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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA GPS: è tutto così semplice e affidabile? Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Radiocomunicazioni civili Il GPS tradotto dall'inglese è un sistema di posizionamento globale. Il sistema di radionavigazione satellitare americano GPS è progettato per supportare la navigazione ad alta precisione su scala globale per tutti i rami delle forze armate statunitensi e per gli utenti civili. Il governo degli Stati Uniti ha speso più di 10 miliardi di dollari per la creazione di questo sistema e continua a spendere soldi per il suo ulteriore sviluppo e sostegno. Lo sviluppo del sistema è iniziato negli anni '70. Nel 1978 furono lanciati i primi satelliti. Nel 1983 il sistema fu aperto all'uso civile e nel 1991 furono abolite le restrizioni sulla vendita di apparecchiature riceventi in Russia. Le navi e le navi russe hanno iniziato ad essere attivamente equipaggiate con ricevitori GPS. Nel primo decennio del nuovo millennio, i sistemi di navigazione satellitare diventeranno il mezzo principale per posizionare oggetti terrestri, aerei e marini. Con la moderna tecnologia dei circuiti integrati, i ricevitori GPS e GLONASS sono piccoli, affidabili ed economici, quindi col tempo potranno essere acquistati da turisti, appassionati di auto e persino raccoglitori di funghi. Il ricevitore collegato al cercapersone può dirti dove sta camminando tuo figlio o dove, ad esempio, si trova la tua macchina. Inoltre, ciò verrà fatto con alta precisione. Con l'aiuto del ricevitore, non viene determinata solo la posizione di un oggetto in movimento, ma anche la velocità del suo movimento, la distanza percorsa, la distanza e la direzione fino al punto previsto, l'ora di arrivo e le deviazioni dalla rotta indicata. calcolato. Apparentemente è utile richiamare i principi di funzionamento di un sistema di navigazione satellitare. Per determinare con precisione la loro posizione sul terreno, utilizzano tradizionalmente segni geodetici o punti di riferimento geodetici o oggetti astronomici (il Sole, le stelle). Nei sistemi di radionavigazione tali segni geodetici sono radiofari, la cui posizione è ben nota. Un sistema di navigazione satellitare funziona in modo simile, dove al posto dei segnali geodetici e dei radiofari vengono utilizzati satelliti che emettono segnali speciali. L’attuale posizione dei satelliti in orbita è ben nota. A differenza dei segni geodetici, sono mobili, il loro periodo di rivoluzione attorno alla Terra è di 12 ore e i satelliti stessi trasmettono informazioni sulla loro posizione. La loro distanza viene determinata misurando il tempo impiegato da un segnale radio per viaggiare dal satellite al ricevitore radio e moltiplicandolo per la velocità di propagazione dell'onda elettromagnetica. La sincronizzazione degli orologi dei satelliti (che utilizzano oscillatori di riferimento della frequenza atomica) e dei ricevitori fornisce misurazioni accurate delle distanze dai satelliti. Per calcolare le coordinate di un luogo sulla Terra, è necessario conoscere le distanze dei satelliti e la posizione di ciascuno di essi nello spazio. I satelliti GPS sono in orbite alte (20 km) e le loro coordinate sono . può essere previsto con grande precisione. Le stazioni di localizzazione del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti rilevano regolarmente anche i più piccoli cambiamenti nelle orbite e questi dati vengono trasmessi ai satelliti. Le distanze misurate dai satelliti sono chiamate pseudointervalli, poiché c'è qualche incertezza nella loro determinazione. La cosa è. che la ionosfera e la troposfera terrestre causano ritardi nei segnali satellitari, introducendo errori nei calcoli delle distanze. Esistono altre fonti di errori, in particolare errori di calcolo nei computer di bordo, rumore elettrico nei ricevitori e propagazione multipercorso delle onde radio. Una posizione relativa infruttuosa dei satelliti nel cielo può anche portare ad un corrispondente aumento dell'errore di posizionamento totale. Per determinare le distanze, i satelliti e i ricevitori generano complesse sequenze di codici binari chiamate codici pseudocasuali. Il tempo di propagazione del segnale viene determinato confrontando il ritardo del codice pseudo-casuale del satellite rispetto allo stesso codice del ricevitore. Ogni satellite ha i propri due codici pseudo-casuali. Per distinguere tra codici di portata e messaggi informativi provenienti da diversi satelliti, nel ricevitore vengono selezionati i codici appropriati. I codici pseudocasuali e i messaggi informativi satellitari consentono la trasmissione simultanea dei messaggi provenienti da tutti i satelliti, sulla stessa frequenza, senza interferenze reciproche. La potenza di radiazione dei satelliti è bassa e l'interferenza 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 note con precisione calcola la differenza tra le coordinate del suo ricevitore e le sue coordinate effettive. La differenza sotto forma di correzione viene trasmessa ai consumatori tramite canali radio per correggere le letture del ricevitore. Queste correzioni eliminano una parte