GPS (англ. Global Positioning System – система глобального позиционирования), глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) двойного (военного и гражданского) назначения, постоянно функционирующая многоцелевая многоспутниковая космическая информационная система, созданная по заказу Министерства обороны США. Предназначена для обеспечения навигации, высокоточного позиционирования и передачи шкалы времени в любой точке земного шара (кроме полярных областей). Космические аппараты (КА) орбитальной группировки GPS являются автоматическими (беспилотными) искусственными спутниками Земли (ИСЗ). Управление работой системы осуществляется с Земли. Поддержание работоспособности системы осуществляется путём запуска новых ИСЗ взамен вышедших из строя.

ГНСС GPS заменила глобальные наземные радионавигационные системы LORAN и Decca Navigator, разработанные в начале 1940-х гг.

Принцип работы

Определение местоположения объекта на земной поверхности осуществляется методом пространственно-временно́й засечки. Для реализации этого метода требуется не менее трёх ИСЗ с известными в определённые моменты времени координатами. Каждый ИСЗ, двигаясь по орбите, постоянно излучает радиосигналы (содержащие информацию о времени испускания сигнала и координатах спутника на этот момент) на нескольких несущих частотах. Аппаратура ГНСС, находящаяся на поверхности Земли, принимает эти сигналы и вычисляет задержки радиосигналов от каждого ИСЗ. При этом выполняется обработка совокупности принятых сигналов и вычисляются координаты объекта на поверхности Земли (без высоты). Если обеспечивается одновременный приём сигналов от более чем трёх спутников, то возможно определение высоты объекта над поверхностью Земли. Группировка из более чем четырёх ИСЗ позволяет определить координаты объекта и оценить их точность.

Создание, развёртывание и особенности функционирования

ГНСС GPS разрабатывалась, начиная с 1973 г. Первый экспериментальный КА выведен на орбиту 22 февраля 1978 г. В период формирования концепции и на первом этапе развёртывания система имела наименование NAVSTAR (NAVigation System Timing And Ranging – навигационная система, использующая измерения времени и дальности). Полностью система была развёрнута и принята в эксплуатацию в 1994 г.

ГНСС GPS эксплуатируется Министерством обороны США. Кроме военных к системе получили доступ гражданские коммерческие потребители, но до 2000 г. радиосигналы, передаваемые для них с помощью открытых каналов связи, имели искусственное снижение точности («загрубение») в пределах 91,44 м. Загрубение точности было отменено в 2000 г. решением президента США. Однако Министерство обороны США оставило за собой право в случае необходимости включать избирательный доступ к системе, чем уже неоднократно пользовалось.

Состав и основные характеристики системы

Основными составными частями системы GPS являются космический, управляющий и пользовательский сегменты.

Космический сегмент – составная часть ГНСС GPS, включающая в себя орбитальную группировку функционально взаимодействующих ИСЗ, обеспечивающих передачу навигационного сигнала пользователям, а также средства запуска и выведения ИСЗ на орбиту. Основные задачи космического сегмента: хранение и приём информации; поддержание точного времени; постоянная передача сигналов, содержащих информацию о местоположении ИСЗ и времени передачи.

КА системы GPS обращаются вокруг Земли в шести плоскостях, по четыре ИСЗ в каждой плоскости, по круговым синхронным орбитам высотой около 20 200 км и периодом обращения 11 ч 58 мин, т. е. каждый спутник совершает два витка вокруг Земли за одни звёздные сутки. Время между двумя последовательными прохождениями спутника над одной и той же точкой земной поверхности (подспутниковой точкой) составляет примерно 23 ч 56 мин.

В действующую на начало декабря 2024 г. орбитальную группировку навигационных ИСЗ входит 32 КА (один из них временно выведен из работы). При этом штатными являются 24 КА, ещё до 8 ИСЗ могут находиться в резерве, проходить лётные испытания и тестироваться. Все КА имеют возможность настройки рабочих параметров на орбите. Выведение КА на орбиты осуществляется с мыса Канаверал (п-ов Флорида, США).

Трансляция навигационных сигналов с ИСЗ системы GPS осуществляется в следующих диапазонах: L1 – 1575,42 МГц; L2 – 1227,60 МГц; L5 – 1176,45 МГц.

Управляющий сегмент – составная часть ГНСС GPS, представляющая собой функционально взаимодействующие станции контроля, слежения за спутниками, координационно-вычислительный центр обработки и закладки корректирующей информации в ИСЗ системы GPS.

Задачи управляющего сегмента:

• отслеживание параметров движения космических аппаратов;

• поддержание рабочего состояния космических аппаратов;

• формирование системного времени (шкалы времени);

• обновление сообщений;

• расчёт характеристик часов (расхождения бортовой шкалы времени ИСЗ и шкалы времени на Земле);

• выполнение манёвров ИСЗ.

Места размещения и основные функции элементов управляющего сегмента:

• авиабаза ВВС США Шривер (штат Колорадо) – главная контрольная (управляющая) станция;

• военные базы США в Колорадо-Спрингс (штат Колорадо), Кейп Канаверал (штат Флорида), на островах Гавайи, Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджалейн – станции слежения (мониторинга), способны посылать на спутники корректирующие данные в виде радиосигналов с частотой 2000–4000 МГц;

• Вашингтон (федеральный округ Колумбия), Аляска, Австралия, Аргентина, Бахрейн, Великобритания, Новая Зеландия, Эквадор, ЮАР, Южная Корея – станции слежения (мониторинга) коллективного пользования, отслеживают траектории движения ИСЗ системы GPS.

Пользовательский сегмент – аппаратура пользователей ГНСС, состоящая из принимающей антенны и вычислительного блока с установленным на нём специальным программным обеспечением. Эта аппаратура может находиться на борту других ИСЗ, расположенных на орбитах ниже орбитальной группировки ИСЗ системы GPS. Блоки этой аппаратуры также устанавливаются на воздушные, наземные, надводные транспортные средства, монтируются в персональные пользовательские приборы (смартфоны, смарт-часы, навигаторы и т. д.).

Точность определения местоположения с использованием современной аппаратуры пользователей, работающих в системе GPS, составляет примерно 1–2 м при видимости 7–9 спутников и отсутствии внешних помех (препятствий). При использовании систем ввода дифференциальных поправок точность может составлять единицы дециметров.

Основные области применения постоянно модернизируемой системы GPS для гражданских пользователей: геодезия, картография, навигация, спутниковый мониторинг транспорта, сотовая связь, строительство.