на какой частоте работает gps навигация
Что не пишут в википедии о глобальных навигационных спутниковых системах
Вдохновлённый серией постов «Теория радиоволн», я решился на аналогичный пост о системах спутникового позиционирования. Я работаю в структуре, которая занимается обеспечением функционирования системы ГЛОНАСС, поэтому постараюсь рассказать о ней и её конкурентах с несколько другой точки зрения. Пост будет именно об их устройстве, попутно хотелось бы развеять несколько мифов.
Постараюсь обойтись без выкладывания прописных истин и сведений, которые любой желающий может почерпнуть в википедии, но порой без них не обойтись, прошу отнестись с пониманием.
Структура систем
Как это работает
Подсистема НКА представляет собой некоторое количество спутников, согласованно движущихся по специально выбранным орбитам. Основное условие при выборе орбит — в любой точке планеты в любой момент времени должно быть видно не менее 4 спутников (почему именно четыре, будет объяснено ниже). На каждом из аппаратов установлены атомные часы — цезиевые, рубидиевые или их комбинация, в зависимости от модификации — синхронизированные с часами на центральном синхронизаторе системы. Синхронизированные — это не значит что они идут синфазно, это значит что известна разница хода часов. Именно центральный синхронизатор и хранит так называемую системную шкалу времени. Наш центральный синхронизатор находится в Подмосковье, американский в Подвашингтонье, что и неудивительно.
Каждый аппарат излучает несущее колебание в двух частотных диапазонах L1 и L2. Все НКА системы GPS излучают на общих частотах, 1575,42 МГц и 1227,60 МГц для L1 и L2 соответственно, а НКА системы ГЛОНАСС излучают на разнесённых частотах, называемых литерами (аппараты, находящиеся на противоположных точках орбиты излучают на одной литере). Разница между литерами составляет 562,5 кГц, для поддиапазона L1 и 437,5 кГц для L2, нулевая литера имеет частоты 1602 МГц и 1245 МГц соответственно.
Несущее колебание модулируется специальной кодовой последовательностью таким образом, что фаза кодового сигнала совпадает с показаниями часов спутника (если кому интересно — модуляция фазовая). В системе GPS каждый аппарат имеет уникальную кодовую последовательность, что позволяет различать их сигналы, несмотря на общую частоту. В ГЛОНАСС же используется частотное разделение, поэтому все аппараты имеют одинаковую кодовую последовательность. Дополнительно сигналы спутников модулируются навигационными сообщениями, которые содержат параметры полиномиальной математической модели движения спутника и модели смещения показаний спутниковых часов относительно системной шкалы времени. 
Структура сигнала космических аппаратов ГЛОНАСС
Навигационные сообщения также содержат параметры ионосферы (позволяет учитывать задержку сигналов в ионосфере), разницу между системной шкалой времени и мировой координированной шкалой времени и много еще всякой другой полезной информации. Упрощенно, подсистема НКА — это сеть синхронизированных, движущихся в пространстве часов, с известными в любой момент координатами.
Наземный комплекс управления — это сеть наземных станций, обеспечивающих определение параметров движения космических аппаратов, параметров хода их часов.На пунктах ведутся измерения параметров вращения планеты, параметров атмосферы, там уточняют характеристики гравитационного поля Земли и обеспечивают хранение мировой системы координат. Функционально в состав НКУ входит немалое количество научно-исследовательских учреждений и лабораторий. Ну и разумеется, именно наземный комплекс все эти данные обрабатывает и закладывает на аппараты, которые уже транслируют их в составе навигационного сообщения.
Наземный комплекс — это и базовые пункты с калиброванными приёмниками, и пункты федеральной астрономо-геодезической сети, и радиоинтерферометры со сверхдлинной базой, и лазерные дальномеры, и множетсво других интересных вещей. Вообще функции наземного комплекса очень разнообразны, его деятельность слишком обширна, чтобы включить её в эту статью. Если кого-то заинтересует — попробую написать статью и об этом.
Сеть станций наземного комплекса управления ГЛОНАСС
Разумеется это сильно упрощенная схема работы навигационных систем, про любой компонент можно рассказывать очень долго. Так что, если кого-то заинтересует, я готов углубиться в любой из аспектов работы ГНСС.
Срыв покровов
Сразу скажу, тут я просто рассмотрю наиболее распространённые вопросы и заблуждения, с которыми сталкиваюсь постоянно. Ну и постараюсь объяснить реальное состояние дел, в меру своей компетентности конечно.
Почему ГЛОНАСС такой плохой?
