Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Comunicações de rádio civis

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GPS na tradução do inglês é um sistema de posicionamento global. O sistema americano de navegação por rádio por satélite GPS destina-se ao suporte de navegação de alta precisão em escala global para todos os ramos das forças armadas dos EUA e usuários civis. O governo dos Estados Unidos gastou mais de US$ 10 bilhões para criar esse sistema e continua gastando dinheiro em seu desenvolvimento e suporte adicionais.

O desenvolvimento do sistema começou na década de 70. Em 1978 foram lançados os primeiros satélites. Em 1983, o sistema foi aberto para uso civil e, em 1991, foram suspensas as restrições à venda de equipamentos de recebimento na Rússia. Navios e embarcações russas começaram a ser ativamente equipados com receptores GPS.

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. Com a moderna tecnologia de circuitos integrados, os receptores GPS e GLONASS são pequenos, confiáveis ​​e baratos, de modo que com o tempo turistas, entusiastas de carros e até catadores de cogumelos poderão comprá-los. O receptor conectado ao pager pode dizer onde seu filho está andando ou onde, por exemplo, está seu carro. E isso será feito com alta precisão. Com a ajuda do receptor, não apenas a localização do objeto em movimento é determinada, mas também a velocidade de seu movimento, a distância percorrida, a distância e direção ao ponto pretendido, o tempo de chegada e os desvios do curso definido calculado.

Aparentemente, é útil relembrar os princípios de operação de um sistema de navegação por satélite. Para determinar com precisão sua localização no solo, eles tradicionalmente usam sinais geodésicos ou marcos geodésicos ou objetos astronômicos (o Sol, estrelas). Nos sistemas de radionavegação, tais marcadores geodésicos são balizas de rádio, cuja localização é bem conhecida.

Um sistema de navegação por satélite funciona de maneira semelhante, onde, em vez de sinais geodésicos e balizas de rádio, são utilizados satélites que emitem sinais especiais. A localização atual dos satélites em órbita é bem conhecida. Ao contrário dos signos geodésicos, eles são móveis, seu período de revolução ao redor da Terra é de 12 horas, os próprios satélites transmitem informações sobre sua localização. Sua distância é determinada medindo-se a quantidade de tempo que leva para um sinal de rádio viajar de um satélite para um receptor de rádio e multiplicando-se pela velocidade da onda eletromagnética. A sincronização dos relógios dos satélites (que usam geradores de referência de frequência atômica) e dos receptores fornece uma medição precisa das distâncias aos satélites.

Para calcular as coordenadas de um lugar na Terra, você precisa saber as distâncias dos satélites e a localização de cada um deles no espaço sideral. Os satélites GPS estão em órbitas altas (20 km) e suas coordenadas são . pode ser previsto com grande precisão. As estações de rastreamento do Departamento de Defesa dos EUA detectam regularmente até mesmo as menores mudanças nas órbitas, e esses dados são transmitidos aos satélites. As distâncias medidas até os satélites são chamadas de pseudodistâncias porque há alguma incerteza em sua determinação. A coisa é. que a ionosfera e a troposfera da Terra causam atrasos nos sinais dos satélites, introduzindo um erro no cálculo da distância. Existem outras fontes de erros - em particular, os erros computacionais dos computadores de bordo, o ruído elétrico dos receptores e a propagação multipercurso das ondas de rádio. Uma posição relativa infeliz dos satélites no céu também pode levar a um aumento correspondente no erro de posicionamento total.

Para determinar as distâncias, os satélites e os receptores geram sequências complexas de código binário chamadas de códigos pseudo-aleatórios. A determinação do tempo de propagação do sinal é realizada comparando o atraso do código pseudoaleatório do satélite em relação ao mesmo código do receptor. Cada satélite tem seus próprios dois códigos pseudo-aleatórios. Para distinguir entre códigos de medição de alcance e mensagens de informação de diferentes satélites, o receptor seleciona os códigos correspondentes. Códigos de alcance pseudoaleatórios e mensagens de informações de satélite permitem a transmissão de mensagens de todos os satélites simultaneamente, na mesma frequência, sem interferência mútua. A potência de radiação dos satélites é baixa e a influência mútua dos sinais dos satélites é insignificante.

A precisão da medição pode ser melhorada usando medições diferenciais Uma estação de referência terrestre com coordenadas geodésicas precisamente conhecidas calcula a diferença entre a posição de seu receptor e sua posição real. A diferença na forma de correção é transmitida aos consumidores por meio de 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 nos receptores é realizado automaticamente e é fornecido ao usuário em forma cartográfica conveniente.