significativa degli errori nelle misurazioni della distanza e della posizione. Il calcolo delle coordinate negli indicatori del ricevitore viene eseguito automaticamente e viene fornito all'utente in una comoda forma cartografica. Il sistema GPS globale comprende tre segmenti. Il primo, lo spazio, comprende 24 IS3. ruotante su sei orbite, ciascuna con quattro satelliti, ad un'altitudine di 20 km. Il secondo, a terra, è costituito da un complesso di stazioni di controllo a terra, di controllo e di immissione dati per la correzione delle informazioni di navigazione satellitare. La stazione principale si trova presso il centro di controllo congiunto dei sistemi spaziali militari a Colorado Springs. Le stazioni di monitoraggio misurano costantemente i parametri delle effemeridi satellitari e, attraverso le stazioni trasmittenti, trasmettono informazioni correttive ai satelliti per la trasmissione ai consumatori. Il terzo segmento comprende le apparecchiature utente: ricevitori di segnali satellitari, che vengono utilizzati per determinare e presentare tutti i dati di navigazione richiesti. Il principale consumatore di informazioni GPS è il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. I ricevitori del sistema GPS sono installati 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 l’esercito americano può pianificare il lancio di attacchi missilistici di precisione da una distanza di 1000 km non solo contro edifici e strutture, ma anche con precisione entro una certa finestra. Inoltre, questi attacchi possono essere sferrati dai sottomarini e dall’aria. I principali vantaggi degli indicatori del ricevitore GPS. elencati sopra. - affidabilità, facilità di manutenzione, capacità di localizzazione XNUMX ore su XNUMX e conformità agli standard internazionali. Tuttavia, non tutto è così semplice e accessibile come sembra a prima vista. Il parametro principale che caratterizza il sistema di navigazione è la precisione della posizione. Dal 1983, come già accennato, il sistema GPS è aperto all'uso civile, ma, chiariamolo, non del tutto. Per i ricevitori GPS civili professionali, che in genere costano fino a 5000 dollari, è disponibile solo la modalità C/A, il cosiddetto segnale di libero accesso emesso dai satelliti alla frequenza di 1575,42 MHz (L1), che fornisce una precisione di posizionamento entro 100 m. infatti, l'entità degli errori può raggiungere i 300 m.La direzione statunitense si riserva il diritto di ridurre la precisione dei segnali C/A disponibili in qualsiasi momento abilitando la cosiddetta modalità di accesso selettivo. In altre parole, viene deliberatamente creata una deriva significativa dell'orologio satellitare e vengono modificati i parametri del codice pseudo-casuale C/A, introducendo così deliberatamente distorsioni nelle informazioni sulla posizione attuale del satellite. Tutto ciò porta a errori significativi nella determinazione della posizione e essenzialmente all’impossibilità di una navigazione precisa utilizzando il sistema GPS, il che crea i presupposti per incidenti e persino catastrofi. Il fatto è che una tale distorsione deliberata dei dati riguarda tutti i consumatori del segnale GPS civile. Allo stesso tempo, l'introduzione dell'accesso selettivo fornisce agli utenti militari indicatori del ricevitore GPS con funzionamento normale e l'elevata precisione necessaria. Per raggiungere questo obiettivo, i satelliti su una seconda frequenza - 1227,6 MHz (L2) - emettono un codice PY militare che fornisce un'elevata precisione, ma non è disponibile per i ricevitori civili. Il costo dei ricevitori con accesso al codice militare ammonta in media a 50 dollari, ma anche in questo caso l'esercito statunitense ha previsto il caso in cui i ricevitori con accesso al codice militare PY potrebbero finire nelle mani di utenti ostili agli Stati Uniti. Per evitare ciò, viene introdotta la modalità di crittografia del codice RY, che renderà impossibile la navigazione agli utenti non autorizzati. Anche la precisione del posizionamento quando si accede al codice militare viene aumentata confrontando i tempi di arrivo dei segnali alle frequenze L1 e L2. La ricezione di segnali con il codice C/A su una sola frequenza non offre questa opportunità. La particolarità dei sistemi di navigazione satellitare è che... che quando i singoli satelliti falliscono, tutte le sue caratteristiche si deteriorano gradualmente. Quindi, periodicamente compaiono zone e vaste aree in cui la precisione della misurazione scende al di sotto dell'accettabile, il che può portare a incidenti gravi. Molti guasti nel sistema GPS vengono rilevati solo dal complesso della stazione di terra. Gli utenti vengono avvisati con un ritardo compreso tra 15 minuti e 4 ore e un evento del genere si verifica circa una volta ogni quattro mesi. Gli utenti GPS russi, di norma, non sono in grado di ricevere informazioni tempestive su tali guasti. Da uno studio più dettagliato delle caratteristiche del sistema GPS è emerso che il sistema di coordinate geocentriche WGS-84 utilizzato per i calcoli è rivolto principalmente ai consumatori occidentali. La Russia ha creato il proprio sistema di coordinate PZ-90 per una mappatura