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テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト
ナビゲーション システム GPS。 発明と生産の歴史
ディレクトリ / テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト GPS (英語の Global Positioning System - 全地球測位システム、GPS と読む) - WGS 84 世界座標系で距離、時間、位置を決定する衛星ナビゲーション システムで、地球上のどこでも (周極地域を除く)、ほぼすべての場所で使用できます。地球近傍空間と同様に、天候によって物体の位置と速度が決まります。 このシステムは米国国防総省によって開発、実装、運用されており、現在は民間目的での使用が可能です。必要なのは、GPS 受信機を備えたナビゲーターまたはその他のデバイス (スマートフォンなど) だけです。 このシステムを使用する基本原理は、消費者のアンテナがナビゲーション衛星から同期信号を受信する瞬間を測定することによって位置を特定することです。 XNUMX 次元座標を決定するには、GPS 受信機には XNUMX つの方程式が必要です。「距離は、光速と、消費者による信号受信の瞬間と衛星からの同期放射の瞬間の差との積に等しい」 ”: |x - a_{j}| = c(t_{j} - \tau)。 ここで: a_{j} は {j} 番目の衛星の位置、t_{j} は消費者の時計に基づく {j} 番目の衛星からの信号受信の時刻、\tau は未知の時刻です。消費者の時計に従ってすべての衛星が発信する同期信号、c は光の速度、x は消費者の未知の XNUMX 次元位置です。
GPS受信機の助けを借りて、移動物体の位置だけでなく、その移動速度、移動距離、目的の地点までの距離と方向、到着時間、設定されたコースからの偏差も決定されます計算されます。 今日、それはすでに明らかです。新しい千年紀の最初のXNUMX年間で、衛星ナビゲーションシステムは、陸、空、海の物体の測位の主要な手段になるでしょう。 今日の技術では、GPS受信機は小型で信頼性が高く、安価であるため、平均的な消費者にとってよりアクセスしやすくなっています。 まず、NAVSTAR Space Radio Navigation System (NAVSTAR) が登場しました。 米国での時間と範囲の測定に基づくナビゲーション システムは、主に軍隊と軍事装備の座標時間サポートのために作成されました。 最初のアメリカの航法衛星は 1978 年 1983 月に打ち上げられ、その後、民間の生活への衛星航法方法の積極的な導入が始まりました。 747 年まで、ナビゲーション システムは軍専用でした。 しかし、ボーイング XNUMX がタタール海峡で撃墜された後、システムは民間用に開放されました。 それから、実際には、略語GPS（全地球測位システム）が登場しました-全地球測位システム。 「位置決め」という用語は、「位置決め」という用語よりも広義です。 位置決めには、座標の決定に加えて、移動オブジェクトの速度ベクトルの決定も含まれます。 米国政府は、このシステムの作成にXNUMX億ドル以上を費やし、そのさらなる開発とサポートに引き続き資金を費やしています。 衛星航法システムは、測地標識や無線ビーコンの代わりに、特殊な信号を発信する衛星を使用します。 軌道上の衛星の現在位置はよく知られています。 衛星は、その位置に関する情報を常に送信しています。 それらの距離は、無線信号が衛星から無線受信機まで伝わるのにかかる時間を測定し、それに電磁波の速度を掛けることによって決定されます。 原子基準周波数発振器と受信機を使用して衛星のクロックを同期させることにより、衛星までの距離の正確な測定が実現されます。 「地球上の場所の座標を計算するには、宇宙空間での衛星までの距離とそれぞれの位置を知る必要があります。GPS衛星は高軌道にあります（20000米国国防総省の追跡ステーションは、軌道のわずかな変化でも定期的に決定し、これらのデータを衛星に送信します。衛星までの測定距離は、いくつかあるため、疑似距離と呼ばれます。地球のイオノスフィアとトロポスフィアは衛星信号の遅延を引き起こし、距離の計算にエラーをもたらします。他にもエラーの原因があります。特に、コンピューターの計算エラー、受信機の電気ノイズ、電波のマルチパス伝搬。不幸なことに、衛星が空に相対的に配置されていると、それに対応して全位置誤差が増加する可能性があります。 分割。 距離を決定するために、衛星と受信機は疑似乱数コードと呼ばれる複雑なバイナリ コード シーケンスを生成します。 