Գլոբալ տեղորոշման համակարգ

Գլոբալ Տեղորոշման Համակարգը (ԳՏՀ, անգլ.՝ GPS) միակ լիիրավ գործող Գլոբալ Նավիգացիոն Արբանյակային Համակարգն է, որը բաղկացած է 24 արբանյակներից, որոնք հեռարձակում են ճշգրիտ միկրոալիքային ազդանշաններ, հնարավորություն տալով ԳՏՀ ընդունիչներին որոշելու իրենց դիրքը, արագությունը, ուղղությունը և ժանանակը։ Այն ստեղծվել է Միացյալ Նահանգների Պաշտպանության նախարարության կողմից։ Նմանատիպ համակարգերից է նաև ռուսական ԳԼՈՆԱՍ֊ը, եվրոպական Գալիլեո տեղորոշման համակարգը, չինական ԲեյԴոու նավիգացիոն համակարգը (նաև հայտնի որպես «ԿՈՄՊԱՍՍ») և հնդկական IRNSS–ը։ Սակայն բոլոր վերոհիշյալները դեռ մշակման և ստուգման փուլերում են, և արբանյակների թիվը երկրածիրում չի հասցվել նախատեսված թվին։

ԳՏՀ արբանյակի կոնցեպտ

ԳՏՀ ընդունիչ

Սովորական ԳՏՀ ընդունիչը որոշում է իր դիրքը, հիմնվելով չորս և ավելի ԳՏՀ արբանյակներից ստացված ազդանշանների վրա։ Այդ ստացված ինֆորմացիայի հիման վրա որոշվում են դիրքային պարամետրերը՝ x, y, z, և ժամանակը՝ t: Յուրաքանչյուր ԳՏՀ արբանյակ ունի ատոմային ժամացույց և շարունակ հեռարձակում է հաղորդագրություններ, որոնք պարունակում են հաղորդագրության ուղարկման ժամանակը, հեռարձակող արբանյակի դիրքի հաշվման համար անհրաժեշտ պարամետրերը (էֆեմերիդ), և արբանյակների վիճակային պարամետրերը (ալմանաք)։ Ազդանշաններն փոխանցվում են լույսի արագությամբ մինչև երկրին հասնելը, և փոքր-ինչ ավելի դանդաղ մթնոլորտի միջով։ Ընդունիչը՝ օգտագործելով հաղորդագրության ստացման ժամանակը, հաշվում է իր հեռավորությունը յուրաքանչյուր արբանյակից, որից և այն որոշում է իր դիրքը։

Համակարգի Սեգմենտացիա

ԳՏՀ-ն կազմված է երեք հիմնական սեգմենտներից՝ տարածքային սեգմենտից (ՏՍ), կառավարման սեգմենտից (ԿՍ) և օգտագործողի սեգմենտից (ՕՍ)^[1]։

Տարածքային սեգմենտն իր մեջ ընդգրկում է ԳՏՀ արբանյակներին՝ թվով 24–ը, որոնք դասակարգված են 6 հատ հարթությունների վրա^[2]։ Ուղեծրերը դասավորված են այնպես, որ երկրի կամայական կետից գրեթե միշտ հասանելի են 6 հատ արբանյակ^[3]։ Գտնվելով 20.200կմ բարձրության վրա, յուրաքանչյուր արբանյակ մեկ աստղային օրվա ընթացքում կատարում է երկու լրիվ պտույտ^[4]։

Կառավարման սեգմենտի մեջ մտնում են ԳՏՀ–ն վերահսկող երեք մոնիթորինգային կայանները, որոնք պարբերաբար ուղարկում են նավարկման ճշտումներն արբանյակներին՝ ստեղծված Կալմանի ֆիլտրի կողմից, որը գեներացնում է դրանք, հիմնվելով մոնիթորինգային կայանների տվյալների, եղանակի տեսության և այլ տվյալների վրա^[5][6]։

Օգտագործողի սեգմենտն իրենից ներկայացնում է ԳՏՀ ընդունիչ։ Հիմնականում ԳՏՀ ընդունիչները կազմված են ալեհավաքից, որը ծրագրված է ստանալու ԳՏՀ–ի կողմից հեռարձակվող ալիքները, պրոցեսորից և բավականին կայուն ժամացույցից (հիմնականում քվարցային)։

