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什麼是 GPS:定位系統的類型、它的工作原理以及未來的發展方向

什麼是全球定位系統? 為什麼我們需要它? 不同的導航系統有什麼區別? 我們將討論本文中的所有內容。

目前,在我們看來,GPS 似乎是每個人都聽說過並且大多數人在日常生活中使用的日常、熟悉的事物。 這是我們在設備中使用的工具之一。 同時,我們甚至沒有考慮它是如何工作的,它來自哪裡,需要投入多少時間、精力和金錢來創建這個系統。 如今,GPS 信號接收器不僅 導航員、手機、智能手機、平板電腦、汽車,甚至是健身手環和“智能”手錶,它們的數據用於工業、業餘和專業運動、拉力和賽車,當然還有軍工行業。 讓我們仔細看看不同的導航系統。

什麼是衛星導航?

衛星導航,或全球導航衛星系統,是一個衛星系統,可以傳輸全球定位和精確時間的數據。 特定頻率的無線電波用於傳輸信息。 接收器接收到這些數據後,計算並顯示我們所在位置的坐標,即經度、緯度和海拔高度。
除了基礎系統(GPS、GLONASS、北斗、伽利略),太空中還有輔助系統。 這些是用於農業的所謂衛星校正系統 (SBAS),例如 Global Omnistar 和 StarFire。


在我們之上還有區域支持系統,例如美國的 WAAS、歐盟的 EGNOS、日本的 MSAC 和印度的 GAGAN,它們負責全球較小區域的數據細化。 所有這些都由地面組件支持,我們將在稍後討論。 系統中有很多定義,但我們不再贅述。

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衛星導航的類型

GPS 並不是目前唯一可用的衛星導航系統。 幾種類型的衛星飛過我們的頭頂,負責對我們放在口袋裡、戴在手腕上或在導航儀中使用的設備進行地理定位。 為什麼有多個系統而不是一個? 我相信大多數普通用戶都會問這個問題。 事實上,最初 GPS 系統是為軍事需要而創建的,而軍方仍然可以控制它。 這意味著他們控制著世界各地每個人的定位。 當然,很多人不喜歡這個位置,不僅是對手,甚至是朋友。 因此,認真的世界玩家決定開發他們的導航系統,以便他們的軍隊可以控制它們。 很快 GPS 類似物出現在世界上,相互競爭市場上最好和最準確的稱號。 對於我們普通用戶來說,這只是一個優勢。 因此,讓我們嘗試分別處理每個系統。

美國GPS

這是我們最常使用的第一個導航系統。 當我們想到衛星導航時,我們通常使用術語 GPS。 美國系統最初被稱為NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System,簡稱NAVSTAR-GPS。

GPS掌握在美軍手中,或者更確切地說是美國太空部隊。 Space Delta 8 檢查所有設備是否正常運行,該公司位於科羅拉多斯普林斯附近的 Shriver 空軍基地,作為 GPS 總部的一部分運行。

民用應用只是軍用應用的一個次要補充,其中佈局和最高定位精度是優先考慮的問題。 平民用戶會得到一個有點截斷的版本,但它仍然足夠好。 我們不需要幾十厘米的精度來駕駛汽車或跑步,但需要越來越高的精度,例如在導航、製圖、農業中監控田地、運輸公司跟踪車輛以及在許多其他領域。 因此,GPS系統不斷變化,衛星優化也在發生,這並不奇怪。

在使用過程中,該系統發生了變化,並且仍在進行現代化改造,不時將功能更強大的衛星引入網絡,而較早使用的舊衛星隨著時間的流逝而被銷毀。 它們中的大多數在大氣中燃燒,有時碎片會沉入太平洋。

1993 年,當所需數量的衛星進入軌道時,GPS 系統完全準備就緒。 但早在 1983 年,羅納德·裡根政府就批准了該系統的民用許可。 這發生在蘇聯擊落一架錯誤地侵犯蘇聯領空的韓國民用飛機之後。 然而,最初該系統對平民人口的精度僅限於 100 米。 但即便如此,在當時也足以避免進一步的災難。

WAAS(廣域增強系統)衛星還支持從太空運行 GPS 系統,它提供必要的數據校正以提高系統的準確性。 它們位於北美(部分位於南美),由 FAA(聯邦航空管理局)管理。 WAAS 旨在支持民用衛星導航應用。