O sistema GPS global inclui três segmentos. O primeiro, espaço, inclui 24 IC3. girando em seis órbitas, quatro satélites cada, a uma altitude de 20 km. A segunda, terrestre, consiste em um complexo de estações terrestres de controle, controle e entrada de dados para correção de informações de navegação por satélite. A estação principal está localizada no Centro de Controle de Sistemas Espaciais Militares Conjuntos em Colorado Springs. As estações de monitoramento medem constantemente os parâmetros das efemérides de satélite e transmitem informações corretivas aos satélites por meio de estações transmissoras para transmissão aos consumidores. O terceiro segmento inclui equipamentos do usuário: receptores de sinais de satélite, que determinam e apresentam todos os dados de navegação necessários.

O principal consumidor de informações de GPS é o Departamento de Defesa dos Estados Unidos. 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 ataques de mísseis guiados com precisão a uma distância de 1000 km, não apenas contra edifícios e estruturas, mas até mesmo com a precisão de atingir uma determinada janela. Além disso, esses ataques podem ser lançados de submarinos e do ar.

As principais vantagens dos receptores GPS. listado acima. - Confiabilidade, facilidade de manutenção, capacidade de localização XNUMX horas por dia e conformidade com padrões internacionais. Porém, nem tudo é tão simples e acessível quanto parece à primeira vista.

O principal parâmetro que caracteriza o sistema de navegação é a precisão do posicionamento. Desde 1983, como já mencionado, o sistema GPS está aberto para uso civil, mas vamos esclarecer, não completamente. Para receptores GPS civis profissionais, normalmente abaixo de $ 5000, apenas o modo C/A está disponível, o chamado sinal de acesso livre emitido por satélites a uma frequência de 1575,42 MHz (L1), que fornece precisão de posicionamento dentro de 100 m. Na verdade, o a magnitude dos erros pode chegar a 300 m. O governo dos EUA se reserva o direito de reduzir a precisão dos sinais C / A disponíveis a qualquer momento, ativando o chamado modo de acesso seletivo. Em outras palavras, um deslocamento significativo do relógio do satélite é criado deliberadamente e os parâmetros do código C / A pseudo-aleatório são alterados, o que introduz deliberadamente distorções nas informações sobre a localização atual do satélite. Tudo isso leva a erros significativos de posicionamento e, de fato - à impossibilidade de uma navegação precisa pelo sistema GPS, o que cria os pré-requisitos para acidentes e até desastres.

O fato é que essa distorção deliberada dos dados diz respeito a todos os consumidores do sinal GPS civil. Ao mesmo tempo, a introdução do acesso seletivo fornece aos usuários militares indicadores do receptor GPS para operação normal e a alta precisão necessária. Para fazer isso, os satélites na segunda frequência - 1227,6 MHz (L2) - emitem um código PY militar que fornece alta precisão, mas não está disponível para receptores civis. O custo dos indicadores receptores com acesso ao código militar é em média $ 50, mas também aqui os militares dos EUA previram o caso em que os indicadores receptores com acesso ao código militar PY podem chegar a usuários hostis aos Estados Unidos. Para evitar isso, um modo de criptografia de código RY é introduzido, o que tornará impossível a navegação de usuários não autorizados.

A precisão do posicionamento ao acessar o código militar também é aumentada devido à comparação dos tempos de chegada dos sinais nas frequências L1 e L2. A recepção de sinais com código C / A apenas em uma frequência não oferece essa oportunidade. A peculiaridade dos sistemas de navegação por satélite é essa. que quando os satélites individuais falham, todas as suas características gradualmente se deterioram. Então, periodicamente, existem zonas e grandes áreas onde a precisão da medição se torna inferior ao aceitável, o que pode levar a sérios incidentes. Muitos problemas de funcionamento do sistema GPS são detectados apenas pelo complexo terrestre de estações. Os usuários são notificados sobre isso com um atraso de 15 minutos a 4 horas.Um desses eventos ocorre aproximadamente uma vez a cada quatro meses. Os usuários de GPS russos, via de regra, são privados da oportunidade de receber informações sobre tais falhas em tempo hábil. Um estudo mais detalhado das características do sistema GPS descobriu que o sistema de coordenadas geocêntricas WGS-84 usado por ele para cálculos é voltado principalmente para consumidores ocidentais.

Na Rússia, para um mapeamento preciso, foi criado seu próprio sistema de coordenadas PZ-90. que não é o mesmo que WGS-84. uma vez que são baseados em diferentes modelos do elipsóide da Terra. Consequentemente, as mesmas latitudes e longitudes geodésicas de um ponto no solo podem diferir. Em outras palavras, ao determinar um local em um mapa russo usando receptores GPS, erros adicionais são inevitáveis ​​devido a diferenças nos sistemas de coordenadas.

