Как работает джипиэс навигатор: Gps — Википедия – Принцип и схема работы системы спутниковой навигации GPS

Содержание

Принцип и схема работы системы спутниковой навигации GPS

Спутниковая навигация GPS давно уже является стандартом для создания систем позиционирования и активно применяется в различных трекерах и навигаторах. В проектах Arduino GPS интегрируется с помощью различных модулей, не требующих знания теоретических основ. Но настоящему инженеру должно быть интересно разобраться со принципом и схемой работы GPS, чтобы лучше понимать возможности и ограничения этой технологии.

Схема работы GPS

GPS – это спутниковая навигационная система, разработанная Министерством обороны США, которая определяет точные координаты и время. Работает в любой точке Земли в любых погодных условиях. GPS состоит из трех частей – спутников, станций на Земле и приемников сигнала.

История GPS

История GPS - с сайта www.glonass-iac.ruИдея создания спутниковой навигационной системы зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. Американская группа ученых, наблюдающая за запуском советских спутников, заметила, что при приближении спутника частота сигнала увеличивается и уменьшается при его отдалении. Это позволило понять, что возможно измерить положение и скорость спутника, зная свои координаты на Земле, и наоборот. Огромную роль в развитии навигационной системы сыграл запуск спутников на низкую околоземную орбиту. А в 1973 году была создана программа «DNSS» («NavStar»), по этой программе спутники запускались на среднюю околоземную орбиту. Название GPS программа получила в том же 1973 году.

Система GPS на данный момент используется не только в военной области, но и в гражданских целях. Сфер применения GPS много:

  • Мобильная связь;
  • Тектоника плит – происходит слежение за колебаниями плит;
  • Определение сейсмической активности;
  • Спутниковое отслеживание транспорта – можно проводить мониторинг за положением, скоростью транспорта и контролировать их движение;
  • Геодезия – определение точных границ земельных участков;
  • Картография;
  • Навигация;
  • Игры, геотегинт и прочие развлекательные области.

Важнейшим недостатком системы можно считать невозможность получения сигнала при определенных условиях. Рабочие частоты GPS лежат в дециметровом диапазоне волн. Это приводит к тому, что уровень сигнала может снизиться из-за высокой облачности, плотной листвы деревьев. Радиоисточники, глушилки, а в редких случаях даже магнитные бури также могут мешать нормальной передаче сигнала. Точность определения данных будет ухудшаться в приполярных районах, так как спутники невысоко поднимаются над Землей.

Навигация без GPS

История ГЛОНАСС - glonass-iac.ruОсновным конкурентом GPS является российская система ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система). Свою полноценную работу система начала с 2010 года, попытки активно использовать ее предпринимались с 1995 года. Существует несколько отличий между двумя системами:

  • Разные кодировки – американцы используют CDMA, для российской системы используется FDMA;
  • Разные габариты устройств – ГЛОНАСС использует более сложную модель, поэтому повышается энергопотребление и размеры устройств;
  • Расстановка и движение спутников на орбите – российская система обеспечивает более широкий охват территории и более точное определение координат и времени.
  • Срок службы спутников – американские спутники делаются более качественными, поэтому они служат дольше.

Помимо ГЛОНАСС и GPS существуют и другие менее популярные навигационные системы – европейский Galileo и китайский Beidou.

Описание GPS

Принцип работы GPS

Работает система GPS следующим образом – приемник сигнала измеряет задержку распространения сигнала от спутника до приемника. Из полученного сигнала приемник получает данные о местонахождении спутника. Для определения расстояния от спутника до приемника задержка сигнала умножается на скорость света.

Arduino GPSС точки зрения геометрии работу навигационной системы можно проиллюстрировать так: несколько сфер, в середине которых находятся спутники, пересекаются и в них находится пользователь. Радиус каждой из сфер соответственно равен расстоянию до этого видимого спутника. Сигналы от трех спутников позволяют получить данные о широте и долготе, четвертый спутник дает информацию о высоте объекта над поверхностью. Полученные значения можно свести в систему уравнений, из которых можно найти координату пользователя. Таким образом, для получения точного местоположения необходимо провести 4 измерения дальностей до спутника (если исключить неправдоподобные результаты, достаточно трех измерений).

