GPS——一切都那么简单可靠吗？方案、说明

GPS——一切都这么简单可靠吗？无线电电子电气工程百科全书

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GPS的英文翻译是全球定位系统。美国卫星无线电导航系统GPS旨在为美国武装部队各军种和民用用户提供全球范围内的高精度导航支持。美国政府已花费超过 10 亿美元创建该系统，并将继续为其进一步开发和支持投入资金。

该系统的开发始于70世纪1978年代。 1983年，第一颗卫星发射升空。 1991年，该系统开放给民用，并于XNUMX年取消了对俄罗斯接收设备销售的限制。俄罗斯船舶开始积极配备GPS接收器。

新千年的头十年，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。凭借现代集成电路技术，GPS和GLONASS接收器体积小、可靠且便宜，因此游客、汽车爱好者甚至蘑菇采摘者都将能够购买它们。连接到寻呼机的接收器可以告诉您您的孩子当前在哪里行走，或者您的汽车在哪里。而且将以高精度完成。在接收器的帮助下，不仅可以确定移动物体的位置，还可以计算其移动速度、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。

显然，回顾一下卫星导航系统的工作原理是很有用的。为了准确确定它们在地面上的位置，他们传统上使用大地测量标志或大地测量地标或天文物体（太阳、星星）。在无线电导航系统中，这种大地测量标记是无线电信标，其位置是众所周知的。

卫星导航系统的工作原理类似，但使用的是发射特殊信号的卫星，而不是测地线标志和无线电信标。卫星当前在轨道上的位置是众所周知的。与大地测量标志不同，它们是移动的，绕地球公转的周期为 12 小时。卫星本身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。卫星时钟（使用原子参考频率发生器）和接收器的同步可以精确测量到卫星的距离。

要计算地球上某个地点的坐标，您需要知道到卫星的距离以及每个卫星在外太空的位置。 GPS 卫星位于高轨道（20 公里），坐标为。可以非常准确地预测。美国国防部跟踪站定期检测轨道的最小变化，并将这些数据传输到卫星。测量到的卫星距离称为伪距，因为其确定存在一些不确定性。事情是。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误差。还有其他误差源，特别是机载计算机的计算误差、接收器的电噪声以及无线电波的多径传播。卫星在天空中的不幸相对位置也会导致总定位误差相应增加。

为了确定距离，卫星和接收器生成复杂的二进制代码序列，称为伪随机代码。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代码和信息消息，接收机选择相应的代码。伪随机测距码和卫星信息消息允许所有卫星以相同频率同时传输消息，而不会相互干扰。卫星的辐射功率较低，卫星信号的相互影响可以忽略不计。

通过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地面参考站可以计算其接收器位置与其实际位置之间的差异。修正形式的差异通过无线电信道传输给消费者以修正接收器的读数。这些校正消除了距离和位置测量中的很大一部分误差。接收器中的坐标计算是自动执行的，并以方便的制图形式提供给用户。

全球 GPS 系统包括三个部分。第一个是空间，包括 24 个 IC3。在六个轨道上旋转，每个轨道四颗卫星，高度为 20 公里。第二个是地面控制站，由一系列地面控制站、控制和数据输入组成，用于纠正卫星导航信息。主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。监测站不断测量卫星星历参数，并通过发射站将修正信息传输给卫星，再传输给消费者。第三部分包括用户设备：卫星信号接收器，它确定并呈现所有所需的导航数据。

GPS信息的主要消费者是美国国防部。 GPS接收器已被引入到所有作战和运输飞机和舰艇上，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1000公里的距离进行精确制导导弹打击，不仅针对建筑物和构筑物，甚至可以达到击中某个窗户的精度。此外，这些打击可以从潜艇和空中进行。

GPS接收器的主要优点。以上所列。 - 可靠性、易于维护、全天候定位能力并符合国际标准。然而，并非所有事情都像乍一看那样简单易懂。

表征导航系统的主要参数是定位精度。正如已经提到的，自1983年以来，GPS系统已向民用开放，但我们将澄清，但不完全。对于专业民用GPS接收器，通常价格在5000美元以下，只有C/A模式可用，即卫星以1575,42 MHz（L1）频率发射的所谓自由接入信号，提供100 m以内的定位精度。事实上，错误率可达300 m。美国政府保留随时通过开启所谓选择性接入模式来降低可用C/A信号精度的权利。换句话说，故意造成卫星时钟的显着偏移，并改变伪随机C/A码的参数，这故意将失真引入到有关卫星当前位置的信息中。所有这些都会导致严重的定位误差，事实上，导致无法使用 GPS 系统进行精确导航，从而为事故甚至灾难的发生创造了先决条件。