Наиболее распространенный вопрос.
Начну с того, что ГЛОНАСС не во всём хуже GPS.
Например, в приполюсных областях группировка ГЛОНАСС обеспечивает лучшее покрытие, в силу более оптимальной конфигурации орбитальной группировки. Впрочем в приэкваториальных областях ситуация обратная по той же причине. Ноги растут из военного назначения обеих систем, а военные интересы Советского Союза и США были сконцентрированы именно в этих областях.
Кроме того, частотное разделение сигналов действительно улучшает помехоустойчивость системы ГЛОНАСС. Это же частотное разделение тянет за собой и множество проблем, но факт остаётся фактом — в случае вооружённого конфликта подавить нашу ГНСС будет сложнее.
Сама система непрерывно прогрессирует. Пусть не так быстро как хотелось бы, пусть это сопровождается коррупционными скандалами с какими-то астрономическими суммами, но весь мир признаёт, что ГЛОНАСС стабильно держится на дистанции четырёх-пятилетнего отставания от GPS, и разрыв не увеличивается. Кстати, не надо думать, что GPS сильно дешевле, он тоже стоит чудовищных денег, которые не всегда тратятся как следует.
Так почему же ГЛОНАСС отстаёт? Мало кто знает, что система ГЛОНАСС старше GPS на несколько лет (формально сама система моложе, но её прототипы появились раньше и сама отработка технологии началась раньше). Американцы разумеется наблюдали за её созданием, и создали свою, постаравшись учесть наши ошибки, которые другим способом предугадать было невозможно. Избежав наших системных ошибок, и не останавливая развитие (в отличие от нас, в девяностые вся наша спутниковая группировка едва не оказалась на дне Тихого океана) они превратились из отстающих в опережающих.
Военные коды
Как известно, НКА обеих систем излучают сигналы двух видов: стандартной точности (СТ-код для ГЛОНАСС, C/A для GPS) и высокой точности (аналогично ВТ-код и P/Y-код). СТ-код ГЛОНАСС излучается в обоих частотных диапазонах, а C/A код GPS только в частотном диапазоне L1 (за исключением нескольких НКА новой серии). Сигналы высокой точности излучаются в обоих частотных диапазонах. Различаются эти сигналы кодовой последовательностью, при этом сигналы с кодом высокой точности имеют более широкую полосу, что повышает точность и затрудняет подавление.
Традиционно сигналы высокой точности считаются военными, стандартные сигналы считаются гражданскими. Это только отчасти верно. Кодовая последовательность P-кода и ВТ-кода на данный момент открыта для широкого применения: американцы официально опубликовали свои кодовые последовательности, а заодно и наши (откуда они их узнали, оставим за кадром). Поэтому сейчас любой производитель совершенно свободно может создавать приёмники, принимающие военные сигналы (и создают, вся прецизионная аппаратура принимает все виды сигналов на всех частотах). Особенность в том, что в случае необходимости эти коды меняются по особому алгоритму, разумеется засекреченному. И вот после такой смены кодовых последовательностей только военная аппаратура сможет их принимать, поскольку в неё изначально этот самый алгоритм зашивается.
Более того, в случае необходимости на сигналы стандартной точности накладывается еще и кодирование, которое не мешает принимать эти сигналы, но не позволяет определять положение лучше пары сотен метров в принципе.
Все эти манипуляции могут производиться не глобально, а только над некоторым регионом земного шара, что продемонстрировали американцы во время войны в Ираке, лишив весь Ближний Восток нормального GPS. Аналогично поступали наши во время конфликта с Грузией, что особого резонанса не вызвало, поскольку пользователей ГЛОНАСС в Грузии не сыскать.
Система GPS. Взгляд изнутри и снаружи
Немного истории.
Первые шаги по развертыванию навигационной сети были предприняты в середине семидесятых, коммерческая же эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась с 1995 года. В настоящий момент в работе находятся 28 спутников, равномерно распределенных по орбитам с высотой 20350 км (для полнофункциональной работы достаточно 24 спутников).
Попробуем разобраться в общих чертах, как устроена система глобального позиционирования, а потом коснемся ряда пользовательских аспектов. Рассмотрение же начнем с принципа определения дальности, лежащего в основе работы космической навигационной системы.
Алгоритм измерения расстояния от точки наблюдения до спутника.
Дальнометрия основана на вычислении расстояния по временной задержке распространения радиосигнала от спутника к приемнику. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить, просто умножив время на скорость света.