Система спутниковой навигации GPS - принцип, схема, применение

Поправки в полученные уравнения вносит расхождение между расчетным и фактическим положением спутника. Погрешность, которая возникает в результате этого, называется эфемеридной и составляет от 1 до 5 метров. Также свой вклад вносят интерференция, атмосферное давление, влажность, температура, влияние ионосферы и атмосферы. Суммарно совокупность всех ошибок может довести погрешность до 100 метров. Некоторые ошибки можно устранить математически.

Чтобы уменьшить все погрешности, используют дифференциальный режим GPS. В нем приемник получает по радиоканалу все необходимые поправки к координатам от базовой станции. Итоговая точность измерения достигает 1-5 метров. При дифференциальном режиме существует 2 метода корректировки полученных данных – это коррекция самих координат и коррекция навигационных параметров. Первый метод использовать неудобно, так как все пользователи должны работать по одним и тем же спутникам. Во втором случае значительно увеличивается сложность самой аппаратуры для определения местоположения.

Существует новый класс систем, который увеличивает точность измерения до 1 см. Огромное влияние на точность оказывает угол между направлениями на спутники. При большом угле местоположение будет определяться с большей точностью.

Точность измерения может быть искусственно снижена Министерством обороны США. Для этого на устройствах навигации устанавливается специальный режим S/A – ограниченный доступ. Режим разработан в военных целях, чтобы не дать противнику преимущества в определении точных координат. С мая 2000 года режим ограниченного доступа был отменен.

Все источники ошибок можно разделить на несколько групп:

  • Погрешность в вычислении орбит;
  • Ошибки, связанные с приемником;
  • Ошибки, связанные с многократным отражением сигнала от препятствий;
  • Ионосфера, тропосферные задержки сигнала;
  • Геометрия расположения спутников.

Основные характеристики

В систему GPS входит 24 искусственных спутника Земли, сеть наземных станций слежения и навигационные приемники. Станции наблюдения требуются для определения и контроля параметров орбит, вычисления баллистических характеристик, регулировка отклонения от траекторий движения, контроль аппаратуры на бору космических аппаратов.

Характеристики навигационных систем GPS:

  • Количество спутников – 26, 21 основной, 5 запасных;
  • Количество орбитальных плоскостей – 6;
  • Высота орбиты – 20000 км;
  • Срок эксплуатации спутников – 7,5 лет;
  • Рабочие частоты – L1=1575,42 МГц; L2=12275,6МГц, мощность 50 Вт и 8 Вт соответственно;
  • Надежность навигационного определения – 95%.

Навигационные приемники бывают нескольких  типов – портативные, стационарные и авиационные. Приемники также характеризуются рядом параметров:

  • Количество каналов – в современных приемников используется от 12 до 20 каналов;
  • Тип антенны;
  • Наличие картографической поддержки;
  • Тип дисплея;
  • Дополнительные функции;
  • Различные технические характеристики – материалы, прочность, защита от влаги, чувствительность, объем памяти и другие.

Принцип действия самого навигатора – в первую очередь устройство пытается связаться с навигационным спутником. Как только связь будет установлена, происходит передача альманаха, то есть информации об орбитах спутников, находящихся в рамках одной навигационной системы. Связи с одним только спутником недостаточно для получения точного местоположения, поэтому оставшиеся спутники передают навигатору свои эфемериды, необходимые для определения отклонений, коэффициентов возмущения и других параметров.

Холодный, теплый и горячий старт GPS навигатора

Включив навигатор впервые или после долгого перерыва, начинается долгое ожидание для получения данных. Долгое время ожидания связано с тем, что в памяти навигатора отсутствуют либо устарели альманах и эфемериды, поэтому устройство должно выполнить ряд действий по получению или обновлению данных.  Время ожидания, или так называемое время холодного старта, зависит от различных показателей – качество приемника, состояние атмосферы, шумы, количество спутников в зоне видимости.