俄羅斯格洛納斯

GLONASS 是全球導航衛星系統的縮寫,其工作原理類似於美國 GPS。 GLONASS 由 24 顆活動衛星組成,位於地球上方約 19 公里處,衛星的軌道運行時間為 100 小時 11 分鐘。 該系統的測試始於 15 年,即早在蘇聯。 它實際上是作為對美國發展的回應而創建的,在我們國家更為人所知的是“星球大戰”。 蘇聯不想在任何事情上向美國屈服,但“改革、公開、加速”完成了他們的工作。 由於缺乏資金,工程大多被縮減。 雖然,正如後來證明的那樣,並非一切都關閉了。 當 1982 年正式宣布 GLONASS 系統已準備好運行時,這對美國人來說確實是一個驚喜。 1993 年,俄羅斯人設法將一個由 1995 顆衛星組成的整個星座送入軌道。

但從一開始,一切都不是那麼好。 九十年代的葉利欽時代也影響了太空計劃。 沒有資金,沒有人對太空和衛星導航感興趣。 結果,2002 年只有 7 顆衛星仍在運行。 然而,俄羅斯人開始做生意,作為 2002-2011 年恢復計劃的一部分,將改進的 GLONASS-K 衛星以及隨附的現代地面控制系統投入運行。

在現代化的下一階段,即 2012-2020 年,主要關注改進 PNT(定位、導航和同步)的性能,以提高國家的安全性及其國防和民用系統的能力。 目前正在研製下一代衛星,即 GLONASS-K2。

中國北斗

中國於2000世紀末開始研製衛星導航系統。 1年,他們成功完成了北斗一號的第一階段開發,也就是眾所周知的北斗一號導航衛星系統。 作為該項目的一部分,中國和最近的外國都配備了定位系統。 下一步是 BDS-1,其衛星網絡覆蓋亞太地區。 2年,作為北斗三號工程的一部分,北斗系統在全球範圍內投入使用。

目前,有 35 顆衛星在軌,該計劃總共進行了 59 次發射,其有效載荷將下一代北斗系統送入軌道。 據中國當局稱,北斗三號計劃的創建有400多個機構和300万科學家和技術人員參與。 為了支持最新的衛星星座,已經建立了 000 多個地面站來監控系統的正確運行。 該系統的全球可用性估計為 3%,對於關鍵的亞太地區,它甚至更高,也就是說,它在那裡幾乎可以完美運行。 此外,中國人為提高系統的準確性做出了很多努力。

北斗還允許最多 14 位(000 個漢字)的短文本消息。 該值還可能包括照片或錄音。

與衛星導航系統的其他發展一樣,本地用戶為服務付費,但結果確實令人印象深刻。

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歐洲伽利略

伽利略系統最大的優勢是什麼? 與 GPS 和 GLONASS 不同,它仍然在平民手中,不屬於任何特定政府,就像在共產主義中國一樣。 該系統的構建僅考慮了民用市場,因此人口的需求最終會影響其發展。 誠然,伽利略是軍事定位系統中的一股清流。 迄今為止,伽利略計劃已完成28次發射,將30顆衛星送入軌道。 目前,該系統使用完整的衛星星座,但並非所有設備都始終可用,其中一些設備仍在倉庫中等待輪到。

地勤部門位於兩個中心 - 德國的 Oberpfaffenhofen 和意大利的 Fucino。 此外,該系統還包括一個由監測傳感器、測量和數據傳輸站組成的全球網絡。

由於所有這些系統的軌道越來越飽和,伽利略衛星的位置稍高一些,高度為 23 公里(最低的是 GLONASS,然後是 GPS,中國的北斗和伽利略金字塔的頂部)。 每顆衛星繞地球運行大約需要 222 個小時。 對於地球上的大多數地方,14 到 6 顆伽利略衛星始終可用,這意味著非常高的精度,在大多數情況下以厘米而不是米為單位進行測量。

伽利略與 GPS 系統兼容,進一步提高了測量精度,其運行也得到 EGNOS 系統(歐洲地球同步導航服務)的支持,該系統由負責提高衛星導航系統運行和精度的地面組件和衛星組成.