Период повторения кода довольно велик (например, для P-кода он равен 267 дням). Каждый GPS-приемник имеет собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, по времени задержки между одинаковыми участками кода, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние до спутника.
Одной из основных технических сложностей описанного выше метода является синхронизация часов на спутнике и в приемнике. Даже мизерная по обычным меркам погрешность может привести к огромной ошибке в определении расстояния. Каждый спутник несет на борту высокоточные атомные часы. Понятно, что устанавливать подобную штуку в каждый приемник невозможно. Поэтому для коррекции ошибок в определении координат из-за погрешностей встроенных в приемник часов используется некоторая избыточность в данных, необходимых для однозначной привязки к местности (подробней об этом чуть позже).
Кроме самих навигационных сигналов, спутник непрерывно передает разного рода служебную информацию. Приемник получает, например, эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере (так как скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), а также сведения о работоспособности спутника (так называемых «альманах», содержащий обновляемые каждые 12.5 минут сведения о состоянии и орбитах всех спутников). Эти данные передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.
Общие принципы определения координат с помощью GPS.
Основой идеи определения координат GPS-приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным (эти данные содержатся в принятом со спутника альманахе). В геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами называется трилатерацией. 
Рис2.
Однако в жизни все не так просто. Приведенные выше рассуждения были сделаны для случая, когда расстояния от точки наблюдения до спутников известны с абсолютной точностью. Разумеется, как бы ни изощрялись инженеры, некоторая погрешность всегда имеет место (хотя бы по указанной в предыдущем разделе неточной синхронизации часов приемника и спутника, зависимости скорости света от состояния атмосферы и т.п.). Поэтому для определения трехмерных координат приемника привлекаются не три, а минимум четыре спутника.
Получив сигнал от четырех (или больше) спутников, приемник ищет точку пересечения соответствующих сфер. Если такой точки нет, процессор приемника начинает методом последовательных приближений корректировать свои часы до тех пор, пока не добьется пересечения всех сфер в одной точке.
Следует отметить, что точность определения координат связана не только с прецизионным расчетом расстояния от приемника до спутников, но и с величиной погрешности задания местоположения самих спутников. Для контроля орбит и координат спутников существуют четыре наземных станции слежения, системы связи и центр управления, подконтрольные Министерству Обороны США. Станции слежения постоянно ведут наблюдения за всеми спутниками системы и передают данные об их орбитах в центр управления, где вычисляются уточнённые элементы траекторий и поправки спутниковых часов. Указанные параметры вносятся в альманах и передаются на спутники, а те, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим приемникам.
После отмены описанного выше режима селективного доступа гражданские приемники «привязываются к местности» с погрешностью 3-5 метров (высота определяется с точностью около 10 метров). Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников (большинство современных аппаратов имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников).
В заключение части, повествующей о «теоретических» аспектах функционирования GPS, скажу, что Россия и в случае с космической навигацией пошла своим путем и развивает собственную систему ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Но из-за отсутствия должных инвестиций в настоящее время на орбите находятся лишь семь спутников из двадцати четырех, необходимых для нормального функционирования системы…
Краткие субъективные заметки пользователя GPS.
С первого взгляда GPS II+ можно принять за мобильный телефон, выпущенный пару лет назад. Лишь только присмотревшись, замечаешь необычно толстую антенну, огромный дисплей (56х38 мм!) и малое, по телефонным меркам, количество клавиш.
Интерфейс GPS II+ построен по принципу «перелистываемых» страниц (для этого даже есть специальная кнопка PAGE). Выше была описана «страница спутников», а кроме нее, есть «страница навигации», «карта», «страница возврата», «страница меню» и ряд других. Следует заметить, что описываемый аппарат не русифицирован, однако даже с плохим знанием английского можно понять его работу.
Заключение.
Но в любой бочке меда есть ложка дегтя. В данном случае в роли последнего выступают российские законы. Я не буду подробно рассуждать о юридических аспектах использования GPS-навигаторов в России (кое-что об этом можно найти здесь ), замечу лишь, что теоретически высокоточные навигационные приборы (коими, без сомнения являются даже любительские GPS-приемники) у нас запрещены, а их владельцев ждет конфискация аппарата и немалый штраф.
Система спутниковой навигации GPS – принцип, схема, применение
Спутниковая навигация GPS давно уже является стандартом для создания систем позиционирования и активно применяется в различных трекерах и навигаторах. В проектах Arduino GPS интегрируется с помощью различных модулей, не требующих знания теоретических основ. Но настоящему инженеру должно быть интересно разобраться со принципом и схемой работы GPS, чтобы лучше понимать возможности и ограничения этой технологии.