accurata. che non è la stessa cosa di WGS-84. poiché si basano su diversi modelli dell'ellissoide terrestre. Di conseguenza, le stesse latitudini e longitudini geodetiche di un punto sul terreno possono differire. In altre parole, quando si determina la posizione sulla mappa russa utilizzando i ricevitori GPS, sono inevitabili ulteriori errori a causa delle differenze nei sistemi di coordinate. Sfortunatamente, nel mondo moderno, la guerra economica e informatica è diventata un fenomeno normale. Allo stesso tempo, nelle nuove condizioni economiche, quando molti beni e servizi americani si sono riversati sul mercato, i nostri consumatori hanno avuto l'opportunità di utilizzare i servizi del sistema GPS. Gli americani si sono affrettati a "monitorare" il loro prodotto in tutti i possibili casi di utilizzo: che ti piaccia o no, quando navighi, ad esempio, nelle acque nordamericane e nelle regioni degli alleati degli Stati Uniti, ti preghiamo di utilizzare il sistema GPS. I proprietari di ricevitori navali di questo sistema possono trovarsi ostaggi delle forze armate statunitensi in qualsiasi parte del mondo e in qualsiasi momento. Inoltre, anche quando si naviga nei mari costieri della Russia utilizzando il GPS, è possibile incagliarsi a causa della mancata corrispondenza dei sistemi di coordinate geocentriche. Uno studio dettagliato della situazione attuale ha dimostrato che la precisione del sistema GPS, soprattutto in Nord America, si basa su un numero enorme di correzioni per diverse città e località degli Stati Uniti. che, di norma, vengono pre-inseriti nella memoria elettronica dei ricevitori GPS. Per il territorio della Russia non sono presenti tali correzioni in questi ricevitori. Alla luce di quanto sopra, l'uso del solo sistema GPS sul territorio russo comporta una violazione dei suoi interessi di sicurezza nazionale. Dal 1982, nel nostro paese sono iniziati i lavori per creare un sistema satellitare di navigazione globale nazionale - GLONASS, che opera secondo principi approssimativamente simili al GPS e offre la possibilità di uso civile. Già nel settembre 1993 questo sistema è stato ufficialmente messo in funzione e nel 1995 è stato utilizzato con una serie completa di satelliti. La principale caratteristica distintiva del sistema russo GLONASS è che nell'uso civile aiuta a ottenere un posizionamento accurato. vicino alla precisione fornita dai ricevitori GPS che utilizzano il codice militare PY. Inoltre, i ricevitori GLONASS operano sia nel sistema di coordinate GPS WGS-84 che nel sistema russo PZ-90. Nel 1996, il governo della Federazione Russa ha fornito il sistema GLONASS come uno dei componenti del sistema di navigazione mondiale. Le fabbriche russe hanno prodotto numerosi dispositivi di navigazione del sistema GLONASS: "Breeze", "Reper". "Skipper", "Gnome-M", "Leader", "Goliath". Inoltre, questi indicatori del ricevitore sono una versione combinata di GLOHACC/GPS. Il mercato di tali apparecchiature in Russia sta ancora iniziando a prendere forma. Tenendo conto delle caratteristiche note del sistema GPS, le apparecchiature domestiche possono competere seriamente con quasi sessanta società straniere che forniscono al mercato russo una vasta gamma di indicatori di ricevitori GPS. Inoltre, l'Organizzazione marittima internazionale (IMO) nello stesso 1996 ha approvato GLONASS e GPS solo come componenti del sistema di radionavigazione mondiale e ne ha raccomandato l'uso in modalità combinata. Indicatori del ricevitore domestico. di norma sono combinati secondo questi due sistemi e hanno una modalità differenziale, grazie alla quale presentano un vantaggio rispetto ai ricevitori GPS non combinati di fabbricazione straniera. Gli utenti russi dovrebbero valutare seriamente i pro e i contro prima di acquistare apparecchiature importate. A titolo di esempio presentiamo le caratteristiche tipiche dei ricevitori di navigazione combinati GLOHACC/GPS del Design Bureau di Mosca "Korund". Gli indicatori del ricevitore sono progettati per ricevere segnali dai sistemi GLONASS e GPS (codice C/A) simultaneamente da 14 satelliti. L'errore quadratico medio della posizione è 10 m, altezza - 15 m con una posizione favorevole dei satelliti GLONASS (per gli indicatori del ricevitore GPS - 30 me 60 m, rispettivamente). La precisione nel determinare le coordinate in modalità differenziale è di 1...3 m, le altezze sono di 1,5...4 m. L'errore nella misurazione della velocità è di 0,1 m/s. I sistemi di coordinate utilizzati sono PZ-90, SK-95, SK-42, WGS-84. È disponibile un'interfaccia RS-232 per la comunicazione con i sistemi di controllo ed elaborazione delle informazioni. Dimensioni - 180x195x70 mm, peso - da uno a due chilogrammi. I produttori russi di indicatori-ricevitori combinati per sistemi satellitari globali sono entrati in una difficile lotta di mercato con le società straniere che producono apparecchiature simili nello scopo. Ci sono tutte le ragioni per sperare che i prodotti creati dagli specialisti nazionali saranno abbastanza competitivi con gli indicatori dei ricevitori stranieri. Autore: V.Kuryshev, Severomorsk, regione di Murmansk.
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