日本 MICHIBIKI (Michibiki)

為了確保在其領土上導航的準確性,日本創建了一個小型衛星星座,稱為準天頂衛星系統 (QZSS) 或 Michibiki。 在山區或高度城市化的地區,由於障礙物太多,單靠 GPS 通常是不夠的。 自 4 年 2018 月以來運行的 2024 顆衛星消除了這個問題。 其中三個仍在亞洲和大洋洲地區。 7年,計劃達到一個由個單元組成的衛星星座。 這將進一步提高系統的整體效率,使其獨立於 GPS。 因此,日本將確保其領土上的完全自治。

儘管與其他系統相比,QZSS 體積小,但它滿足了日本民眾的所有期望,並且還支持所有位於經線通過日本領土的國家的航運。

此外,日本還有一個名為 MTSAT 衛星增強系統(MSAS)的 GPS/Michibiki 精確支持系統。 它由兩顆衛星組成,其中包括提供天氣數據。

印度海軍陸戰隊

NavIC(NAVigation with Indian Constellation)是GPS的印度類似物,也稱為印度區域導航衛星系統(IRNSS)。 該系統在達到其所有功能後,其操作將與日本系統相似。 目前,在印度有 7 顆衛星在軌道上提供定位,距離該國邊界最遠 1500 公里。 該系統不依賴於 GPS。

NavIC 由 GAGAN(帶 GPS 的地球同步增強導航系統)支持,該系統由三顆額外的衛星和地面基礎設施組成。 隨著投入使用,EGNOS和MSAS系統之間的差距得到了彌合,進一步提高了民航安全水平。

全球援助系統

在描述單個系統時,我們還提到了區域支持系統。 然而,超越區域邊界的衛星導航操作也可以支持全球援助系統。 目前,可以區分其中兩種。 它們是 Omnistar 和 StarFire。 兩者都支持衛星導航,多用於現代精準農業的需求。 它們的使用需要特殊的接收器,由於農民在他的田地中移動,可以以高達 5-10 厘米的精度工作(記錄支持系統提供 1-2 厘米的精度)。 這種精確定位是作為一項服務提供的,並且需要直接為系統數據的交付支付額外費用。

該服務基於差分全球定位系統 (DGPS),歸結為使用位於指定位置的基站接收器。 除了衛星信號外,汽車上的接收器還接收來自固定基站接收器的校正。

Omnistar 是一家獨立公司,其發射器可用於各種機器,而 StarFire 系統來自農業設備製造商 John Deere,該公司提供精度為 ±3 厘米並與 GPS 和 GLONASS 配合使用的內置或外部系統。

GPS是如何工作的?

在本節中,我們將使用原始的即美國版本來描述 GPS 的操作,因為我們目前掌握的數據最多。 其他人的工作方式類似。

GPS衛星星座

一個相當密集的衛星網絡對於世界各地的正常運行是必要的。 對於一個由 24 顆衛星組成的星座,我們可以肯定,在地球上的任何時間和任何地點,我們都在其中四顆衛星的範圍內。 美國人普遍承諾至少有 24 個在 95% 的時間內可用。 目前,該系統由 31 顆衛星支持。 地球被分成 6 個相等的區域,衛星通過這些區域,每個區域有 4 個區域要覆蓋。

2011 年 24 月,發射了名為 Expendable 24 的改進型。27 顆衛星中的三顆,以及它們控制的領域,由一顆額外的衛星增強,以便在困難的地形條件下獲得更快的信號採集和更好的精度。 還進行了一些更改,以使 顆衛星的整個網絡盡可能高效。

GPS 衛星在可預測的 MEO(平均地球軌道)軌道上移動,高度約為 20 公里,因此您始終知道它們在哪裡。 此外,使用射電望遠鏡檢查它們的位置。 地面控製網絡由一個主控中心、一個備用控制中心、200個指揮控制天線和11個觀測站組成,因此衛星的位置始終是已知的。 每顆衛星繞地球一圈需要 16 個小時。

這一切在實踐中如何運作?

軌道衛星不斷傳輸無線電信號,這些無線電信號由我們具有適當接收器的設備接收。 每顆衛星都報告其位置和傳輸時間。 另外知道無線電波的傳播速度有多快,我們可以計算出與這顆衛星的距離。 如果我們從另外三顆衛星接收到額外數據並同時從四顆衛星下載數據,該設備將計算我們在來自所有衛星的數據交叉點的位置。

為了使事情順利和準確地工作,我們仍然需要準確測量信號發送的時間。 這是如何實現的? 每顆衛星都帶有一個原子鐘——人類發明的最精確的天文鐘。 這種手錶的準確度如何? 時間精確到百萬分之一秒!

