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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Sistema de navegação GPS. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor GPS (eng. Global Positioning System - sistema de posicionamento global, lido por G.P. Es) é um sistema de navegação por satélite que fornece medições de distância, tempo e localização no sistema de coordenadas mundial WGS 84. Ele permite que você vá a qualquer lugar da Terra (excluindo o pólo regiões), quase em qualquer clima, bem como no espaço próximo à Terra, para determinar a localização e a velocidade dos objetos. O sistema foi desenvolvido, implementado e operado pelo Departamento de Defesa dos EUA, e atualmente está disponível para uso civil - basta um navegador ou outro dispositivo (por exemplo, um smartphone) com um receptor GPS. O princípio básico do uso do sistema é determinar a localização medindo os pontos no tempo de recebimento de um sinal sincronizado dos satélites de navegação pela antena do consumidor. Para determinar as coordenadas tridimensionais, o receptor GPS precisa ter quatro equações: "a distância é igual ao produto da velocidade da luz e a diferença entre os momentos de recepção do sinal pelo consumidor e o momento de sua emissão síncrona do satélites": |x - a_{j}| = c(t_{j} - \tau). Aqui: a_{j} é a localização do {j}-ésimo satélite, t_{j} é o momento de recepção do sinal do {j}-ésimo satélite de acordo com o relógio do usuário, \tau é o tempo desconhecido do síncrono emissão de sinal por todos os satélites de acordo com o relógio do consumidor, c é a velocidade da luz, x é a posição tridimensional desconhecida do consumidor.
Com a ajuda de um receptor GPS, não apenas é determinada a localização de um objeto em movimento, mas também a velocidade de seu movimento, a distância percorrida, a distância e a direção até o ponto pretendido, a hora de chegada e os desvios do curso definido são calculados. Hoje já é óbvio: na primeira década do novo milênio, os sistemas de navegação por satélite se tornarão o principal meio de posicionamento de objetos terrestres, aéreos e marítimos. Porque com a tecnologia de hoje, os receptores GPS são pequenos, confiáveis e baratos, por isso estão se tornando mais acessíveis ao consumidor médio. Primeiro, o Sistema de Navegação por Rádio Espacial NAVSTAR (NAVSTAR) apareceu. O sistema de navegação baseado em medições de tempo e alcance nos Estados Unidos foi criado principalmente para o suporte de tempo coordenado de tropas e equipamentos militares. O primeiro satélite de navegação americano foi lançado em fevereiro de 1978, e a introdução ativa de métodos de navegação por satélite na vida civil começou mais tarde. Até 1983, o sistema de navegação era utilizado exclusivamente pelos militares. No entanto, depois que um Boeing 747 foi abatido sobre o Estreito de Tártaro, o sistema foi aberto para uso civil. Então, de fato, surgiu a abreviatura GPS (Global Positioning System) - Sistema de Posicionamento Global. O termo "posicionamento" é mais amplo do que o termo "localização". O posicionamento, além de determinar as coordenadas, também inclui a determinação do vetor velocidade de um objeto em movimento. O governo dos EUA gastou mais de dez bilhões de dólares na criação desse sistema e continua a gastar dinheiro em seu desenvolvimento e apoio. O sistema de navegação por satélite utiliza satélites que emitem sinais especiais em vez de sinais geodésicos e balizas de rádio. A localização atual dos satélites em órbita é bem conhecida. Os satélites transmitem constantemente informações sobre sua localização. Sua distância é determinada medindo a quantidade de tempo que leva para um sinal de rádio viajar de um satélite para um receptor de rádio e multiplicando isso pela velocidade da onda eletromagnética. Ao sincronizar os relógios dos satélites usando geradores de referência de frequência atômica e os receptores, é alcançada uma medição precisa das distâncias dos satélites. "Para calcular as coordenadas de um lugar na Terra", escreve V. Kuryshev na revista Radio, "é necessário conhecer as distâncias dos satélites e a localização de cada um deles no espaço exterior. Os satélites GPS estão em órbitas altas (20000 km), e suas coordenadas podem ser previstas com grande precisão. As estações de rastreamento do Departamento de Defesa dos EUA determinam regularmente até mesmo as menores mudanças nas órbitas, e esses dados são transmitidos aos satélites. As distâncias medidas aos satélites são chamadas de pseudodistâncias, pois há alguns incerteza na sua determinação. O fato é que a ionosfera e a troposfera da Terra causam atrasos nos sinais dos satélites, introduzindo um erro no cálculo da distância. propagação multipercurso de ondas de rádio. O posicionamento relativo infeliz de satélites no céu também pode levar a um aumento correspondente no erro de posição total divisão. Para determinar distâncias, satélites e receptores geram sequências de código binário complexas chamadas códigos pseudo-aleatórios. A determinação do tempo de propagação do sinal é realizada comparando o atraso do código pseudo-aleatório do satélite em relação ao mesmo código do receptor. Cada satélite tem seus próprios dois códigos pseudo-aleatórios. Para distinguir entre códigos de alcance e mensagens de informação de diferentes satélites, os códigos correspondentes são chamados no receptor. Códigos de alcance pseudo-aleatórios e mensagens de informação de satélite permitem a transmissão de mensagens de satélites simultaneamente, na mesma frequência, sem interferência mútua. O poder de radiação dos satélites e a influência mútua dos sinais dos satélites são insignificantes. A precisão da medição pode ser melhorada usando medições diferenciais. Uma estação terrestre de referência com coordenadas geodésicas conhecidas com precisão calcula a diferença entre as coordenadas de seu receptor e suas coordenadas reais. A diferença na forma de correção é transmitida aos consumidores via canais de rádio para corrigir as leituras dos receptores. Essas correções eliminam uma parte significativa dos erros nas medições de distância e localização. O cálculo das coordenadas na recepção no indicador é realizado automaticamente e é possível utilizar as informações de forma cartográfica conveniente. O GPS consiste em 3 segmentos: segmento espacial, segmento de controle e segmento de usuário.