信号伝播時間の決定は、受信機の同じコードに対する衛星の疑似ランダム コードの遅延を比較することによって実行されます。 各衛星には、独自の XNUMX つの疑似乱数コードがあります。 異なる衛星の測距コードと情報メッセージを区別するために、対応するコードが受信機で呼び出されます。 衛星の疑似ランダム測距コードと情報メッセージにより、衛星からメッセージを同時に、同じ周波数で、相互干渉なしに送信できます。 衛星の放射電力と衛星からの信号の相互影響は重要ではありません。 差動測定を使用すると、測定精度を向上させることができます。 測地座標が正確にわかっている基準地上局は、受信機からの座標と実際の座標との差を計算します。 補正の形式の違いは、受信機の読み取り値を補正するために無線チャネルを介して消費者に送信されます。 これらの補正により、距離と位置の測定値の誤差の大部分が解消されます。 インジケータの受信時の座標の計算は自動的に実行され、便利な地図形式で情報を使用することができます。 GPS は、スペース セグメント、コントロール セグメント、ユーザー セグメントの 3 つのセグメントで構成されます。
宇宙セグメントは、高度約24キロメートルの6つの軌道（それぞれ20350つ）にある28個の衛星で構成されています。 現在、XNUMX個の衛星が運用されています。 「追加の」衛星は、故障した衛星の保険と交換に使用されます。 コントロールセグメントは、地球上のいくつかのポイントに配置された観測ステーションとメインコントロールステーションで構成されています。 リード ステーションは、コロラド スプリングスの合同軍事宇宙システム コントロール センターにあります。 センターは、追跡ステーションからデータを収集して処理し、衛星の天体暦とクロック パラメータを計算して予測します。 観測ステーションは衛星を監視し、その動きに関するすべての情報を記録します。この情報は、軌道修正とナビゲーション情報のためにメイン コマンド ステーションに送信されます。 ユーザーセグメントには、座標、速度、および時間を決定できるユーザー機器が含まれます。 GPS 情報の主な消費者は、米国国防総省です。 GPS 受信機は、すべての戦闘機、輸送機、船舶、高精度巡航ミサイルの誘導システム、米国の新しい誘導爆弾の誘導システムに導入されています。 これは、米軍が建物や構造物に対してだけでなく、特定のウィンドウ内でも、千キロメートルの距離から高精度のミサイル攻撃を開始することを計画できることを意味します。 さらに、これらのストライキは潜水艦と空中から配信できます。
ロシアにも同様のシステムがあります。アメリカ人によるNAVSTARの作成に応えて、ソ連は独自の全地球航法衛星システムであるGLONASSを作成しました。 最初の国内航法衛星コスモス-192は27年1967月1979日に軌道に打ち上げられ、4年に1982つの低軌道衛星を含む第1996世代の航法システムCicadaが作成されました。 その後、XNUMX年に新しいGLONASSナビゲーションシステムの最初の衛星が打ち上げられました。 GLONASS衛星の数はXNUMX年に標準状態になりました。 GLONASS 衛星は、高度約 19100 キロメートルにあります。 NAVSTAR 衛星とは異なり、GLONASS 衛星はそれぞれ 8 つの軌道に配置され、それぞれに 11 つの衛星が配置されます。 衛星の公転周期は15時間XNUMX分。 GPSと同様に、GLONASSは軍と民間の両方のユーザーによって使用されます。 ただし、このシステムのユーザーはそれほど多くありません。実際、1998年以降開発されていません。 衛星のコンステレーションは毎年減少します。 その理由は平凡であり、ほとんどの国内開発の標準であると言えます。州には資金がなく、ロシアでの衛星ナビゲーションシステムの使用を管理する法的枠組みでは、民間の消費者を犠牲にしてシステムを開発することは許可されていません。 GLONASS の開発の見通しは、州の立場によって異なります。 彼は、このナビゲーション システムを幅広い消費者に公開するかどうかを決定する必要があります。 2000 年 1990 月、ロシアの科学者はウラジーミル・プーチン (当時のロシア大統領代行) に公開書簡を送り、そこで彼らは GLONASS の開発に関する彼らの見解を概説しました:座標; 第二に、政府令により、国内の一般地球測地座標系「90年の地球のパラメータ」（PZ-XNUMX）と、ロシアおよび世界の国々で大量に使用されるGLONASS衛星航法システムを制定する...」 これまでのところ、大統領は何の決定も下していません。 