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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA GPS - ¿es todo tan simple y confiable?. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / radiocomunicaciones civiles GPS en traducción del inglés es un sistema de posicionamiento global. El sistema estadounidense de radionavegación por satélite GPS está diseñado para brindar soporte de navegación de alta precisión a escala global para todas las ramas de las fuerzas armadas de los EE. UU. y usuarios civiles. El gobierno de EE. UU. ha gastado más de $10 mil millones para crear este sistema y continúa gastando dinero en su mayor desarrollo y apoyo. El desarrollo del sistema comenzó en los años 70. En 1978 se lanzaron los primeros satélites. En 1983, el sistema se abrió para uso civil y en 1991 se levantaron las restricciones a la venta de equipos receptores en Rusia. Los barcos y embarcaciones rusos comenzaron a equiparse activamente con receptores GPS. En la primera década del nuevo milenio, los sistemas de navegación por satélite se convertirán en el principal medio de posicionamiento de objetos terrestres, aéreos y marítimos. Con la moderna tecnología de circuitos integrados, los receptores GPS y GLONASS son pequeños, confiables y baratos, por lo que con el tiempo los turistas, los entusiastas de los automóviles e incluso los recolectores de hongos podrán comprarlos. El receptor conectado al buscapersonas puede decirle dónde está caminando su hijo actualmente o dónde, por ejemplo, está su automóvil. Y se hará con alta precisión. Con la ayuda del receptor, no solo se determina la ubicación del objeto en movimiento, sino que también se calcula la velocidad de su movimiento, la distancia recorrida, la distancia y la dirección hasta el punto deseado, la hora de llegada y las desviaciones del curso establecido. Aparentemente, es útil recordar los principios de funcionamiento de un sistema de navegación por satélite. Para determinar con precisión su ubicación en el suelo, tradicionalmente utilizan signos geodésicos o puntos de referencia geodésicos u objetos astronómicos (el Sol, las estrellas). En los sistemas de radionavegación, dichos marcadores geodésicos son radiobalizas, cuya ubicación es bien conocida. Un sistema de navegación por satélite funciona de manera similar, donde en lugar de señales geodésicas y radiobalizas, se utilizan satélites que emiten señales especiales. La ubicación actual de los satélites en órbita es bien conocida. A diferencia de las señales geodésicas, son móviles, su período de revolución alrededor de la Tierra es de 12 horas, los propios satélites transmiten información sobre su ubicación. Su distancia se determina midiendo la cantidad de tiempo que tarda una señal de radio en viajar desde un satélite a un receptor de radio y multiplicándolo por la velocidad de la onda electromagnética. La sincronización de los relojes de los satélites (que utilizan generadores de referencia de frecuencia atómica) y los receptores proporciona una medición precisa de las distancias a los satélites. Para calcular las coordenadas de un lugar en la Tierra, necesitas saber las distancias a los satélites y la ubicación de cada uno de ellos en el espacio exterior. Los satélites GPS están en órbitas altas (20 km) y sus coordenadas son . se puede predecir con gran precisión. Las estaciones de rastreo del Departamento de Defensa de los EE. UU. detectan regularmente incluso los cambios más pequeños en las órbitas, y estos datos se transmiten a los satélites. Las distancias medidas a los satélites se denominan pseudodistancias porque existe cierta incertidumbre en su determinación. La cosa es. que la ionosfera y la troposfera de la Tierra provocan retrasos en las señales de los satélites, introduciendo un error en el cálculo de la distancia. Hay otras fuentes de errores, en particular, los errores de cálculo de los ordenadores de a bordo, el ruido eléctrico de los receptores y la propagación de ondas de radio por trayectos múltiples. Una posición relativa desafortunada de los satélites en el cielo también puede conducir a un aumento correspondiente en el error de posicionamiento total. Para determinar distancias, los satélites y los receptores generan secuencias complejas de códigos binarios denominadas códigos pseudoaleatorios. La determinación del tiempo de propagación de la señal se realiza comparando el retardo del código pseudoaleatorio del satélite respecto al mismo código del receptor. Cada satélite tiene sus propios dos códigos pseudoaleatorios. Para distinguir entre códigos de medida de alcance y mensajes de información de diferentes satélites, el receptor selecciona los códigos correspondientes. Los códigos de distancia pseudoaleatorios y los mensajes de información satelital permiten la transmisión de mensajes de todos los satélites simultáneamente, en la misma frecuencia, sin interferencia mutua. La potencia de radiación de los satélites es baja y la influencia mutua de las señales de los satélites es insignificante. La precisión de la medición se puede mejorar mediante el uso de mediciones diferenciales Una estación de referencia terrestre con coordenadas geodésicas conocidas con precisión calcula la diferencia entre la posición de su receptor y su posición real. La diferencia en forma