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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Système de navigationGPS. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Le GPS (Eng. Global Positioning System - système de positionnement global, lu par G.P. Es) est un système de navigation par satellite qui permet de déterminer la distance, l'heure et la position dans le système de coordonnées mondial WGS 84. Il vous permet de n'importe où sur la Terre (à l'exception régions), presque par tous les temps, ainsi que dans l'espace proche de la Terre, pour déterminer l'emplacement et la vitesse des objets. Le système a été développé, mis en œuvre et exploité par le département américain de la Défense et est actuellement disponible pour un usage civil - tout ce dont vous avez besoin est un navigateur ou un autre appareil (par exemple, un smartphone) avec un récepteur GPS. Le principe de base de l'utilisation du système est de déterminer l'emplacement en mesurant les moments de réception d'un signal synchronisé des satellites de navigation par l'antenne du consommateur. Pour déterminer les coordonnées tridimensionnelles, le récepteur GPS doit avoir quatre équations : "la distance est égale au produit de la vitesse de la lumière par la différence entre les instants de réception du signal par le consommateur et l'instant de son émission synchrone depuis satellites": |x - a_{j}| = c(t_{j} - \tau). Ici : a_{j} est l'emplacement du {j}-ème satellite, t_{j} est le moment de la réception du signal du {j}-ème satellite selon l'horloge de l'utilisateur, \tau est l'heure inconnue de synchronisation émission du signal par tous les satellites en fonction de l'horloge du consommateur, c est la vitesse de la lumière, x est la position tridimensionnelle inconnue du consommateur.
À l'aide d'un récepteur GPS, non seulement l'emplacement d'un objet en mouvement est déterminé, mais également la vitesse de son déplacement, la distance parcourue, la distance et la direction jusqu'au point prévu, l'heure d'arrivée et les écarts par rapport au parcours défini sont calculés. Aujourd'hui, c'est déjà une évidence : dans la première décennie du nouveau millénaire, les systèmes de navigation par satellite deviendront le principal moyen de positionnement des objets terrestres, aériens et maritimes. Parce qu'avec la technologie d'aujourd'hui, les récepteurs GPS sont petits, fiables et bon marché, ils deviennent donc plus accessibles au consommateur moyen. Tout d'abord, le système de radionavigation spatiale NAVSTAR (NAVSTAR) est apparu. Le système de navigation basé sur les mesures de temps et de distance aux États-Unis a été créé principalement pour le soutien en temps coordonné des troupes et du matériel militaire. Le premier satellite de navigation américain a été lancé en février 1978, et l'introduction active des méthodes de navigation par satellite dans la vie civile a commencé plus tard. Jusqu'en 1983, le système de navigation était utilisé exclusivement par les militaires. Cependant, après qu'un Boeing 747 a été abattu au-dessus du détroit de Tatar, le système a été ouvert à un usage civil. Puis, en fait, l'abréviation GPS (Global Positioning System) est apparue - Global Positioning System. Le terme « positionnement » est plus large que le terme « localisation ». Le positionnement, en plus de déterminer les coordonnées, comprend également la détermination du vecteur vitesse d'un objet en mouvement. Le gouvernement américain a dépensé plus de dix milliards de dollars pour la création de ce système et continue de dépenser de l'argent pour son développement et son soutien. Le système de navigation par satellite utilise des satellites émettant des signaux spéciaux au lieu de signes géodésiques et de radiobalises. La position actuelle des satellites en orbite est bien connue. Les satellites transmettent constamment des informations sur leur emplacement. Leur distance est déterminée en mesurant le temps nécessaire à un signal radio pour se déplacer d'un satellite à un récepteur radio et en multipliant ce temps par la vitesse de l'onde électromagnétique. En synchronisant les horloges des satellites à l'aide des générateurs de référence de fréquence atomique et des récepteurs, une mesure précise des distances aux satellites est obtenue. "Pour calculer les coordonnées d'un lieu sur Terre", écrit V. Kuryshev dans le magazine Radio, "il est nécessaire de connaître les distances aux satellites et l'emplacement de chacun d'eux dans l'espace. Les satellites GPS sont en orbite haute (20000 XNUMX km), et leurs coordonnées peuvent être prédites avec une grande précision. Les stations de suivi du département américain de la Défense déterminent régulièrement même les plus petits changements d'orbites, et ces données sont transmises aux satellites. Les distances mesurées aux satellites sont appelées pseudodistances, car il y a incertitude dans leur détermination.Le fait est que l'ionosphère et la troposphère de la Terre provoquent des retards dans les signaux des satellites, introduisant une erreur dans le calcul de la distance.Il existe d'autres sources d'erreurs - en particulier, les erreurs de calcul à bord des ordinateurs, le bruit électrique des récepteurs, propagation par trajets multiples des ondes radio. Un positionnement relatif malheureux des satellites dans le ciel peut également entraîner une augmentation correspondante de l'erreur de position totale division. Pour déterminer les distances, les satellites et les récepteurs génèrent des séquences de codes binaires complexes appelés codes pseudo-aléatoires. La détermination du temps de propagation du signal s'effectue en comparant le retard du code pseudo-aléatoire du satellite par rapport au même code du récepteur. Chaque satellite a ses propres deux codes pseudo-aléatoires. Afin de faire la distinction entre les codes de télémétrie et les messages d'information de différents satellites, les codes correspondants sont appelés dans le récepteur. Les codes télémétriques pseudo-aléatoires et les messages d'information des satellites permettent la transmission simultanée des messages des satellites, sur la même fréquence, sans interférence mutuelle. La puissance de rayonnement des satellites et l'influence mutuelle des signaux des satellites sont insignifiantes. La précision des mesures peut être améliorée en utilisant des mesures différentielles. Une station au sol de référence avec des coordonnées géodésiques connues avec précision calcule la différence entre les coordonnées de son récepteur et ses coordonnées réelles. La différence sous forme de correction est transmise aux consommateurs via des canaux radio pour corriger les lectures des récepteurs. Ces corrections éliminent une partie importante des erreurs dans les mesures de distance et de localisation. Le calcul des coordonnées à la réception dans l'indicateur est effectué automatiquement et il est possible d'utiliser les informations sous une forme cartographique pratique. Le GPS se compose de 3 segments : segment spatial, segment de contrôle et segment utilisateur.