接收設備使用所有這些數據來有效地計算我們的位置。 但是整個系統還必須考慮到狹義相對論等問題,狹義相對論是由一位廣為人知的愛因斯坦先生撰寫的。 物體離重力源越遠,時間越快,因此需要在每顆衛星上重新計算。 簡而言之,這一切都非常複雜,但幸運的是,我們多年來一直在使用這個系統,我們發現它可以工作,而且效果很好。

當然,系統的正常運行需要高素質人員的參與,其培訓水平可以與航天飛行控制中心相媲美。

GPS:數十億的項目成本

發射到軌道後,衛星不會永遠在那里工作。 舊版本的生命週期為 7,5 年,新版本的生命週期為 12 年,最新的 GPS III/IIIF 系統預計將在軌道運行 15 年(美國版系統的數據)。 在此之後,必須更換儀器,因此必須在無菌條件下構建新樣品,然後才能將這件藝術品送入軌道。

除了太空中的設備外,地面上還有監控設備和訓練有素的人員負責控制系統。 改進地面組件的工作也在進行中,現在主要關注新的下一代操作控制系統(OCX)和相關子系統。 變化是逐漸引入的,以免破壞整個 GPS 系統的運行。

大約 1,7 億美元(2020 財年)用於支持整個系統。 對於 2021 財年,開發商要求美國國會提供 1,8 億美元的 GPS 系統維護費用。 因此,給定這樣的金額,只有最大的國家才能負擔得起維持自治系統,其餘國家必須使用現有系統。 為了說明該計劃的成本是如何增長的,我們只能說 2012 年是 750 億美元(我們甚至沒有考慮通貨膨脹、計算方法和這裡的水平)。

GPS容易被屏蔽嗎?

GPS系統在軍隊中的黃金歲月正在慢慢被遺忘。 衛星信號的衰減和乾擾越來越普遍,因此僅基於空間數據的精確武器不再像以前那樣有效。 該問題不僅影響武器本身,還影響飛機、船舶、陸地車輛和任何其他配備 GPS 接收器的設備。

我們已經不止一次看到在地球上的“熱點”中阻擋 GPS 信號的例子。 碰巧港口或航行中的巨輪,例如在黑海,突然從地圖上消失,出現在30公里外,這與俄羅斯人在該地區的行動有關。 繼續這個話題,應該說,類似的措施經常在敘利亞舉行,以確保俄羅斯在該地區的基地的運作。 甚至以色列也遭受這種干擾,GPS 有時工作得更糟,這是一個嚴重的問題,例如民用空中交通。

干擾 GPS 信號並不是特別困難。 放置在受保護目標附近的具有適當功率和頻率的無線電發射器會阻止 GPS 接收器接收正確的數據。 衛星製造商正試圖通過開發更抗干擾的信號來解決這一問題,這些信號配備了最新版本的設備。 不過,這是一場貓捉老鼠的遊戲,優勢在驅逐艦一方。 他們可以以更低的成本和更強大的能力更快地響應變化。 畢竟,衛星不會在一周內發生變化。

除了陰險的目的,GPS 封鎖方法也被用來保護國家元首。 俄羅斯人特別喜歡這種工具也就不足為奇了。 普京的動向尤其如此,他們極力隱瞞,以至於在他所在的地區,所有的導航系統都可能在一段時間內根本無法工作。 俄羅斯人盡可能地保護總統的旅行路線,因此通過封鎖導航系統,他們至少部分地試圖排除無人機襲擊。

儘管存在上述問題和缺點,但我們不應指望軍方放棄 GPS 系統。 相反,將加強與乾擾系統的鬥爭,並將在設備和武器中增加額外的系統,以防止 GPS 信號受到干擾。

慣性導航將繼續改進,精確武器將永遠有另一種同樣有效的瞄準方法備用。 目前,正在對此類解決方案進行大量工作。 有關於圖像導航、天文導航(回到過去?)和磁異常導航的討論。 高科技! 因此,我們還有很多有趣的事情在等著我們。

民用衛星導航

但是普通用戶對軍方在那裡擁有的東西並不是很感興趣。 我們希望 GPS 幫助我們確定我們的位置,以便 航海家 正確佈置了在山區或晨跑或汽車旅行中遠足的路線。 現在很難想像沒有這些便利設施的現代人的生活。

原則上,我們可以說,即使我們不直接使用 GPS,也就是不自己打開接收機,我們仍然可以使用它。 該系統獨立工作,已成為我們生活中熟悉、方便和必要的一部分。

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Yuri Svitlyk

喀爾巴阡山脈之子、不為人知的數學天才、“律師”Microsoft,實用的利他主義者,左右

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  • juda 很棒的帖子 bo'pti。拉赫馬特

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    • Ijobiy réytingingiz uchun tashakkur, biz szadam berishdan khlettmiz!

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