de corrección se transmite a los consumidores a través de canales de radio para corregir las lecturas de los receptores. Estas correcciones eliminan una parte significativa de los errores en las mediciones de distancia y ubicación. El cálculo de coordenadas en los receptores se realiza automáticamente y se proporciona al usuario en una forma cartográfica conveniente. El sistema GPS global incluye tres segmentos. El primero, espacial, incluye 24 IC3. girando en seis órbitas, cuatro satélites cada una, a una altitud de 20 km. El segundo, basado en tierra, consiste en un complejo de estaciones de control en tierra, control y entrada de datos para corregir la información de navegación por satélite. La estación líder está ubicada en el Centro de Control de Sistemas Espaciales Militares Conjuntos en Colorado Springs. Las estaciones de monitoreo miden constantemente los parámetros de las efemérides satelitales y transmiten información correctiva a los satélites a través de estaciones transmisoras para su transmisión a los consumidores. El tercer segmento incluye equipos de usuario: receptores de señales satelitales, que determinan y presentan todos los datos de navegación requeridos. El principal consumidor de información GPS es el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. Se han introducido receptores GPS en todos los aviones y barcos de combate y transporte, así como en los sistemas de guía de los misiles de crucero de alta precisión y en los sistemas de guía de las nuevas bombas guiadas estadounidenses. Esto significa que el ejército de los EE. UU. puede planear lanzar ataques con misiles guiados con precisión desde una distancia de 1000 km, no solo contra edificios y estructuras, sino incluso con la precisión de golpear una ventana determinada. Además, estos ataques pueden lanzarse desde submarinos y desde el aire. Las principales ventajas de los receptores GPS. listados arriba. - Confiabilidad, facilidad de mantenimiento, capacidad de ubicación las XNUMX horas y cumplimiento de estándares internacionales. Sin embargo, no todo es tan sencillo y accesible como parece a primera vista. El parámetro principal que caracteriza el sistema de navegación es la precisión de posicionamiento. Desde 1983, como ya se mencionó, el sistema GPS ha estado abierto para uso civil, pero aclararemos, no completamente. Para los receptores GPS civiles profesionales, por lo general por menos de $5000, solo está disponible el modo C/A, la llamada señal de acceso libre emitida por los satélites a una frecuencia de 1575,42 MHz (L1), que proporciona una precisión de posicionamiento dentro de los 100 m. De hecho, la tasa de error puede alcanzar los 300 m. El gobierno de EE. UU. se reserva el derecho de reducir la precisión de las señales C/A disponibles en cualquier momento activando el llamado modo de acceso selectivo. En otras palabras, se crea deliberadamente un desplazamiento significativo del reloj del satélite y se cambian los parámetros del código C/A pseudoaleatorio, lo que introduce deliberadamente distorsiones en la información sobre la ubicación actual del satélite. Todo esto conduce a errores significativos en el posicionamiento y, de hecho, a la imposibilidad de una navegación precisa utilizando el sistema GPS, lo que crea los requisitos previos para accidentes e incluso desastres. La cuestión es que tal distorsión deliberada de los datos concierne a todos los consumidores de la señal GPS civil. Al mismo tiempo, la introducción del acceso selectivo proporciona a los usuarios militares indicadores del receptor GPS para un funcionamiento normal y la alta precisión necesaria. Para ello, los satélites en la segunda frecuencia, 1227,6 MHz (L2), emiten un código PY militar que proporciona una alta precisión, pero que no está disponible para los receptores civiles. El costo de los indicadores del receptor con acceso al código militar es en promedio de $ 50 XNUMX. Pero aquí, también, el ejército de los EE. UU. ha previsto el caso en que los indicadores del receptor con acceso al código militar PY pueden llegar a usuarios hostiles a los Estados Unidos. Para evitarlo, se introduce un modo de encriptación de código RY, que imposibilitará la navegación a usuarios no autorizados. La precisión del posicionamiento al acceder al código militar también aumenta debido a la comparación de los tiempos de llegada de las señales en las frecuencias L1 y L2. La recepción de señales con el código C / A en una sola frecuencia no brinda esa oportunidad. La peculiaridad de los sistemas de navegación por satélite es esa. que cuando fallan los satélites individuales, todas sus características se deterioran gradualmente. Luego, periódicamente hay zonas y grandes áreas donde la precisión de la medición se vuelve inferior a lo aceptable, lo que puede provocar incidentes graves. Muchas fallas del sistema GPS son detectadas solo por el complejo terrestre de estaciones. Los usuarios reciben una notificación sobre esto con un retraso de 15 minutos a 4 horas. Uno de estos eventos ocurre aproximadamente una vez cada cuatro meses. Los usuarios de GPS rusos, por regla general, se ven privados de la oportunidad de recibir información sobre tales fallas de manera oportuna. Un estudio más detallado de las características del sistema GPS resultó que el