Le segment spatial se compose de 24 satellites, qui sont sur 6 orbites (quatre chacun) à une altitude d'environ 20350 28 kilomètres. Il y a actuellement XNUMX satellites en opération. Les satellites "supplémentaires" sont utilisés pour l'assurance et le remplacement des satellites défaillants. Le segment de contrôle est constitué de stations d'observation situées en plusieurs points du globe et de la station de contrôle principale. La station principale est située au Joint Military Space Systems Control Center à Colorado Springs. Le centre collecte et traite les données des stations de suivi, calcule et prédit les éphémérides des satellites, ainsi que les paramètres d'horloge. Les stations d'observation surveillent les satellites, enregistrant toutes les informations sur leur mouvement, qui sont transmises à la station de commande principale pour la correction d'orbite et les informations de navigation. Le segment utilisateur comprend un équipement utilisateur qui permet de déterminer les coordonnées, la vitesse et le temps. Le principal consommateur d'informations GPS est le département américain de la Défense. Des récepteurs GPS ont été introduits sur tous les avions et navires de combat et de transport, ainsi que dans les systèmes de guidage des missiles de croisière de haute précision et dans les systèmes de guidage des nouvelles bombes guidées américaines. Cela signifie que l'armée américaine peut planifier de lancer des frappes de missiles à guidage de précision à une distance de mille kilomètres, non seulement contre des bâtiments et des structures, mais également dans une certaine fenêtre. De plus, ces frappes peuvent être lancées depuis des sous-marins et depuis les airs.
Il existe un système similaire en Russie: en réponse à la création de NAVSTAR par les Américains, l'URSS a créé son propre système mondial de navigation par satellite - GLONASS. Le premier satellite de navigation domestique Kosmos-192 a été lancé en orbite le 27 novembre 1967 et en 1979, le système de navigation de première génération Cicada a été créé, qui comprenait 4 satellites en orbite basse. Puis, en 1982, les premiers satellites du nouveau système de navigation GLONASS sont lancés. Le nombre de satellites GLONASS a été ramené à l'état standard en 1996. Les satellites GLONASS sont situés à une altitude d'environ 19100 8 kilomètres. Contrairement aux satellites NAVSTAR, les satellites GLONASS sont placés sur trois orbites, respectivement, 11 satellites chacune. La période orbitale des satellites est de 15 heures XNUMX minutes. Comme le GPS, GLONASS est utilisé par les utilisateurs militaires et civils. Cependant, les utilisateurs du système ne sont pas si nombreux : en fait, il n'a pas été développé depuis 1998. Chaque année, la constellation de satellites diminue. La raison est banale et, pourrait-on dire, standard pour la plupart des développements nationaux : l'État n'a pas d'argent et le cadre juridique régissant l'utilisation des systèmes de navigation par satellite en Russie ne permet pas au système de se développer au détriment des consommateurs civils. Les perspectives de développement de GLONASS dépendent de la position de l'État. Il devra décider d'ouvrir ou non ce système de navigation à un large éventail de consommateurs. En février 2000, des scientifiques russes ont envoyé une lettre ouverte à Vladimir Poutine (alors président par intérim de la Russie) dans laquelle ils décrivaient leur version du développement de GLONASS : : premièrement, supprimer de toute urgence les restrictions injustifiées imposées par le régime à l'utilisation des récepteurs satellite domestiques pour déterminer coordonnées ; deuxièmement, par un décret gouvernemental, décréter le système de coordonnées géodésiques tout-terrestre national "Paramètres de la Terre en 1990" (PZ-90) et le système de navigation par satellite GLONASS pour une utilisation massive dans toute la Russie et les pays de la communauté mondiale ..." Jusqu'à présent, le président n'a pris aucune décision. Contrairement au système russe, le GPS a constamment évolué vers une ouverture aux utilisateurs civils. Avant le 1er mai 2000, l'accès GPS était sélectif pour eux, ce qui réduisait la précision de la localisation à des centaines de mètres. Dans le même temps, la précision pour l'armée était de 5 à 20 mètres. Cependant, le 1er mai, le président Clinton a annoncé la fin de la baisse de la précision du signal GPS pour les utilisateurs civils. "Cela signifie que les utilisateurs civils de GPS pourront localiser 10 fois plus précisément que ce qui est actuellement disponible", a-t-il déclaré. Pourquoi le gouvernement américain