Чтобы начать свою работу, навигатор должен:

  • Найти спутник и установить с ним связь;
  • Получить альманах и сохранить его в памяти;
  • Получить эфемериды от спутника и сохранить их;
  • Найти еще три спутника и установить с ними связь, получить от них эфемериды;
  • Вычислить координаты при помощи эфемерид и местоположения спутников.

Только пройдя весь этот цикл, устройство начнет работать. Такой запуск и называется холодным стартом.

Горячий старт значительно отличается от холодного. В памяти навигатора уже имеется актуальный на данный момент альманах и эфемериды. Данные для альманаха действительны в течение 30 дней, эфемерид – в течение 30 минут. Из этого следует, что устройство выключалось на непродолжительное время. При горячем старте алгоритм будет проще – устройство устанавливает связь со спутником, при необходимости обновляет эфемериды и вычисляет местоположение.

Существует теплый старт – в этом случае альманах является актуальным, а эфемериды нужно обновить. Времени на это затрачивается немного больше, чем на горячий старт, но значительно меньше, чем на холодный.

Ограничения на покупку и использование самодельных модулей GPS

Российское законодательство требует от производителей уменьшать точность определения приемников. Работать с незагрубленной точностью может производиться только при наличии у пользователя специализированной лицензии.

Система спутниковой навигации GPS - принцип, схема, применениеПод запретом в Российской Федерации  находятся специальные технические  средства, предназначенные для негласного получения информации (СТС НПИ). К таковым относятся GPS трекеры, которые используются для негласного контроля над перемещением транспорта и прочих объектов. Основной признак незаконного технического средства – его скрытность. Поэтому перед приобретением устройства нужно внимательно изучить его характеристики, внешний вид, на наличие скрытых функций, а также просмотреть необходимые сертификаты соответствия.

Также важно, в каком виде продается устройство. В разобранном виде прибор может не относиться к СТС НПИ. Но при сборе готовое устройство уже может относиться к запрещенным.

 

GPS как работает? Принципы работы GPS-навигатора

Сегодня мы поговорим о том, что такое GPS, как работает эта система. Уделим внимание развитию данной технологии, ее функциональным особенностям. Также обсудим, какую роль в работе системы играют интерактивные карты.

История появления GPS

как работает gps навигатор
История появления глобальной системы позиционирования, или определения координат, началась в США еще в далеких 50-х годах при запуске первого советского спутника в космос. Бригада американских ученых, следивших за запуском, заметила, что при отдалении спутник равномерно меняет свою частоту сигнала. После глубокого анализа данных они пришли к выводу, что при помощи спутника, если говорить более подробно, то его расположения и издаваемого сигнала, можно точно определить нахождение и скорость передвижения человека на земле, как и наоборот, скорость и нахождение спутника на орбите при определении точных координат человека. К концу семидесятых годов Минобороны США запустило систему GPS в своих целях, а еще через несколько лет она стала доступна для гражданского применения. Система GPS как работает сейчас? Точно так, как и работала в то время, по тем же принципам и основам.

Сеть спутников

станции gpsБолее двадцати четырех спутников, находящихся на околоземной орбите, передают радиосигналы привязки. Количество спутников варьируется, но на орбите всегда находится нужное их число для обеспечения бесперебойной работы, плюс некоторые из них есть в запасе, чтобы в случае поломки первых принять их функции на себя. Так как срок службы каждого из них приблизительно около 10 лет, производится запуск новых, модернизированных версий. Вращение спутников происходит по шести орбитам вокруг Земли на высоте менее 20 тысяч км, оно образует взаимосвязанную сеть, которой управляют станции GPS. Находятся последние на тропических островах и связаны с основным координационным центром в США.

Как работает GPS-навигатор?