Схема работы GPS
GPS – это спутниковая навигационная система, разработанная Министерством обороны США, которая определяет точные координаты и время. Работает в любой точке Земли в любых погодных условиях. GPS состоит из трех частей – спутников, станций на Земле и приемников сигнала.
Идея создания спутниковой навигационной системы зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. Американская группа ученых, наблюдающая за запуском советских спутников, заметила, что при приближении спутника частота сигнала увеличивается и уменьшается при его отдалении. Это позволило понять, что возможно измерить положение и скорость спутника, зная свои координаты на Земле, и наоборот. Огромную роль в развитии навигационной системы сыграл запуск спутников на низкую околоземную орбиту. А в 1973 году была создана программа «DNSS» («NavStar»), по этой программе спутники запускались на среднюю околоземную орбиту. Название GPS программа получила в том же 1973 году.
Система GPS на данный момент используется не только в военной области, но и в гражданских целях. Сфер применения GPS много:
Тектоника плит – происходит слежение за колебаниями плит;
Определение сейсмической активности;
Спутниковое отслеживание транспорта – можно проводить мониторинг за положением, скоростью транспорта и контролировать их движение;
Геодезия – определение точных границ земельных участков;
Игры, геотегинт и прочие развлекательные области.
Важнейшим недостатком системы можно считать невозможность получения сигнала при определенных условиях. Рабочие частоты GPS лежат в дециметровом диапазоне волн. Это приводит к тому, что уровень сигнала может снизиться из-за высокой облачности, плотной листвы деревьев. Радиоисточники, глушилки, а в редких случаях даже магнитные бури также могут мешать нормальной передаче сигнала. Точность определения данных будет ухудшаться в приполярных районах, так как спутники невысоко поднимаются над Землей.
Основным конкурентом GPS является российская система ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система). Свою полноценную работу система начала с 2010 года, попытки активно использовать ее предпринимались с 1995 года. Существует несколько отличий между двумя системами:
Разные кодировки – американцы используют CDMA, для российской системы используется FDMA;
Разные габариты устройств – ГЛОНАСС использует более сложную модель, поэтому повышается энергопотребление и размеры устройств;
Расстановка и движение спутников на орбите – российская система обеспечивает более широкий охват территории и более точное определение координат и времени.
Срок службы спутников – американские спутники делаются более качественными, поэтому они служат дольше.
Помимо ГЛОНАСС и GPS существуют и другие менее популярные навигационные системы – европейский Galileo и китайский Beidou.
Принцип работы GPS
Работает система GPS следующим образом – приемник сигнала измеряет задержку распространения сигнала от спутника до приемника. Из полученного сигнала приемник получает данные о местонахождении спутника. Для определения расстояния от спутника до приемника задержка сигнала умножается на скорость света.
С точки зрения геометрии работу навигационной системы можно проиллюстрировать так: несколько сфер, в середине которых находятся спутники, пересекаются и в них находится пользователь. Радиус каждой из сфер соответственно равен расстоянию до этого видимого спутника. Сигналы от трех спутников позволяют получить данные о широте и долготе, четвертый спутник дает информацию о высоте объекта над поверхностью. Полученные значения можно свести в систему уравнений, из которых можно найти координату пользователя. Таким образом, для получения точного местоположения необходимо провести 4 измерения дальностей до спутника (если исключить неправдоподобные результаты, достаточно трех измерений).
Поправки в полученные уравнения вносит расхождение между расчетным и фактическим положением спутника. Погрешность, которая возникает в результате этого, называется эфемеридной и составляет от 1 до 5 метров. Также свой вклад вносят интерференция, атмосферное давление, влажность, температура, влияние ионосферы и атмосферы. Суммарно совокупность всех ошибок может довести погрешность до 100 метров. Некоторые ошибки можно устранить математически.
Чтобы уменьшить все погрешности, используют дифференциальный режим GPS. В нем приемник получает по радиоканалу все необходимые поправки к координатам от базовой станции. Итоговая точность измерения достигает 1-5 метров. При дифференциальном режиме существует 2 метода корректировки полученных данных – это коррекция самих координат и коррекция навигационных параметров. Первый метод использовать неудобно, так как все пользователи должны работать по одним и тем же спутникам. Во втором случае значительно увеличивается сложность самой аппаратуры для определения местоположения.