en a-t-il besoin et que va-t-il donner au système de navigation ? Jugez par vous-même: selon le service de presse du président des États-Unis, en 2000, il y avait plus de 4 millions d'utilisateurs de GPS dans le monde, et d'ici 2003, le marché de ce système de navigation doublera - de 8 à 16 milliards de dollars. Est-il nécessaire d'expliquer qu'avec cet argent, le système peut non seulement être maintenu, mais aussi développé ? Les États-Unis prévoient déjà de mettre 18 satellites supplémentaires en orbite pour améliorer les performances du GPS. L'objection standard à l'ouverture des systèmes de navigation en Russie a toujours été les intérêts de sécurité. Les militaires craignaient que si le système de navigation était mis à la disposition de tous, il pourrait être utilisé par des ennemis externes et internes contre l'État. Cependant, cette explication est plutôt faible : les États-Unis, en rendant le GPS accessible à tous, n'ont pas du tout nui à leur propre sécurité, se réservant le droit à une "diminution régionale de la précision" du signal. En pratique, cela signifie qu'en cas de conflit avec un pays en particulier, l'armée américaine pourra dégrader la précision des récepteurs GPS utilisés par l'ennemi, voire les désactiver complètement. Ainsi, alors que tout est paisible, vous pouvez recevoir de l'argent des utilisateurs de GPS. Dès que des problèmes surviennent, ils peuvent être désactivés. Aujourd'hui, il n'est même pas facile d'énumérer tous les domaines d'application de ce système de navigation. Comme le note Oleg Tatarnikov dans le magazine Computer-Press: "Les récepteurs GPS sont intégrés dans les voitures, les téléphones portables et même les montres-bracelets! Les touristes utilisent des récepteurs de poche pour tracer des itinéraires et les naviguer clairement. Les chasseurs et les pêcheurs marquent les coordonnées des lieux de chasse et de pêche précieux , et les autotouristes échangent des itinéraires indiquant les stations-service. Rien n'arrêtera la marche victorieuse du GPS. Les récepteurs diminuent rapidement en taille et deviennent moins chers, un appareil de la taille d'une boîte d'allumettes peut déjà être acheté aujourd'hui pour moins de 50 $ ; les puces de navigation sont intégrées dans les montres et les téléphones portables, et deviennent partie intégrante des alarmes de voiture, qui elles-mêmes informent la police de l'emplacement d'une voiture volée. Contrairement aux systèmes de signalisation radio qui n'ont pas reçu une large application, un tel système ne nécessite pas de réseau spécial de stations de radiogoniométrie - les communications mobiles conventionnelles sont utilisées ici. De plus, le conducteur peut, en appuyant sur un bouton, signaler un vol ou un accident. Un autre bouton appelle une ambulance. Dans un avenir proche, un "paquet d'itinéraires" complet devrait apparaître sur le marché de l'électronique automobile - un système de navigation embarqué à part entière avec des cartes électroniques des villes et régions russes ... ...Les récepteurs GPS sont utilisés pour résoudre une grande variété de problèmes : les géologues surveillent en temps réel le mouvement subtil des zones de la croûte terrestre, les sauveteurs déterminent les sites de catastrophes, les zoologues fabriquent des colliers avec des indicateurs portables et des émetteurs radio pour étudier la migration des animaux, les l'armée construit des missiles à tête chercheuse et des bombes, et une expédition de la National Geographic Society des États-Unis l'année dernière a mesuré la hauteur de l'Everest au centimètre près."
Le magazine "Computerra" a publié un message sur la sortie de l'une des sociétés de puces GPS conçues pour être implantées dans le corps humain! Comme cela arrive souvent, le système de navigation s'est avéré avoir de nombreuses autres fonctionnalités utiles supplémentaires. Avec l'aide du système, il est possible, par exemple, de déterminer le temps ultra-précis nécessaire, par exemple, dans des expériences scientifiques, pour mesurer la vitesse développée lors de la marche ou de la course, et la distance parcourue. Le GPS indique la vitesse maximale et moyenne de la voiture et avec son aide, en particulier, vous pouvez vérifier l'exactitude des lectures du compteur de vitesse et du compteur kilométrique. Inutile de dire que la navigation avec ce système est grandement simplifiée. En conséquence, parmi les "navigateurs" professionnels, il existe toute une génération de spécialistes qui ne savent pas travailler avec les appareils de navigation classiques. Auteur : Musskiy S.A.
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