карты gpsБлагодаря этой сети можно узнать местонахождение при помощи вычисления задержки прохождения сигнала от спутников, и при помощи этой информации определить координаты. Система GPS как работает сейчас? Как и любая сеть навигации в пространстве — она совершенно бесплатна. Она с высокой эффективностью работает при любых погодных условиях и в любое время суток. Единственная покупка, которая должна у вас быть, это сам GPS-навигатор или устройство, которое поддерживает функции GPS. Собственно, принцип работы навигатора строится на давно используемой простой схеме навигации: если точно знаете место, где находится маркерный объект, наиболее подходящий на роль ориентира, и расстояние от него до вас, нарисуйте окружность, на которой точкой обозначьте ваше месторасположение. Если радиус окружности велик, то замените ее прямой линией. Проведите несколько таких полос от возможного вашего расположения в сторону маркеров, точка пересечения прямых обозначит ваши координаты на карте. Вышеупомянутые спутники в таком случае как раз и играют роль этих маркерных объектов с расстоянием от вашего месторасположения около 18 тысяч км. Хотя вращение их по орбите и происходит с огромной скоростью, местоположение постоянно отслеживается. В каждом навигаторе установлен GPS-приемник, который запрограммирован на нужную частоту и находится в прямом взаимодействии со спутником. В каждом радиосигнале содержится определенное количество закодированной информации, которая включает в себя ведомости о техническом состоянии спутника, местонахождении его на орбите Земли и часовом поясе (точное время). К слову, информация о точном времени и является наиболее нужной для получения данных о ваших координатах: происходящее вычисление отрезка времени между отдачей и приемом радиосигнала умножается на скорость самой радиоволны и путем недолговременных подсчетов рассчитывается расстояние между вашим навигационным прибором и спутником на орбите.


Сложности синхронизации

gps приемникИсходя из этого принципа навигации, можно предположить, что для точного определения ваших координат могут понадобиться всего два спутника, на основе сигналов которых легко будет найти точку пересечения, и в итоге — место, где вы находитесь. Но, к сожалению, технические причины требуют применения еще одного спутника как маркера. Главная проблема заключается в часах GPS-приемника, что не позволяет провести достаточную синхронизацию со спутниками. Причиной этому является разница в отображении времени (на вашем навигаторе и в космосе). На спутниках присутствуют дорогие высококачественные часы на атомной основе, что позволяет им вести подсчет времени с предельной точностью, тогда как на обычных приемниках такие хронометры применить попросту невозможно, так как габариты, стоимость, сложность в эксплуатации не позволили бы применять их повсюду. Даже малая ошибка в 0.001 секунды может сместить координаты более чем на 200 км в сторону!


Третий маркер

gps трекерТак что разработчики решили оставить обычную технологию кварцевых часов в GPS-навигаторах и пойти по другому пути, если говорить точнее — использовать вместо двух ориентиров-спутников — три, соответственно, столько же линий для последующего пересечения. Решение проблемы строится на гениально простом выходе: при пересечении всех линий с трех обозначенных маркеров, даже при возможных неточностях, создается зона в форме треугольника, за центр которого берется его середина — ваше расположение. Также это позволяет выявить отличие во времени приемника и всех трех спутников (для которых отличие будет одинаковым), что позволяет скорректировать пересечение линий ровно в центре, проще говоря — это определяет ваши координаты GPS.


Одна частота

координаты gpsСледует также заметить, что все спутники посылают на ваше устройство информацию на одной частоте, и это довольно необычно. Как работает GPS-навигатор и как воспринимает всю информацию корректно, если все спутники беспрерывно и одновременно посылают на него информацию? Все довольно-таки просто. Передатчики на спутнике для определения себя посылают в радиосигнале еще и стандартную информацию, в которой находится зашифрованный код. Он сообщает максимум характеристик спутника и заносится в базу данных вашего устройства, что потом позволяет сверять данные со спутника с базой данных навигатора. Даже при большом количестве спутников в зоне досягаемости очень быстро и легко их можно определить. Все это упрощает всю схему и позволяет использовать в GPS-навигаторах меньшие по размеру и более слабые антенны приема, что удешевляет и уменьшает дизайн и габариты устройств.