问题是，这种故意扭曲数据的行为涉及民用 GPS 信号的所有消费者。同时，选择性接入的引入为军事用户提供了正常操作所需的GPS接收器指标和必要的高精度。为此，卫星在第二个频率 - 1227,6 MHz (L2) - 上发射军用 PY 代码，该代码可提供高精度，但民用接收器无法使用。能够访问军事代码的接收器指示器的成本平均为 50 美元。但是，美国军方也预见到了这样的情况：能够访问 PY 军事代码的接收器指示器可能会接触到敌视美国的用户。为了防止这种情况，引入了RY码加密模式，这将使得未经授权的用户无法导航。

由于频率 L1 和 L2 信号到达时间的比较，访问军事代码时的定位精度也得到提高。仅在一个频率上接收代码 C/A 的信号不会提供这样的机会。卫星导航系统的特殊性在于。当个别卫星发生故障时，其所有特性都会逐渐恶化。然后，周期性地出现一些区域和大面积的测量精度变得低于可接受的水平，这可能导致严重的事件。 GPS 系统的许多故障只能由地面站综合体检测到。用户会延迟 15 分钟到 4 小时收到此通知。此类事件大约每四个月发生一次。通常，俄罗斯 GPS 用户被剥夺了及时接收此类故障信息的机会。对GPS系统的特性进行更详细的研究发现，其用于计算的WGS-84地心坐标系主要面向西方消费者。

在俄罗斯，为了精确测绘，创建了自己的坐标系PZ-90。这与 WGS-84 不同。因为它们基于地球椭球体的不同模型。因此，地面上某一点的相同大地纬度和经度可能会有所不同。换句话说，当使用 GPS 接收器确定俄罗斯地图上的地点时，由于坐标系的差异，额外的误差是不可避免的。

不幸的是，在现代世界，经济和信息对抗已成为一种正常现象。同时，在新的经济条件下，当许多美国商品和服务涌入市场时，我们的消费者也有机会使用GPS系统的服务。美国人赶紧在所有可能的使用情况下“监视”他们的产品，不管你喜欢与否，但是当航行时，比如说在北美水域和美国盟友的地区，请使用GPS系统。该系统的船舶接收器的拥有者可以在世界任何地方、任何时间成为美军的人质。此外，即使借助GPS在俄罗斯近海航行，也可能因地心坐标系不匹配而搁浅。

对情况的详细研究表明，GPS系统的准确性（尤其是在北美）是基于对美国各个城市和地点的大量修正。通常，这些信息会预先输入到 GPS 接收器的电子存储器中。对于俄罗斯境内，这些接收器中没有此类更正。

综上所述，俄罗斯仅使用GPS系统会侵犯其国家安全利益。

自1982年以来，我国开始着手建立国产全球导航卫星系统——GLONASS，其运行原理与GPS大致相同，并提供了民用的可能性。该系统早在1993年1995月就正式投入运行，并于84年与全套卫星一起部署。俄罗斯格洛纳斯系统的主要特点是在民用应用模式下实现了定位精度。接近使用军用 PY 代码的 GPS 接收器提供的精度。此外，GLONASS 接收器在 GPS WGS-90 坐标系和俄罗斯 PZ-1996 坐标系中运行。 XNUMX年，俄罗斯联邦政府提供了GLONASS系统作为世界导航系统的组成部分之一。

俄罗斯工厂已经生产了多款GLONASS导航设备：“Breeze”、“Reper”。 “船长”、“侏儒-M”、“领袖”、“歌利亚”。而且，这些接收器指示器是 GLOHACC / GPS 的组合版本。俄罗斯此类设备的市场才刚刚开始形成。考虑到 GPS 系统的显着特点，国产设备可以与近 1996 家向俄罗斯市场提供各种 GPS 接收器指标的外国公司进行激烈竞争。此外，国际海事组织（IMO）于XNUMX年批准GLONASS和GPS仅作为全球无线电导航系统的组成部分，并建议以组合模式使用它们。国内接收器。通常，它们组合在这两个系统中并具有差分模式，因此与非对准的外国制造的 GPS 接收器相比，它们具有优势。

俄罗斯用户在购买进口设备前应认真权衡利弊。例如，我们介绍了莫斯科“Korund”设计局的组合导航接收机 GLOHACC/GPS 的典型特征。

接收器指示器设计用于同时接收来自 14 颗卫星的 GLONASS 和 GPS 系统（C/A 代码）信号。位置均方根误差为 10 m，高度为 15 m，GLONASS 卫星的有利位置（对于 GPS 接收器，分别为 30 m 和 60 m）。差分模式确定坐标的精度为1 ... 3 m，高度为1,5 ... 4 m，测量速度的误差为0,1 m/s。

使用坐标系 PZ-90、SK-95、SK-42、WGS-84。有一个RS-232接口用于与控制系统通信和信息处理。尺寸 - 180x195x70 毫米，重量 - 一到两公斤。

全球卫星系统组合接收指示器的俄罗斯制造商与生产类似用途设备的外国公司展开了一场艰难的市场斗争。我们完全有理由希望国内专家研制的产品能够与国外接收机指标相媲美。

作者：V. Kuryshev，摩尔曼斯克州北莫尔斯克。

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