Դիրքի որոշում

դիրքի որոշումը փսեվդոհեռավորությունների հիման վրա

ԳՏՀ ընդունիչները իրենց դիրքը որոշելու համար կատարում են բազմաթիվ բարդ մաթեմատիկական հաշվարկներ, սակայն ընդհանուր գաղափարը կայանում է հետևյալում. Սկզբում ընդունիչը գրանցում է արբանյակից եկած հաղորդագրության ստացման ժամանակը, որի միջոցով հաշվում է իր հեռավորությունն արբանյակից, այսպես կոչված փսեվդոհեռավորությունը^[7]։

Այնուհետև նավարկման հաղորդագրությունից բեռնվում է ուղեծրային դիրքային տվյալը՝ էֆեմերիդը՝ արբանյակի ճշգրիտ դիրքը որոշելու համար։ Իմանալով արբանյակի դիրրքն ու հեռավորությունը դրանից նշանակում է, որ ընդունիչը գտնվում է մի գնդի մակերևույթի վրա, որի կենտրոնը հանդիսանում է արբանյակի դիրքն, իսկ շառավիղը՝ հեռավորությունն արբանյակից։

Այն բանից հետո, երբ որոշվել են չորս արբանյակներից փսեվդոտարածությունները, կատարվում է ընդունիչի դիրքի որոշման առաջին կանխատեսումը՝ հիմնված այն գաղափարի վրա, որ բոլոր փսեվդո–տարածությունները պետք է հատվեն մի կետում։

Բաժանելով լույսի արագությամբ այն հեռավորությունը, որով շեղելիս բոլոր փսեվդոտարածությունները կմոտենան իրար բավականին մոտիկ, որ կհատվեն մի կետում, կստանանք ընդունիչի ժամանակի շեղումը։ Կատարելով նույն գործողությունը հասանելի այլ արբանյակների քառյակի հետ, ընդունիչը որոշում է, թե ստացված որ տվյալն օգտագործել։ Այս գործողության արդյունքում որոշվում է ընդունիչի դիրքն ու ժամանակը։

Ճշտություն ու սխալանքի աղբյուրներ

Ինչպես արդեն նշվել է, ԳՏՀ ընդունիչը իր դիրքը որոշելու համար օգտագործում է իր ժամանակը, արբանյակի դիրքն ու ստացված ազդանշանի տեղ հասնելու տևողությունը, ինչն էլ նշանակում է, որ դիրքի ճշտությունը հիմնականում կախված է արբանյակի դիրքի և ազդանշանի ուշացման հետ։

Ուշացումը չափելու համար, ընդունիչը համեմատում է ստացված ազդանշանը իր ներքին գեներացված տարբերակի հետ, որի արդյունքում ժամանակակից ընդունիչները կարող են ապահովել մինչև 10 նանովայրկյան ճշտություն։ Քանզի ԳՏՀ ազդանշանները տարածվում են լույսի արագությամբ, սխալանքը կարող է կազմել մինչև 3 մետր։

Դիրքի ճշտությունն կարող է լավացվել օգտագործելով ռազմական նպատակների համար հեռարձակվող P(Y) ազդանշանը, որի դեպքում կստանանք մինչև 30սմ Ճշտություն։

Բացի վերը նշվածից, կան շատ այլ սխալանքի աղբյուրներ, որոնց արդյունքում հասարակ ԳՏՀ ընդունիչի սխալանքը կազմում է մոտավորապես 15մ։ Ստորև բերված են աղբյուրներն իրենց ազդեցությամբ դիրքի ճշտության վրա.

