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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Sistema di navigazione GPS. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano GPS (sistema di posizionamento globale inglese - sistema di posizionamento globale, leggi GPS) - un sistema di navigazione satellitare che fornisce la determinazione della distanza, del tempo e della posizione nel sistema di coordinate mondiali WGS 84. Consente ovunque sulla Terra (escluse le regioni circumpolari), quasi in qualsiasi il tempo, così come nello spazio vicino alla Terra, determina la posizione e la velocità degli oggetti. Il sistema è stato sviluppato, implementato e gestito dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti ed è attualmente disponibile per scopi civili: tutto ciò che serve è un navigatore o un altro dispositivo (ad esempio uno smartphone) con un ricevitore GPS. Il principio di base dell'utilizzo del sistema è determinare la posizione misurando gli istanti nel tempo in cui un segnale sincronizzato viene ricevuto dai satelliti di navigazione dall'antenna del consumatore. Per determinare le coordinate tridimensionali, un ricevitore GPS deve avere quattro equazioni: “la distanza è uguale al prodotto della velocità della luce e la differenza tra i momenti di ricezione del segnale da parte del consumatore e il momento della sua radiazione sincrona dai satelliti ”: |x - a_{j}| = c(t_{j} - \tau). Qui: a_{j} è la posizione del {j}esimo satellite, t_{j} è l'istante di tempo di ricezione del segnale dal {j}esimo satellite secondo l'orologio del consumatore, \tau è l'istante di tempo sconosciuto di emissione sincrona del segnale da parte di tutti i satelliti secondo l'orologio del consumatore, c è la velocità della luce, x è la posizione tridimensionale sconosciuta del consumatore.
Con l'aiuto di un ricevitore GPS, non solo viene determinata la posizione di un oggetto in movimento, ma anche la velocità del suo movimento, la distanza percorsa, la distanza e la direzione del punto previsto, l'ora di arrivo e le deviazioni dalla rotta impostata sono calcolati. Oggi è già ovvio: nel primo decennio del nuovo millennio, i sistemi di navigazione satellitare diventeranno il principale mezzo di posizionamento di oggetti terrestri, aerei e marittimi. Perché con la tecnologia odierna, i ricevitori GPS sono piccoli, affidabili ed economici, quindi stanno diventando più accessibili al consumatore medio. In primo luogo, è apparso il NAVSTAR Space Radio Navigation System (NAVSTAR). Il sistema di navigazione basato sulle misurazioni del tempo e della portata negli Stati Uniti è stato creato principalmente per il supporto del tempo di coordinate delle truppe e dell'equipaggiamento militare. Il primo satellite di navigazione americano è stato lanciato nel febbraio 1978 e l'introduzione attiva dei metodi di navigazione satellitare nella vita civile è iniziata in seguito. Fino al 1983 il sistema di navigazione era utilizzato esclusivamente dai militari. Tuttavia, dopo che un Boeing 747 è stato abbattuto nello stretto di Tatar, il sistema è stato aperto per uso civile. Poi, infatti, è apparsa la sigla GPS (Global Positioning System) - Global Positioning System. Il termine "posizionamento" è più ampio del termine "localizzazione". Il posizionamento, oltre a determinare le coordinate, include anche la determinazione del vettore di velocità di un oggetto in movimento. Il governo degli Stati Uniti ha speso più di dieci miliardi di dollari per la creazione di questo sistema e continua a spendere soldi per il suo ulteriore sviluppo e supporto. Il sistema di navigazione satellitare utilizza satelliti che emettono segnali speciali invece di segnali geodetici e radiofari. L'attuale posizione dei satelliti in orbita è ben nota. I satelliti trasmettono costantemente informazioni sulla loro posizione. La loro distanza è determinata misurando il tempo impiegato da un segnale radio per viaggiare da un satellite a un ricevitore radio e moltiplicandolo per la velocità dell'onda elettromagnetica. Sincronizzando gli orologi dei satelliti utilizzando generatori di riferimento di frequenza atomici e ricevitori, si ottiene una misurazione accurata delle distanze dai satelliti. "Per calcolare le coordinate di un luogo sulla