ロシアのシステムとは異なり、GPSは常に民間ユーザーに開放されるように進化してきました。 1年2000月5日より前は、GPSアクセスが選択的であったため、位置精度が数百メートルに低下していました。 同時に、軍隊の精度は20〜1メートルでした。 しかし、10月XNUMX日、クリントン大統領は、民間ユーザーのGPS信号精度の低下に終止符を打つことを発表しました。 「これは、民間のGPSユーザーが現在利用可能なもののXNUMX倍正確に特定できることを意味します」と彼は言いました。 なぜ米国政府はこれを必要とし、ナビゲーション システムに何を提供するのでしょうか? ご自分で判断してください: 米国大統領のプレス サービスによると、2000 年には世界中で 4 万人を超える GPS ユーザーがおり、2003 年までにこのナビゲーション システムの市場は 8 億ドルから 16 億ドルに倍増します。 このお金でシステムを維持するだけでなく、開発することもできると説明する必要がありますか? 米国は、GPS のパフォーマンスを向上させるために、18 個の追加の衛星を軌道に投入することを既に計画しています。 ロシアのナビゲーションシステムの開放性に対する標準的な反対は、常に担保権でした。 軍は、ナビゲーションシステムがすべての人に利用可能になれば、国家に対する外部および内部の敵によって使用される可能性があることを恐れていました。 ただし、この説明はかなり弱いものです。米国は、GPSをすべての人が利用できるようにすることで、米国のセキュリティをまったく損なうことなく、信号の「地域的な精度の低下」の権利を留保しています。 実際には、これは、特定の国との紛争が発生した場合、米軍が敵が使用するGPS受信機の精度を低下させたり、完全にオフにしたりできることを意味します。 したがって、すべてが平和である一方で、GPSユーザーからお金を受け取ることができます。 問題が発生したらすぐにオフにすることができます。 今日、このナビゲーション システムの適用分野をすべて列挙することさえ容易ではありません。 Oleg Tatarnikov が Computer-Press 誌で指摘しているように、「GPS 受信機は車、携帯電話、さらには腕時計にも組み込まれています。観光客はポケット受信機を使用してルートを計画し、明確にナビゲートします。ハンターや漁師は、貴重な狩猟や釣りの場所の座標をマークします。オートツーリストは、ガソリンスタンドを示すルートを交換します。 GPSの勝利の行進を止めるものは何もありません。 受信機のサイズは急速に縮小し、安くなっています。マッチボックスサイズのデバイスは、今日すでに50ドル未満で購入できます。 ナビゲーションチップは時計や携帯電話に組み込まれており、盗難車の場所を警察に知らせるカーアラームの不可欠な部分になります。 幅広いアプリケーションを受信していない無線信号システムとは異なり、そのようなシステムは方向探知局の特別なネットワークを必要としません-従来のモバイル通信がここで使用されます。 さらに、ドライバーはボタンをXNUMXつ押すだけで、強盗や事故を知らせることができます。 別のボタンは救急車を呼びます。 近い将来、「ルートパッケージ」全体が自動車用電子機器市場に登場することが期待されています。これは、ロシアの都市や地域の電子地図を備えた本格的な車載ナビゲーションシステムです... ... GPS受信機は、さまざまな問題の解決に使用されます。地質学者は地球の地殻の微妙な動きをリアルタイムで監視し、救助者は災害現場を特定し、動物学者は携帯型インジケーターと無線送信機で首輪を作り、動物の移動を研究します。軍隊はホーミングミサイルと爆弾を製造し、昨年の米国ナショナルジオグラフィック協会の遠征隊はエベレストの高さをセンチメートル単位の精度で測定しました。」
雑誌「Computerra」は、人体への埋め込み用に設計された GPS チップの会社の XNUMX つのリリースについてのメッセージを掲載しました。 よくあることですが、ナビゲーション システムには他にも多くの便利な機能が追加されています。 このシステムの助けを借りて、たとえば、科学実験で必要な超正確な時間を決定したり、歩いたり走ったりするときに発生する速度や移動距離を測定することができます。 GPS は車の最高速度と平均速度を示し、特に速度計と走行距離計の読みの正確さを確認できます。 言うまでもなく、このシステムでのナビゲーションは大幅に簡素化されます。 その結果、プロの「ナビゲーター」の中には、古典的なナビゲーションデバイスの操作方法を知らない世代のスペシャリストがいます。 著者：Musskiy S.A.
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