O segmento espacial é composto por 24 satélites que estão em 6 órbitas (quatro cada) a uma altitude de aproximadamente 20350 quilômetros. Atualmente, existem 28 satélites em operação. Os satélites "extras" são usados para seguro e substituição de satélites com falha. O segmento de controle consiste em estações de observação localizadas em vários pontos do globo e na estação de controle principal. A estação principal está localizada no Joint Military Space Systems Control Center em Colorado Springs. O centro coleta e processa dados de estações de rastreamento, calcula e prevê efemérides de satélite, bem como parâmetros de relógio. As estações de observação monitoram os satélites, registrando todas as informações sobre seu movimento, que são transmitidas à estação de comando principal para correção de órbita e informações de navegação. O segmento de usuário inclui equipamentos de usuário que permitem determinar coordenadas, velocidade e tempo. O principal consumidor de informações de GPS é o Departamento de Defesa dos EUA. Os receptores GPS foram introduzidos em todas as aeronaves e navios de combate e transporte, bem como nos sistemas de orientação de mísseis de cruzeiro de alta precisão e nos sistemas de orientação das novas bombas guiadas dos EUA. Isso significa que os militares dos EUA podem planejar lançar ataques de mísseis guiados com precisão a uma distância de mil quilômetros, não apenas contra edifícios e estruturas, mas também dentro de uma certa janela. Além disso, esses ataques podem ser lançados de submarinos e do ar.
Existe um sistema semelhante na Rússia: em resposta à criação do NAVSTAR pelos americanos, a URSS criou seu próprio sistema global de navegação por satélite - GLONASS. O primeiro satélite de navegação doméstico Kosmos-192 foi lançado em órbita em 27 de novembro de 1967, e em 1979 foi criado o sistema de navegação de primeira geração Cicada, que incluía 4 satélites de baixa órbita. Então, em 1982, foram lançados os primeiros satélites do novo sistema de navegação GLONASS. O número de satélites GLONASS foi trazido para o estado padrão em 1996. Os satélites GLONASS estão localizados a uma altitude de aproximadamente 19100 quilômetros. Ao contrário dos satélites NAVSTAR, os satélites GLONASS são colocados em três órbitas, respectivamente, 8 satélites em cada. O período orbital dos satélites é de 11 horas e 15 minutos. Assim como o GPS, o GLONASS é usado por usuários militares e civis. No entanto, não há tantos usuários do sistema: na verdade, ele não é desenvolvido desde 1998. A cada ano a constelação de satélites diminui. A razão é banal e, pode-se dizer, padrão para a maioria dos desenvolvimentos domésticos: o Estado não tem dinheiro, e a estrutura legal que rege o uso de sistemas de navegação por satélite na Rússia não permite que o sistema se desenvolva às custas de consumidores civis. As perspectivas para o desenvolvimento do GLONASS dependem da posição do estado. Ele terá que decidir se abre ou não esse sistema de navegação para uma ampla gama de consumidores. Em fevereiro de 2000, cientistas russos enviaram uma carta aberta a Vladimir Putin (então presidente interino da Rússia) na qual descreviam sua versão do desenvolvimento do GLONASS: : em primeiro lugar, remover urgentemente restrições injustificadas do regime ao uso de receptores de satélite domésticos para determinar coordenadas; em segundo lugar, por um decreto do governo, para decretar o sistema de coordenadas geodésicas terrestres domésticas "Parâmetros da Terra de 1990" (PZ-90) e o sistema de navegação por satélite GLONASS para uso em massa em toda a Rússia e os países da comunidade mundial. ." Até agora, o presidente não tomou nenhuma decisão. Ao contrário do sistema russo, o GPS evoluiu constantemente para ser aberto a usuários civis. Antes de 1º de maio de 2000, o acesso GPS era seletivo para eles, o que degradava a precisão da localização para centenas de metros. Ao mesmo tempo, a precisão para os militares era de 5 a 20 metros. No entanto, em 1º de maio, o presidente Clinton anunciou o fim do declínio na precisão do sinal de GPS para usuários civis. "Isso significa que os usuários civis de GPS poderão identificar 10 vezes com mais