Terra", scrive V. Kuryshev sulla rivista Radio, "è necessario conoscere le distanze dei satelliti e la posizione di ciascuno di essi nello spazio esterno. I satelliti GPS sono in orbita alta (20000 km), e le loro coordinate possono essere previste con grande precisione. Le stazioni di rilevamento del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti determinano regolarmente anche i più piccoli cambiamenti nelle orbite e questi dati vengono trasmessi ai satelliti. Le distanze misurate dai satelliti sono chiamate pseudorange, poiché ci sono alcune incertezza nella loro determinazione.Il fatto è che la ionosfera e la troposfera terrestre causano ritardi nei segnali satellitari, introducendo un errore nel calcolo della distanza.Esistono altre fonti di errore - in particolare, errori di calcolo a bordo dei computer, rumore elettrico dei ricevitori, propagazione multipath delle onde radio. Lo sfortunato posizionamento relativo dei satelliti nel cielo può anche portare a un corrispondente aumento dell'errore di posizione totale divisione. Per determinare le distanze, satelliti e ricevitori generano complesse sequenze di codici binari chiamati codici pseudo-casuali. La determinazione del tempo di propagazione del segnale viene effettuata confrontando il ritardo del codice pseudocasuale del satellite rispetto allo stesso codice del ricevitore. Ogni satellite ha i suoi due codici pseudo-casuali. Per distinguere i codici di distanza e i messaggi informativi dei diversi satelliti, nel ricevitore vengono richiamati i codici corrispondenti. Codici pseudocasuali e messaggi informativi satellitari consentono la trasmissione simultanea di messaggi dai satelliti, sulla stessa frequenza, senza interferenze reciproche. La potenza di radiazione dei satelliti e l'influenza reciproca dei segnali provenienti dai satelliti è insignificante. La precisione della misurazione può essere migliorata utilizzando misurazioni differenziali. Una stazione terrestre di riferimento con coordinate geodetiche esattamente note calcola la differenza tra le coordinate dal suo ricevitore e le sue coordinate effettive. La differenza sotto forma di correzione viene trasmessa ai consumatori tramite canali radio per correggere le letture dei ricevitori. Queste correzioni eliminano una parte significativa degli errori nelle misurazioni della distanza e della posizione. Il calcolo delle coordinate nella ricezione dell'indicatore avviene in automatico ed è possibile utilizzare le informazioni in una comoda forma cartografica. Il GPS è composto da 3 segmenti: segmento spaziale, segmento di controllo e segmento utente.
Il segmento spaziale è composto da 24 satelliti, che sono in 6 orbite (quattro ciascuna) ad un'altitudine di circa 20350 chilometri. Ci sono attualmente 28 satelliti in funzione. I satelliti "Extra" vengono utilizzati per l'assicurazione e la sostituzione dei satelliti guasti. Il segmento di controllo è costituito da stazioni di osservazione situate in diversi punti del globo e dalla stazione di controllo principale. La stazione principale si trova presso il Joint Military Space Systems Control Center a Colorado Springs. Il centro raccoglie ed elabora i dati dalle stazioni di rilevamento, calcola e prevede le effemeridi satellitari, nonché i parametri dell'orologio. Le stazioni di osservazione monitorano i satelliti, registrando tutte le informazioni sul loro movimento, che vengono trasmesse alla stazione di comando principale per la correzione dell'orbita e le informazioni di navigazione. Il segmento utente include apparecchiature utente che consentono di determinare coordinate, velocità e tempo. Il principale consumatore di informazioni GPS è il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. I ricevitori GPS sono stati introdotti su tutti gli aerei e le navi da combattimento e da trasporto, nonché nei sistemi di guida dei missili da crociera ad alta precisione e nei sistemi di guida delle nuove bombe guidate statunitensi. Ciò significa che le forze armate statunitensi possono pianificare di lanciare missili a guida di precisione da una distanza di mille chilometri, non solo contro edifici e strutture, ma anche all'interno di una certa finestra. Inoltre, questi attacchi possono essere consegnati da sottomarini e dall'aria.