Աղբյուր	Ազդեցություն
իոնոսֆերիք ազդեցություններ	±5 մետր
էֆեմերիդի սխալանք	±2.5 մետր
արբանյակի ժամացույցի սխալանք	± 2 մետր
բազմակի ճանապարհների սխալանք	± 1 մետր
տրոպոսֆերիք ազդեցություններ	± 0.5 մետր
թվային սխալանք	± 1 մետր

Հաղորդակցություն

ԳՏՀ ազդանշաններ

GPS համակարգում կիրառվում է ազդանշանի կոդային բաժանումը (CDMA- կոդի բաժանում բազմակի մուտքերի), որի շնորհիվ բոլոր արբանյակները ճառագայթում են ազդանշաններ նույն հաճախականությամբ։ GPS համակարգի յուրաքանչյուր արբանյակ ճառագայթում է երկու ազդանշան։ Առաջին ազդանշանի հաճախականությունը կազմում է. L1=1575.42ՄՀց, իսկ երկրորդինը L2=1227.6ՄՀց։ Երկայնությունների որոշման համար գեներացվում են 2 տեսակի կոդեր P և C/A:

C/A կոդը մշակվել է քաղաքացիական օգտագործողի համար։ Այդ կոդը փսեվդոտարածքային է՝ հաջորդականությունը 1,023ՄՀց հաճախականությամբ կրկնվող։ C/A կոդը կրկնվում է յուրաքանչյուր 1023 բիթ (մեկ միլիվայրկյանի տևողությամբ) և հատուկ են յուրաքանչյուր արբանյակի համար։ Հաղորդման ժամանակը մեկ բիթի համար կազմում է 0,978 մկվ և բազմապատկելով այդ մեծությունը լույսի արագությունով, ստանում ենք հեռավորությունը՝ այդ բիթերը զբաղեցնող։ Կոդ P-ն նախատեսված է զինվորականների համար՝ իրենից ներկայացնում է 1023 ՄՀց հաճախականությամբ փսեվդոպատահական կոդ։ Մեկ բիթի երկարությունը 29,3մ է։

Փսեվդոկոդը դրոշմված է Y կոդում, որի վերծանման համար պահանջվում է գաղտնի AS (Anti- Spofing) մոդուլ, ընդունիչի յուրաքանչյուր ալիքի համար։ Նավիգացիոն հաղորդագրությունը մոդուլացվում է ըստ C/A կոդի։ Այդ հաղորդագրությունը 50 ԳՀց-հաճախականությամբ ազդանշան է, որը կազմված է 25 բլոկներից, որոնցից յուրաքանչյուրը պարունակում է 1500 բիթ։ Յուրաքանչյուր բլոկ տրոհված է ենթաբլոկների՝ 300-ական բիթերով։ Ենթաբլոկի հաղորդումը տևում է 6վ, բլոկինը 30վ, ամբողջ հաղորդագրությունը 12,5ր.:

Յուրաքանչյուր ենթաբլոկում 30 բիթ տարողությամբ. 10 բառ է պարունակվում, որոնցից առաջին բառը պարունակում է հեռուստամետրական ինֆորմացիա, իսկ երկրորդը ժամանակի նշաչափերը։ Այդ բառերի տակ ենթաբլոկներում 2 և 3 ենթամիջօրեականներ են՝ կեպլերյան էլեմենտներով արբանյակի ուղեծիրով, այդ ենթաբլոկները կրկնվում են յուրաքանչյուր բլոկում։ 4 և 5 ենթաբլոկները պարունակում են տվյալներ իոնոսֆերայի ազդեցության ուղղումների մասին, ժամանակի սանդղակի պարամետրերը, արբանյակի սարքին լինելու մասին տեղեկությունները։ 4-րդ և 5-րդ ենթաբլոկների ինֆորմացիան տրոհված 25 էջերից հաղորդվում է ըստ էջերի հերթականության և կրկնվում է յուրաքանչյուր 12,5րոպե տևողությամբ։ Հաղորդագրությունների հոսքի կարևոր տեղեկությունները սովորաբար տեսաբանվում են յուրաքանչյուր 4 ժամը մեկ։

Ճշտության մեծացման «հավելման» եղանակ

«Հավելման» մեթոդները հիմնված են արտաքին ինֆորմացիայի վրա, որն օգտագործվում է վերջնական դիրքի հաշվման ժամանակ։ Որպես կանոն ստեղծվում են վերգետնյա կայաններ, որոնք ինչ–որ հաճախականությամբ հեռարձակում են իոնոսֆերիք, էֆեմերիդի և ժամանակային սխալանքներն, որոնք ստանալով ընդունիչը կատարում է համապատասխան ուղղումներ՝ հասցնելով վերջնական դիրքի ճշտությունը 2-3 մետրի։