GPS-карты

Карты GPS загружаются на ваше устройство отдельно, так как вы сами влияете на выбор местности, по которой хотите передвигаться. Система всего лишь устанавливает ваши координаты на планете, а уже функцией карт является воссоздание на экране графической версии, на которую наносятся координаты, что и позволяет вам ориентироваться на местности. GPS как работает в данном случае? Бесплатно, это так и продолжает оставаться в таком статусе, карты в некоторых интернет-магазинах (и не только) все же платные. Зачастую для прибора с GPS-навигатором создаются отдельные приложения для работы с картами: как платные, так и бесплатные. Разновидность карт приятно удивляет и позволяет настроить дорогу из точки A в точку Б максимально информативно и со всеми удобствами: какие достопримечательности вы будете проезжать, кратчайший путь до пункта назначения, голосовой помощник, указывающий направление и другие.


Дополнительное GPS-оборудование

Применяется система GPS не только для указания вам нужного пути. Она позволяет производить слежку за объектом, на котором может находиться так называемый маячок, или GPS-трекер. Состоит он из самого приемника сигналов и передатчика на основе gsm, 3gp или иных протоколов связи для передачи информации о расположении объекта в сервисные центры, осуществляющие контроль. Применяются они во многих отраслях: охранной, медицинской, страховой, транспортной и многих других. Также существуют автомобильные трекеры, которые подключаются исключительно к автомобилю.


Путешествия без проблем

gps как работаетС каждым днем значения карты и бессменного компаса уходят все дальше в прошлое. Современные технологии позволяют человеку проложить дорогу для своего странствия с минимальными потерями времени, усилий и средств, при этом увидеть наиболее захватывающие и интересные места. То, что было фантастикой около столетия назад, сегодня стало реальностью, и воспользоваться этим может практически каждый: от военных, моряков и пилотов самолетов до туристов и курьеров. Сейчас большую популярность набирает и использование этих систем для коммерческой, развлекательной, рекламной отраслей, где каждый предприниматель может указать себя на глобальной карте мира, и его будет совсем нетрудно найти. Надеемся, что эта статья помогла всем, кто интересуется тем, GPS — как работает, по какому принципу происходит определение координат, какие его сильные и слабые стороны.

Принципы работы GPS-навигаторов — Ferra.ru

В состав спутниковой системы GPS входят как минимум 24 искусственных спутника Земли, находящихся на различных круговых орбитах, плоскости которых разнесены по долготам через 60° и наклонены к плоскости экватора на 55°. Период обращения одного спутника составляет порядка 12 часов.

Регулярно спутники передают на Землю:

  • свой статус (сообщение об исправности или неисправности)
  • текущую дату
  • текущее время
  • данные альманаха (орбитальные данные всех спутников)
  • точное время отправки всей совокупности сообщений
  • бортовые эфемериды (расчётные координаты своего положения в этот момент времени)

GPS-приёмник на основании полученной со спутников информации определяет расстояние до каждого спутника и вычисляет свои координаты по законам геометрии. При этом для определения двух координат (широта и долгота) достаточно получить сигналы с трёх спутников, а для определения высоты над поверхностью Земли – с четырёх.

С учётом распространения радиосигналов расстояние до спутников определяется по задержке времени приёма сообщения GPS-приёмником относительно времени отправки сообщения с борта спутника. Конечно, для точного определения этой задержки часы на спутниках и часы в GPS-приёмнике должны быть синхронны, что обеспечивается синхронизацией часов приёмника по информации, содержащейся, как указывалось выше, в сигналах спутников.

Основным источником погрешности в системе GPS было наличие так называемого режима «ограниченного доступа». В этом режиме в сигналы спутников Министерством обороны США априорно вводилась погрешность, позволяющая определять местоположение с точностью 30-100 м, хотя принципиально точность GPS-систем может достигать нескольких сантиметров. С 1 мая 2000 года режим «ограниченного доступа» был отключён. Теперь любой человек в любой точке Земли может пользоваться этой системой. Другими источниками погрешности являются неудачная геометрия взаимного расположения спутников, многолучевое распространение радиосигналов (влияние переотражённых радиоволн на приёмник), ионосферные и атмосферные задержки сигналов и др.