Esiste un sistema simile in Russia: in risposta alla creazione di NAVSTAR da parte degli americani, l'URSS ha creato il proprio sistema satellitare di navigazione globale - GLONASS. Il primo satellite di navigazione domestico Kosmos-192 fu lanciato in orbita il 27 novembre 1967 e nel 1979 fu creato il sistema di navigazione di prima generazione Cicada, che comprendeva 4 satelliti a bassa orbita. Poi, nel 1982, furono lanciati i primi satelliti del nuovo sistema di navigazione GLONASS. Il numero di satelliti GLONASS è stato portato allo stato standard nel 1996. I satelliti GLONASS si trovano ad un'altitudine di circa 19100 chilometri. A differenza dei satelliti NAVSTAR, i satelliti GLONASS sono posizionati su tre orbite, rispettivamente di 8 satelliti ciascuna. Il periodo orbitale dei satelliti è di 11 ore e 15 minuti. Come il GPS, GLONASS è utilizzato sia da utenti militari che civili. Tuttavia, gli utenti del sistema non sono molti: infatti, non è stato sviluppato dal 1998. Ogni anno la costellazione dei satelliti diminuisce. Il motivo è banale e, si potrebbe dire, standard per la maggior parte degli sviluppi interni: lo stato non ha soldi e il quadro giuridico che regola l'uso dei sistemi di navigazione satellitare in Russia non consente al sistema di svilupparsi a spese dei consumatori civili. Le prospettive per lo sviluppo di GLONASS dipendono dalla posizione dello stato. Dovrà decidere se aprire o meno questo sistema di navigazione a una vasta gamma di consumatori. Nel febbraio 2000, scienziati russi hanno inviato una lettera aperta a Vladimir Putin (allora presidente ad interim della Russia) in cui hanno delineato la loro versione dello sviluppo di GLONASS: in primo luogo, per rimuovere urgentemente le restrizioni ingiustificate del regime sull'uso dei ricevitori satellitari domestici per determinare coordinate; in secondo luogo, con decreto governativo, di decretare il sistema di coordinate geodetiche nazionali per tutti i terreni "Parametri terrestri del 1990" (PZ-90) e il sistema di navigazione satellitare GLONASS per un uso di massa in tutta la Russia e nei paesi della comunità mondiale.. Finora, il presidente non ha preso alcuna decisione. A differenza del sistema russo, il GPS si è costantemente evoluto per essere aperto agli utenti civili. Prima del 1 maggio 2000, l'accesso GPS era selettivo per loro, il che degradava la precisione della posizione a centinaia di metri. Allo stesso tempo, la precisione per i militari era di 5-20 metri. Tuttavia, il 1 maggio, il presidente Clinton ha annunciato la fine del declino della precisione del segnale GPS per gli utenti civili. "Ciò significherà che gli utenti GPS civili saranno in grado di individuare 10 volte più accuratamente di quanto non facciano attualmente", ha affermato. Perché il governo degli Stati Uniti ha bisogno di questo e cosa darà al sistema di navigazione? Giudicate voi stessi: secondo il servizio stampa del Presidente degli Stati Uniti, nel 2000 c'erano più di 4 milioni di utenti GPS in tutto il mondo e entro il 2003 il mercato di questo sistema di navigazione raddoppierà, da 8 a 16 miliardi di dollari. È necessario spiegare che con questi soldi il sistema non solo può essere mantenuto, ma anche sviluppato? Gli Stati Uniti stanno già pianificando di mettere in orbita altri 18 satelliti per migliorare le prestazioni del GPS. L'obiezione standard all'apertura dei sistemi di navigazione in Russia è sempre stata l'interesse per la sicurezza. I militari temevano che se il sistema di navigazione fosse stato messo a disposizione di tutti, potesse essere utilizzato da nemici esterni