precisão do que o atualmente disponível", disse ele. Por que o governo dos EUA precisa disso e o que dará ao sistema de navegação? Julgue por si mesmo: de acordo com o serviço de imprensa do presidente dos Estados Unidos, em 2000 havia mais de 4 milhões de usuários de GPS em todo o mundo e, em 2003, o mercado para esse sistema de navegação dobrará - de 8 a 16 bilhões de dólares. É necessário explicar que com esse dinheiro o sistema pode não apenas ser mantido, mas também desenvolvido? Os EUA já planejam colocar 18 satélites adicionais em órbita para melhorar o desempenho do GPS. A objeção padrão à abertura dos sistemas de navegação na Rússia sempre foram os interesses de segurança. Os militares temiam que, se o sistema de navegação fosse disponibilizado a todos, poderia ser usado por inimigos externos e internos contra o Estado. No entanto, esta explicação é bastante fraca: os Estados Unidos, ao disponibilizar o GPS a todos, não prejudicou em nada a sua própria segurança, reservando-se o direito à "diminuição regional da precisão" do sinal. Na prática, isso significa que, no caso de um conflito com um determinado país, os militares dos EUA poderão degradar a precisão dos receptores GPS usados pelo inimigo ou desligá-los completamente. Assim, enquanto tudo está tranquilo - você pode receber dinheiro de usuários de GPS. Assim que surgem problemas, eles podem ser desligados. Hoje nem é fácil listar todas as áreas de aplicação deste sistema de navegação. Como Oleg Tatarnikov observa na revista Computer-Press: "Os receptores GPS são embutidos em carros, telefones celulares e até relógios de pulso! Os turistas usam receptores de bolso para traçar rotas e navegá-las com clareza. Caçadores e pescadores marcam as coordenadas de locais preciosos de caça e pesca , e autoturistas trocam rotas indicando postos de gasolina. Nada vai parar a marcha vitoriosa do GPS. Os receptores estão diminuindo rapidamente de tamanho e ficando mais baratos, um dispositivo do tamanho de uma caixa de fósforos já pode ser comprado hoje por menos de US$ 50; chips de navegação são incorporados em relógios e telefones celulares e se tornam parte integrante dos alarmes de carros, que informam a polícia sobre a localização de um carro roubado. Ao contrário dos sistemas de sinalização de rádio que não receberam ampla aplicação, esse sistema não requer uma rede especial de estações de localização - as comunicações móveis convencionais são usadas aqui. Além disso, o motorista pode, pressionando um botão, sinalizar um roubo ou um acidente. Outro botão chama uma ambulância. Em um futuro próximo, espera-se que todo um "pacote de rotas" apareça no mercado de eletrônicos automotivos - um sistema de navegação a bordo completo com mapas eletrônicos de cidades e regiões russas ... ...Os receptores GPS são usados para resolver uma grande variedade de problemas: geólogos monitoram o movimento sutil de áreas da crosta terrestre em tempo real, socorristas determinam os locais de desastres, zoólogos fazem colares com indicadores portáteis e transmissores de rádio para estudar a migração dos animais , os militares constroem mísseis teleguiados e bombas, e uma expedição da National Geographic Society dos EUA no ano passado mediu a altura do Everest com precisão de centímetros."
Na revista "Computerra" havia uma mensagem sobre o lançamento de uma das empresas de chips GPS projetados para implantação no corpo humano! Como costuma acontecer, o sistema de navegação acabou tendo muitos outros recursos úteis adicionais. Com a ajuda do sistema, é possível, por exemplo, determinar o tempo ultrapreciso necessário, digamos, em experimentos científicos, para medir a velocidade desenvolvida ao caminhar ou correr e a distância percorrida. O GPS mostra a velocidade máxima e média do carro e com sua ajuda, em particular, você pode verificar a exatidão das leituras do velocímetro e do hodômetro. Escusado será dizer que a navegação com este sistema é bastante simplificada. Como resultado, entre os "navegadores" profissionais há toda uma geração de especialistas que não sabem como trabalhar com dispositivos de navegação clássicos. Autor: Musskiy S.A.
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