Система GPS позволяет определить местоположение в любой точке на суше, на море и в околоземном пространстве.

Как уже упоминалось, изначально система GPS была разработана для военных целей. Однако через некоторое время стало ясно, что эта система может очень сильно помогать людям для достижения других, «гражданских» целей.

На сегодняшний день система GPS очень широко используется в решении навигационных и картографических (геодезических) целей.

Спутниковые методы определения пространственных координат нашли массовое применение в современных геодезических измерениях, в первую очередь благодаря системе GPS, стабильно работающей на протяжении всего своего существования и ставшей доступной широкому кругу гражданских пользователей. Однако всё чаще возникают обсуждения того, что дальнейшее повышение точности и надёжности определения пространственных координат в любой точке Земли может быть обеспечено только за счёт совместного использования различных глобальных навигационных спутниковых систем, таких, например, как российская ГЛОНАСС и разворачиваемая в Европе Galileo.

Несмотря на то что уровень развёртывания ГЛОНАСС в настоящее время не находится в полном функциональном состоянии, приём и совместная обработка сигналов ГЛОНАСС и NAVSTAR позволяют увеличить производительность при выполнении спутниковых геодезических измерений в сложных условиях (например, городской застройки), когда число видимых спутников системы NAVSTAR сокращается. Поэтому в настоящее время многие разработчики аппаратуры пользователей создают спутниковые приёмники, способные работать одновременно с различными системами (например, компания Topcon Positioning System). Эти приёмники, в отличие от приёмников GPS, принимающих только сигналы NAVSTAR, называют GNSS-приёмниками (Global Navigation Satellite System, аналог русского обозначения ГНСС), а используемые методы обработки – GNSS-технологиями.

Система GPS выглядит предпочтительнее для навигационных целей, чем ГЛОНАСС. Это связано с тем, что навигационных решений под ГЛОНАСС для обычных пользователей практически не существует и рынок ГЛОНАСС пока слабо развит.

Современные геодезические измерения невозможно представить без использования спутниковых технологий определения пространственных координат. Первые GPS-приёмники появились ещё в начале 1980-х годов. За время существования они претерпели серьёзные изменения, но неизменным остался способ определения координат. Главной особенностью современного развития геодезического оборудования является стремление упростить процесс измерений и объединить всё необходимое в одном приборе.

Итак, в зависимости от характера решаемых задач GPS-системы можно разделить на два класса – навигационные приёмники и системы геодезической точности.

Навигационные приёмники обеспечивают устойчивое определение текущих координат с точностью десятков метров и являются относительно недорогими устройствами. Приборы этого класса просты в эксплуатации, портативны, а время, необходимое для получения координат в точке, составляет секунды или единицы минут.

Геодезические GPS-системы являются значительно более сложными устройствами, но они позволяют достигать точности привязки объекта до долей сантиметра, соответственно, стоимость таких систем существенно выше и может составлять десятки тысяч долларов.

Хотя повышение точности результатов желательно в любой раgботе, для задач привязки на местности различных объектов точность, обеспечиваемая навигационными приёмниками, является вполне удовлетворительной, а в особо критичных случаях может быть повышена за счёт проведения большого числа измерений и их последующей статистической обработки.

В целом весь спектр моделей GPS-приёмников по особенностям использования можно разделить на четыре большие группы.

  • Персональные GPS-приёмники индивидуального применения. Эти модели отличаются малыми габаритами и широким набором сервисных функций: от базовых навигационных, включая возможность формирования и расчёта маршрутов следования, до функции приёма и передачи электронной почты.
  • Автомобильные GPS-приёмники, которые предназначены для установки в любом наземном транспортном средстве и имеют возможность подключения внешней приёмо-передающей аппаратуры для автоматической передачи параметров движения на диспетчерские пункты.
  • Морские GPS-приёмники, оснащённые ультразвуковым эхолотом, а также дополнительными сменными картриджами с картографической и гидрографической информацией для конкретных береговых районов.
  • Авиационные GPS-приёмники, используемые для пилотирования летательных аппаратов, включая коммерческую авиацию.

