ИЗМЕРЕНИЕ РАССТОЯНИЯ ДО СПУТНИКА

Поскольку GPS основана на использовании расстояний до спутников, находящихся в космосе, необходим метод для определения этих расстояний.

Удивительно, но основная идея, которая здесь используется, есть всего навсего старое школьное равенство: "пройденное расстояние равно скорости, умноженной на время движения". Например: "Если машина движется со скоростью 60 миль в час в течение 2-х часов, ее скорость (60 миль в час), умноженная на время движения (2 часа) даст расстояние (120 миль)".

GPS работает, измеряя время, за которое радиосигнал спутника доходит до приемника на Земле, а затем по этому времени вычисляет расстояние.

Радиоволны распространяются со скоростью света - около 300000 километров в секунду. Таким образом, если мы сможем точно определить момент времени, в который спутник начал передачу, и момент, когда мы получили его сообщение, мы будет знать, как долго оно шло до нас. Мы умножим это время в секундах на скорость распространения сигнала 300000 километров в секунду и получим искомое расстояние.

Естественно, что при таком подходе часы в системе должны быть весьма точны и совершенны, особенно при измерении малых отрезков времени, так как и свет, и радиосигналы распространяются непостижимо быстро. Например, если бы спутник находился в зените, т.е. прямо над головой, потребовалось бы около 0,06 секунды для распространения его радиосигнала.

Хорошо известны 20-долларовые кварцевые часы, которые показывают невероятно точное время. GPS строится с применением сходных, но существенно более совершенных методов и средств измерения времени. В некотором смысле GPS - дитя электронной революции, которое измеряет время с наносекундной точностью. А это - 0,000000001 секунды. Равные по точности хода электронные часы в наше время чрезвычайно дороги. Теперь несколько подробнее обо всем этом.

Как определяется момент времени, в который сигнал покинул спутник

Главной трудностью при измерении времени распространения радиосигнала является точное выделение момента времени, в который сигнал передан со спутника. Для этого разработчики GPS обратились к разумной идее: синхронизировать спутники и приемники так, чтобы они генерировали один и тот же бинарный (двоичный) код точно в одно и то же время. А далее, все, что останется сделать, так это принять код от спутника и посмотреть, как давно приемник воспроизвел тот же код. Выявленный таким образом сдвиг одного кода по отношению к другому будет соответствовать времени прохождения сигналом расстояния от спутника до приемника.

Простейшая аналогия

Для того, что бы представить как это происходит, вообразите себя и своего товарища стоящими на противоположных краях футбольного поля. Теперь, предположим, существует способ убедиться в том, что вы оба, точно в один и тот же момент времени, начали считать до десяти. Вы громко произносите числа во время счета. Прежде всего, Вы услышите свои собственные слова: " Один, два, три, ..., а затем, чуть позже, и голос друга, говорящего "один, два, ..." и так далее. Вы были бы готовы сказать "три" к тому моменту, когда услышали, как он говорит "один". Это происходит потому, что требуется время для прохождения звуком его голоса всего пути через стадион.

Так как оба начали считать одновременно, то можно измерить время между тем моментом, когда Вы сказали "один", и тем моментом, когда Вы услышали, как друг произнес "один". Это время и будет временем прохождения звуком расстояния над футбольным полем. Примерно то же происходит и в GPS.

Преимуществом использования кодовых посылок ( кодовых последовательностей) или, в случае этого простейшего примера, - ряда чисел, является то, что можно выполнить измерение запаздывания в любой момент времени. Иначе говоря, совсем необязательно измерять промежуток между моментами времени, когда Вы сказали "один" и когда услышали, как Ваш друг сказал "один". Можно сделать то же самое измерение между любой парой чисел, например, между "восьмерками". Можно включиться в любой момент на протяжении всей "передачи".

Псевдослучайные коды

GPS, конечно, использует не числа. Как спутники, так и приемники в действительности генерируют очень сложные цифровые кодовые последовательности. Коды усложняются специально, чтобы их можно было надежно и однозначно сравнивать, а также по некоторым другим причинам, о которых будет сказано позже. Так или иначе, коды настолько сложны, что они выглядят как длинный ряд случайных импульсов, как некоторая "шумовая дорожка". В действительности они не случайные. Они являются тщательно отобранными, "почти" случайными последовательностями логических нулей и логических единиц, последовательностями, которые повторяются каждую миллисекунду. Поэтому их часто рассматривают как "псевдослучайные" коды.

ТАКИМ ОБРАЗОМ:

• Расстояние до спутника определяется путем измерения промежутка времени, который требуется радиосигналу, чтобы дойти от спутника до приемника.
• Как спутник, так и приемник генерируют один и тот же псевдослучайный код строго одновременно в общей шкале времени.
• Определение времени распространения сигнала осуществляется путем сравнения запаздывания его псевдослучайного кода по отношению к такому же коду приемника.
  

Материал из Википедии — свободной энциклопедии