Infelizmente, no mundo moderno, o confronto econômico e de informações tornou-se um fenômeno normal. Ao mesmo tempo, nas novas condições econômicas, quando muitos produtos e serviços americanos inundaram o mercado, nossos consumidores também tiveram a oportunidade de usar os serviços do sistema GPS. Os americanos se apressaram em "demarcar" seu produto em todos os casos possíveis de uso. Quer você goste ou não, mas ao navegar, digamos, em águas norte-americanas e regiões de aliados dos EUA, use o sistema GPS. Os proprietários de receptores de navios deste sistema podem se tornar reféns dos militares dos EUA em qualquer lugar do mundo e a qualquer momento. Além disso, mesmo navegando nos mares costeiros da Rússia com a ajuda do GPS, você pode encalhar devido a uma incompatibilidade nos sistemas de coordenadas geocêntricas.

Um estudo detalhado da situação mostrou que a precisão do sistema GPS, em particular na América do Norte, é baseada em um grande número de correções para várias cidades e locais nos Estados Unidos. que, via de regra, são previamente inseridos na memória eletrônica dos receptores GPS. Para o território da Rússia, não há tais correções nesses receptores.

Diante do exposto, o uso apenas do sistema GPS na Rússia leva a uma violação dos interesses de sua segurança nacional.

Desde 1982, começaram os trabalhos em nosso país para a criação de um sistema doméstico de navegação global por satélite - GLONASS, que opera aproximadamente nos mesmos princípios do GPS e oferece a possibilidade de uso civil. Já em setembro de 1993, esse sistema foi oficialmente colocado em operação e, em 1995, foi implantado com um complemento total de satélites. A principal característica distintiva do sistema russo GLONASS é que, no modo de aplicação civil, ele atinge precisão de posicionamento. perto da precisão fornecida pelos receptores GPS usando o código militar PY.Além disso, os receptores GLONASS operam tanto no sistema de coordenadas GPS WGS-84 quanto no sistema de coordenadas russo PZ-90. Em 1996, o governo da Federação Russa forneceu o sistema GLONASS como um dos componentes do sistema de navegação mundial.

As fábricas russas produziram vários dispositivos de navegação GLONASS: "Breeze", "Reper". "Skipper", "Gnome-M", "Líder", "Golias". Além disso, esses indicadores de receptor são uma versão combinada do GLOHACC/GPS. O mercado desses equipamentos na Rússia está apenas começando a tomar forma. Levando em consideração os recursos observados do sistema GPS, o equipamento doméstico pode competir seriamente com quase sessenta empresas estrangeiras que fornecem uma ampla gama de indicadores de receptores GPS para o mercado russo. Além disso, a Organização Marítima Internacional (IMO), no mesmo ano de 1996, aprovou o GLONASS e o GPS apenas como componentes do sistema mundial de radionavegação e recomendou seu uso em modo combinado. Receptores domésticos. via de regra, eles são combinados nesses dois sistemas e possuem um modo diferencial, pelo que apresentam uma vantagem em comparação com os receptores GPS não alinhados de fabricação estrangeira.

Os usuários russos devem pesar seriamente os prós e os contras antes de comprar equipamentos importados. Por exemplo, apresentamos as características típicas dos receptores de navegação combinados GLOHACC/GPS do Moscow Design Bureau "Korund".

Os indicadores do receptor são projetados para receber sinais dos sistemas GLONASS e GPS (código C/A) simultaneamente de 14 satélites. A raiz do erro quadrático médio de localização é de 10 m, altura - 15 m com uma localização favorável de satélites GLONASS (para receptores GPS - 30 m e 60 m, respectivamente). A precisão da determinação das coordenadas no modo diferencial é de 1 ... 3 m, a altura é de 1,5 ... 4 m. O erro na medição da velocidade é de 0,1 m/s.

Os sistemas de coordenadas PZ-90, SK-95, SK-42, WGS-84 são usados. Existe uma interface RS-232 para comunicação com sistemas de controle e processamento de informações. Dimensões - 180x195x70 mm, peso - de um a dois quilos.

Os fabricantes russos de indicadores-receptores combinados de sistemas globais de satélite entraram em uma difícil luta de mercado com empresas estrangeiras que produzem equipamentos de propósito semelhante. Há todos os motivos para esperar que os produtos criados por especialistas nacionais sejam bastante competitivos com indicadores de receptores estrangeiros.

Autor: V. Kuryshev, Severomorsk, região de Murmansk.

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