用于保险和更换故障卫星。 控制部分由位于地球上几个点的观测站和主控制站组成。 领导站位于科罗拉多斯普林斯的联合军事空间系统控制中心。 该中心收集和处理来自跟踪站的数据，计算和预测卫星星历以及时钟参数。 观测站监测卫星，记录所有关于它们运动的信息，这些信息被传输到主指挥站，用于轨道校正和导航信息。 用户段包括允许确定坐标、速度和时间的用户设备。 GPS信息的主要消费者是美国国防部。 GPS接收器已安装在所有作战和运输机和舰船上，以及高精度巡航导弹的制导系统和美国新型制导炸弹的制导系统中。 这意味着美军可以计划从一千公里的距离发射精确制导导弹打击，不仅针对建筑物和构筑物，而且还可以在一定的窗口内。 此外，这些打击可以从潜艇和空中进行。
俄罗斯也有类似的系统：为响应美国人创建 NAVSTAR，苏联创建了自己的全球导航卫星系统——GLONASS。 192 年 27 月 1967 日，国内第一颗导航卫星 Kosmos-1979 发射入轨，4 年创建了第一代导航系统“蝉”，其中包括 1982 颗低轨卫星。 然后，在 1996 年，新的 GLONASS 导航系统的第一颗卫星发射了。 GLONASS 卫星的数量在 XNUMX 年达到标准状态。 GLONASS 卫星位于大约 19100 公里的高度。 与 NAVSTAR 卫星不同，GLONASS 卫星分别放置在三个轨道上，每个轨道有 8 颗卫星。 卫星的轨道周期为 11 小时 15 分钟。 与 GPS 一样，GLONASS 被军事和民用用户使用。 然而，该系统的用户并不多：事实上，它自 1998 年以来就没有开发过。 卫星星座每年都在减少。 原因是平庸的，可以说是大多数国内发展的标准：国家没有钱，而且俄罗斯管理卫星导航系统使用的法律框架不允许该系统的发展以牺牲平民消费者为代价。 GLONASS 的发展前景取决于国家的立场。 他将不得不决定是否向广泛的消费者开放这个导航系统。 2000 年 1990 月，俄罗斯科学家向弗拉基米尔·普京（当时的俄罗斯代理总统）发出了一封公开信，他们在信中概述了他们对 GLONASS 发展的看法：首先，紧急取消对使用家用卫星接收器进行确定的不合理的政权限制。坐标；其次，通过一项政府法令，颁布国内通用地球大地坐标系统“90 年地球参数”（PZ-XNUMX）和 GLONASS 卫星导航系统，以便在俄罗斯和国际社会各国广泛使用……”到目前为止，总统还没有做出任何决定。 与俄罗斯系统不同，GPS 一直在向对民用用户开放的方向发展。 在 1 年 2000 月 5 日之前，GPS 访问对他们来说是选择性的，这将定位精度降低到数百米。 同时，军队的精度为20-1米。 然而，10 月 XNUMX 日，克林顿总统宣布结束民用用户 GPS 信号精度的下降。 “这将意味着民用 GPS 用户的定位精度将是目前可用的 XNUMX 倍，”他说。 美国政府为什么需要这个，它会给导航系统带来什么？ 自己判断：根据美国总统的新闻服务，2000 年全球有超过 4 万 GPS 用户，到 2003 年，这种导航系统的市场将翻一番——从 8 到 16 亿美元。 有必要解释一下，有了这笔钱，系统不仅可以维护，还可以开发？ 美国已经计划将另外 18 颗卫星送入轨道，以提高 GPS 性能。 俄罗斯对导航系统开放的标准反对意见一直是安全利益。 军方担心，如果每个人都可以使用导航系统，它可能会被外部和内部的敌人用来对付国家。 然而，这种解释是相当软弱的：美国通过向所有人提供 GPS 并没有损害其自身的安全，保留了信号“区域精度降低”的权利。 实际上，这意味着如果与特定国家发生冲突，美军将能够降低敌人使用的 GPS 接收器的准确性，或者完全关闭它们。 所以，虽然一切都很平静 - 您可以从 GPS 用户那里收到钱。 一旦出现问题，它们可以被关闭。 今天，甚至列出这个导航系统的所有应用领域都不容易。 正如 Oleg Tatarnikov 在 Computer-Press 杂志中指出的那样：“GPS 接收器内置于汽车、手机甚至手表中！游客使用袖珍接收器来绘制路线并清晰地导航它们。猎人和渔民标记珍贵的狩猎和捕鱼地点的坐标，和自动旅游者交换指示加油站的路线。 没有什么能阻止 GPS 的胜利前进。 接收器的尺寸正在迅速缩小并且变得越来越便宜，如今已经可以以不到 50 美元的价格购买到火柴盒大小的设备； 导航芯片内置在手表和手机中，成为汽车警报器的组成部分，警报器本身会通知警方被盗汽车的位置。 与尚未得到广泛应用的无线电信号系统不同，这种系统不需要特殊的测向站网络——这里使用的是传统的移动通信。 此外，驾驶员可以通过按下一个按钮来发出抢劫或事故的信号。 另一个按钮叫“救护车”。 在不久的将来，整个“路线包”有望出现在汽车电子市场上——一个成熟的车载导航系统，带有俄罗斯城市和地区的电子地图...... ...GPS 接收器用于解决各种各样的问题：地质学家实时监测地壳区域的细微运动，救援人员识别灾难地点，动物学家制作带有便携式指示器的项圈和无线电发射器来研究动物迁徙，军方制造寻的导弹和炸弹，去年美国国家地理学会的一次探险测量珠穆朗玛峰的高度精确到厘米。”
杂志“Computerra”发表了有关为植入人体设计的 GPS 芯片公司之一发布的消息！ 正如经常发生的那样，导航系统具有许多其他有用的功能。 例如，借助该系统，可以确定所需的超精确时间，例如，在科学实验中，测量步行或跑步时的速度以及所经过的距离。 GPS 显示汽车的最大和平均速度，特别是在它的帮助下，您可以检查速度表和里程表读数的正确性。 不用说，这个系统的导航大大简化了。 结果，在专业的“导航员”中，有一整代不知道如何使用经典导航设备的专家。 作者：Musskiy S.A.
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