ԳՏՀ ընդունիչներ

ԳՏՀ ընդունիչների հիմնական խնդիրն է ստանալ ԳՏՀ արբանյակներից ազդանշանները և մշակել դրանք՝ ընդունիչի դիրքը, արագությունը և շարժման ուղղությունը որոշելու համար։

Դրանք կազմված են ալեհավաքից, որը ծրագրված է ստանալու ԳՏՀ–ի կողմից հեռարձակվող ալիքները, պրոցեսորներից՝ ինֆորմացիայի մշակման համար, քվարցային ժամացույցից։ Ընդունիչները նաև նկարագրվում են տարողության քանակով, որը ցույց է տալիս, թե ընդունիչը քանի արբանյակներից ազդանշաններ կարող է միաժամանակ ստանալ և մշակել։ Ժամանակակից ընդունիչները զինված են SiRF Star II և SiRF Star III ԳՏՀ մոդուլներով, որոնց տարողությունը համապատասխանաբար 12 և 20 է։

MC5 և Step III ընդունիչներ

Այս ընդունիչները նախատեսված են ավտոմեքենաների համար։ Աշխատեցնելու համար հարկավոր է միացնել սարքը ավտոմեքենայի հոսանքի աղբյուրին, այնուհետև բորտային համակարգչին՝ ավտոմեքենայի վիճակային պարամետրերի մասին ինֆորմացիա ստանալու համար, միացնել երկու ալեհավաք՝ ԳՏՀ–ի և ԳՇՀ–ի համար և տեղադրել SIM քարտ։

Այս սարքերն իրենց մեջ ունեն արդեն մշակված տրամաբանություն, որն էլ և մշակում է ԳՏՀ–ից և բորտ համակարգչից եկած տվյալներy և GPRS–ով փոխանցում դրանք վեբ սերվերին։ ԳՇՀ ցանցի բացակայության դեպքում տեղի է ունենում ինֆորմացիայի բուֆերիզացիա, որը ցանցի առկայության դեպքում ամբողջությանբ ուղարկվում է սերվերին՝ ապահովելով համակարգի անխափանությունը։

MC5 և Step III ընդունիչների վիճակային պարամետրերից են շարժման ազդանշանը, բենզինի, յուղի ու ջրի ցուցմունքները, շարժիչի աշխատանքային վիճակը և շատ այլ պարամետրեր։

WebTrac 4 ընդունիչ

Այս ընդունիչը նախատեսված է մարդկանց համար։ Աշխատացնելու համար բավական է տեղադրել SIM քարտ և սեղմել միացման կոճակը։

Սարքը հնարավորություն է տալիս որոշել երկու փոխանցման ծառայություններից որևէ մեկը՝ GPRS կամ SMS, ինչպես նաև կարող է ուղարկել հատուկ ազդանշաններ որոշակի պայմանների դեպքում, օրինակ՝ երբ մարդը սեղմում է կարմիր կոճակը։ Նման համակարգը օգտագործվում է ժամանակակից խելացի տներում

Ծանոթագրություններ

1. «Navstar Global Positioning System».
2. Dana, Peter H. «GPS Orbital Planes». Արխիվացված է օրիգինալից 2018 թ․ հունվարի 26-ին. Վերցված է 1996 թ․ օգոստոսի 8–ին-ին.
3. USCG Navcen. «GPS Frequently Asked Questions». Արխիվացված է օրիգինալից 2007 թ․ օգոստոսի 9-ին. Վերցված է 2007 թ․ հունվարի 3-ին.
4. Agnew, D.C. and Larson, K.M. Finding the repeat times of the GPS constellation.{{cite book}}: CS1 սպաս․ բազմաթիվ անուններ: authors list (link)
5. USNO NAVSTAR. «Global Positioning System». Արխիվացված է օրիգինալից 2006 թ․ փետրվարի 8-ին. Վերցված է 2006 թ․ մայիսի 14-ին.
6. U.S. Government. «General public education website».
7. «How Does GPS Work?».