e interni contro lo Stato. Questa spiegazione è però piuttosto debole: gli Stati Uniti, mettendo a disposizione di tutti il GPS, non hanno minimamente leso la propria sicurezza, riservandosi il diritto alla “diminuzione regionale della precisione” del segnale. In pratica, ciò significa che in caso di conflitto con un determinato Paese, le forze armate statunitensi potranno degradare la precisione dei ricevitori GPS utilizzati dal nemico, oppure spegnerli del tutto. Quindi, mentre tutto è tranquillo, puoi ricevere denaro dagli utenti GPS. Non appena sorgono problemi, possono essere disattivati. Oggi non è facile nemmeno elencare tutti i campi di applicazione di questo sistema di navigazione. Come osserva Oleg Tatarnikov nella rivista Computer-Press: "I ricevitori GPS sono integrati in auto, telefoni cellulari e persino orologi da polso! I turisti usano ricevitori tascabili per tracciare percorsi e navigarli in modo chiaro. Cacciatori e pescatori segnano le coordinate di preziosi luoghi di caccia e pesca , e gli autoturisti si scambiano percorsi che indicano le stazioni di servizio. Niente fermerà la marcia vittoriosa del GPS. I ricevitori si stanno rapidamente riducendo di dimensioni e diventando più economici, un dispositivo delle dimensioni di una scatola di fiammiferi può già essere acquistato oggi per meno di $ 50; i chip di navigazione sono integrati negli orologi e nei telefoni cellulari e diventano parte integrante degli allarmi per auto, che a loro volta informano la polizia della posizione di un'auto rubata. A differenza dei sistemi di segnalazione radio che non hanno ricevuto un'ampia applicazione, un tale sistema non richiede una rete speciale di stazioni di rilevamento della direzione: qui vengono utilizzate le comunicazioni mobili convenzionali. Inoltre, il conducente può, premendo un pulsante, segnalare una rapina o un incidente. Un altro pulsante chiama un'ambulanza. Nel prossimo futuro, sul mercato dell'elettronica per auto dovrebbe apparire un intero "pacchetto di percorsi": un vero e proprio sistema di navigazione di bordo con mappe elettroniche di città e regioni russe ... ...i ricevitori GPS vengono utilizzati per risolvere un'ampia varietà di problemi: i geologi monitorano in tempo reale i sottili movimenti di aree della crosta terrestre, i soccorritori determinano i luoghi dei disastri, gli zoologi realizzano collari con indicatori portatili e trasmettitori radio per studiare la migrazione degli animali , l'esercito costruisce missili e bombe, e l'anno scorso una spedizione della National Geographic Society degli Stati Uniti ha misurato l'altezza dell'Everest con una precisione centimetrica".
Nella rivista "Computerra" c'era un messaggio sul rilascio di una delle aziende di chip GPS progettati per l'impianto nel corpo umano! Come spesso accade, il sistema di navigazione si è rivelato avere molte altre utili funzioni aggiuntive. Con l'aiuto del sistema è possibile, ad esempio, determinare il tempo ultra preciso necessario, ad esempio, in esperimenti scientifici, per misurare la velocità sviluppata camminando o correndo, e la distanza percorsa. Il GPS mostra la velocità massima e media dell'auto e con il suo aiuto, in particolare, è possibile verificare la correttezza delle letture del tachimetro e del contachilometri. Inutile dire che la navigazione con questo sistema è notevolmente semplificata. Di conseguenza, tra i "navigatori" professionisti c'è un'intera generazione di specialisti che non sanno come lavorare con i dispositivi di navigazione classici. Autore: Musskiy SA
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