Существует новый класс систем, который увеличивает точность измерения до 1 см. Огромное влияние на точность оказывает угол между направлениями на спутники. При большом угле местоположение будет определяться с большей точностью.
Точность измерения может быть искусственно снижена Министерством обороны США. Для этого на устройствах навигации устанавливается специальный режим S/A – ограниченный доступ. Режим разработан в военных целях, чтобы не дать противнику преимущества в определении точных координат. С мая 2000 года режим ограниченного доступа был отменен.
Все источники ошибок можно разделить на несколько групп:
Погрешность в вычислении орбит;
Ошибки, связанные с приемником;
Ошибки, связанные с многократным отражением сигнала от препятствий;
Ионосфера, тропосферные задержки сигнала;
Геометрия расположения спутников.
В систему GPS входит 24 искусственных спутника Земли, сеть наземных станций слежения и навигационные приемники. Станции наблюдения требуются для определения и контроля параметров орбит, вычисления баллистических характеристик, регулировка отклонения от траекторий движения, контроль аппаратуры на бору космических аппаратов.
Характеристики навигационных систем GPS:
Количество спутников – 26, 21 основной, 5 запасных;
Количество орбитальных плоскостей – 6;
Высота орбиты – 20000 км;
Срок эксплуатации спутников – 7,5 лет;
Рабочие частоты – L1=1575,42 МГц; L2=12275,6МГц, мощность 50 Вт и 8 Вт соответственно;
Надежность навигационного определения – 95%.
Навигационные приемники бывают нескольких типов – портативные, стационарные и авиационные. Приемники также характеризуются рядом параметров:
Количество каналов – в современных приемников используется от 12 до 20 каналов;
Наличие картографической поддержки;
Различные технические характеристики – материалы, прочность, защита от влаги, чувствительность, объем памяти и другие.
Принцип действия самого навигатора – в первую очередь устройство пытается связаться с навигационным спутником. Как только связь будет установлена, происходит передача альманаха, то есть информации об орбитах спутников, находящихся в рамках одной навигационной системы. Связи с одним только спутником недостаточно для получения точного местоположения, поэтому оставшиеся спутники передают навигатору свои эфемериды, необходимые для определения отклонений, коэффициентов возмущения и других параметров.
Холодный, теплый и горячий старт GPS навигатора
Включив навигатор впервые или после долгого перерыва, начинается долгое ожидание для получения данных. Долгое время ожидания связано с тем, что в памяти навигатора отсутствуют либо устарели альманах и эфемериды, поэтому устройство должно выполнить ряд действий по получению или обновлению данных. Время ожидания, или так называемое время холодного старта, зависит от различных показателей – качество приемника, состояние атмосферы, шумы, количество спутников в зоне видимости.
Чтобы начать свою работу, навигатор должен:
Найти спутник и установить с ним связь;
Получить альманах и сохранить его в памяти;
Получить эфемериды от спутника и сохранить их;
Найти еще три спутника и установить с ними связь, получить от них эфемериды;
Вычислить координаты при помощи эфемерид и местоположения спутников.
Только пройдя весь этот цикл, устройство начнет работать. Такой запуск и называется холодным стартом.
Горячий старт значительно отличается от холодного. В памяти навигатора уже имеется актуальный на данный момент альманах и эфемериды. Данные для альманаха действительны в течение 30 дней, эфемерид – в течение 30 минут. Из этого следует, что устройство выключалось на непродолжительное время. При горячем старте алгоритм будет проще – устройство устанавливает связь со спутником, при необходимости обновляет эфемериды и вычисляет местоположение.
Существует теплый старт – в этом случае альманах является актуальным, а эфемериды нужно обновить. Времени на это затрачивается немного больше, чем на горячий старт, но значительно меньше, чем на холодный.
Ограничения на покупку и использование самодельных модулей GPS
Российское законодательство требует от производителей уменьшать точность определения приемников. Работать с незагрубленной точностью может производиться только при наличии у пользователя специализированной лицензии.
Под запретом в Российской Федерации находятся специальные технические средства, предназначенные для негласного получения информации (СТС НПИ). К таковым относятся GPS трекеры, которые используются для негласного контроля над перемещением транспорта и прочих объектов. Основной признак незаконного технического средства – его скрытность. Поэтому перед приобретением устройства нужно внимательно изучить его характеристики, внешний вид, на наличие скрытых функций, а также просмотреть необходимые сертификаты соответствия.
Также важно, в каком виде продается устройство. В разобранном виде прибор может не относиться к СТС НПИ. Но при сборе готовое устройство уже может относиться к запрещенным.