sistema de coordenadas geocéntricas WGS-84 que utiliza para los cálculos está orientado principalmente a los consumidores occidentales. En Rusia, para un mapeo preciso, se ha creado su propio sistema de coordenadas PZ-90. que no es lo mismo que WGS-84. ya que se basan en diferentes modelos del elipsoide terrestre. En consecuencia, las mismas latitudes y longitudes geodésicas de un punto en el suelo pueden diferir. En otras palabras, al determinar un lugar en un mapa ruso usando receptores GPS, los errores adicionales son inevitables debido a las diferencias en los sistemas de coordenadas. Desafortunadamente, en el mundo moderno, la confrontación económica y de información se ha convertido en un fenómeno normal. Al mismo tiempo, en las nuevas condiciones económicas, cuando muchos bienes y servicios estadounidenses inundaron el mercado, nuestros consumidores también tuvieron la oportunidad de utilizar los servicios del sistema GPS. Los estadounidenses se apresuraron a "replantear" su producto en todos los casos posibles de su uso, le guste o no, pero cuando navegue, digamos, en aguas de América del Norte y regiones aliadas de EE. UU., utilice el sistema GPS. Los propietarios de barcos receptores de este sistema pueden convertirse en rehenes del ejército estadounidense en cualquier parte del mundo y en cualquier momento. Además, incluso cuando navega en los mares costeros de Rusia con la ayuda del GPS, puede encallar debido a una falta de coincidencia en los sistemas de coordenadas geocéntricas. Un estudio detallado de la situación ha demostrado que la precisión del sistema GPS, en particular en América del Norte, se basa en una gran cantidad de correcciones para varias ciudades y ubicaciones en los Estados Unidos. que, por regla general, se ingresan previamente en la memoria electrónica de los receptores GPS. Para el territorio de Rusia, no existen tales correcciones en estos receptores. En vista de lo anterior, el uso exclusivo del sistema GPS en Rusia conduce a una violación de los intereses de su seguridad nacional. Desde 1982, se ha comenzado a trabajar en nuestro país en la creación de un sistema satelital de navegación global nacional: GLONASS, que opera aproximadamente con los mismos principios que el GPS y brinda la posibilidad de uso civil. Ya en septiembre de 1993, este sistema se puso oficialmente en funcionamiento y en 1995 se desplegó con una dotación completa de satélites. La principal característica distintiva del sistema ruso GLONASS es que, en el modo de aplicación civil, logra una precisión de posicionamiento. cerca de la precisión proporcionada por los receptores GPS que utilizan el código militar PY Además, los receptores GLONASS funcionan tanto en el sistema de coordenadas GPS WGS-84 como en el sistema de coordenadas ruso PZ-90. En 1996, el gobierno de la Federación Rusa proporcionó el sistema GLONASS como uno de los componentes del sistema de navegación mundial. Las fábricas rusas han producido una serie de dispositivos de navegación GLONASS: "Breeze", "Reper". "Patrón", "Gnomo-M", "Líder", "Goliat". Además, estos indicadores del receptor son una versión combinada de GLOHACC / GPS. El mercado de tales equipos en Rusia apenas comienza a tomar forma. Teniendo en cuenta las características destacadas del sistema GPS, los equipos domésticos pueden competir seriamente con casi sesenta empresas extranjeras que suministran una amplia gama de indicadores de receptores GPS al mercado ruso. Además, la Organización Marítima Internacional (OMI) en el mismo 1996 aprobó GLONASS y GPS solo como componentes del sistema mundial de radionavegación y recomendó usarlos en modo combinado. Receptores domésticos. por regla general, se combinan en estos dos sistemas y tienen un modo diferencial, por lo que tienen una ventaja en comparación con los receptores GPS de fabricación extranjera no alineados. Los usuarios rusos deberían sopesar seriamente los pros y los contras antes de comprar equipos importados. Por ejemplo, presentamos las características típicas de los receptores de navegación combinados GLOHACC/GPS de la Oficina de Diseño de Moscú "Korund". Los indicadores del receptor están diseñados para recibir señales de los sistemas GLONASS y GPS (código C/A) simultáneamente desde 14 satélites. El error cuadrático medio de ubicación es de 10 m, altura - 15 m con una ubicación favorable de los satélites GLONASS (para receptores GPS - 30 my 60 m, respectivamente). La precisión de determinar las coordenadas en el modo diferencial es de 1 ... 3 m, la altura es de 1,5 ... 4 m, el error al medir la velocidad es de 0,1 m/s. Se utilizan los sistemas de coordenadas PZ-90, SK-95, SK-42, WGS-84. Hay una interfaz RS-232 para la comunicación con los sistemas de control y procesamiento de información. Dimensiones - 180x195x70 mm, peso - de uno a dos kilogramos. Los fabricantes rusos de indicadores-receptores combinados de sistemas satelitales globales entraron en una difícil lucha de mercado con empresas extranjeras que producen equipos de propósito similar. Hay muchas razones para esperar que los productos creados por especialistas nacionales sean bastante competitivos con los indicadores de receptores extranjeros. Autor: V. Kuryshev, Severomorsk, región de Murmansk.
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