Важно отметить, что использование GPS в навигационных целях тесно связано с применением современных информационных технологий – компьютерных баз данных и Геоинформационных систем (ГИС).

Как можно понять, далеко не все из вышеперечисленных устройств интересны нашим читателям, а, как следствие, и нам. Поэтому сложнейшие геодезические приборы мы учитывать не будем. А своё внимание сконцентрируем на персональных, автомобильных и, возможно, морских GPS-приёмниках, а также на аксессуарах для них.

Система GPS. Взгляд изнутри и снаружи

Немного истории.

Как нередко бывает с высокотехнологичными проектами, инициаторами разработки и реализации системы GPS (Global Positioning System — система глобального позиционирования) стали военные. Проект спутниковой сети для определения координат в режиме реального времени в любой точке земного шара был назван Navstar (Navigation system with timing and ranging — навигационная система определения времени и дальности), тогда как аббревиатура GPS появилась позднее, когда система стала использоваться не только в оборонных, но и в гражданских целях.

Первые шаги по развертыванию навигационной сети были предприняты в середине семидесятых, коммерческая же эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась с 1995 года. В настоящий момент в работе находятся 28 спутников, равномерно распределенных по орбитам с высотой 20350 км (для полнофункциональной работы достаточно 24 спутников).

Несколько забегая вперед, скажу, что поистине ключевым моментом в истории GPS стало решение президента США об отмене с 1 мая 2000 года режима так называемого селективного доступа (SA — selective availability) — погрешности, искусственно вносимой в спутниковые сигналы для неточной работы гражданских GPS-приемников. С этого момента любительский терминал может определять координаты с точностью в несколько метров (ранее погрешность составляла десятки метров)! На рис.1 представлены ошибки в навигации до и после отключения режима селективного доступа (данные U.S. Space Command ).Рис1.

Попробуем разобраться в общих чертах, как устроена система глобального позиционирования, а потом коснемся ряда пользовательских аспектов. Рассмотрение же начнем с принципа определения дальности, лежащего в основе работы космической навигационной системы.

Алгоритм измерения расстояния от точки наблюдения до спутника.

Дальнометрия основана на вычислении расстояния по временной задержке распространения радиосигнала от спутника к приемнику. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить, просто умножив время на скорость света.

Каждый спутник системы GPS непрерывно генерирует радиоволны двух частот — L1=1575.42МГц и L2=1227.60МГц. Мощность передатчика составляет 50 и 8 Ватт соответственно. Навигационный сигнал представляет собой фазовоманипулированный псевдослучайный код PRN (Pseudo Random Number code). PRN бывает двух типов: первый, C/A-код (Coarse Acquisition code — грубый код) используется в гражданских приемниках, второй Р-код (Precision code — точный код), используется в военных целях, а также, иногда, для решения задач геодезии и картографии. Частота L1 модулируется как С/А, так и Р-кодом, частота L2 существует только для передачи Р-кода. Кроме описанных, существует еще и Y-код, представляющий собой зашифрованный Р-код (в военное время система шифровки может меняться).

Период повторения кода довольно велик (например, для P-кода он равен 267 дням). Каждый GPS-приемник имеет собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, по времени задержки между одинаковыми участками кода, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние до спутника.

Одной из основных технических сложностей описанного выше метода является синхронизация часов на спутнике и в приемнике. Даже мизерная по обычным меркам погрешность может привести к огромной ошибке в определении расстояния. Каждый спутник несет на борту высокоточные атомные часы. Понятно, что устанавливать подобную штуку в каждый приемник невозможно. Поэтому для коррекции ошибок в определении координат из-за погрешностей встроенных в приемник часов используется некоторая избыточность в данных, необходимых для однозначной привязки к местности (подробней об этом чуть позже).

Кроме самих навигационных сигналов, спутник непрерывно передает разного рода служебную информацию. Приемник получает, например, эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере (так как скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), а также сведения о работоспособности спутника (так называемых «альманах», содержащий обновляемые каждые 12.5 минут сведения о состоянии и орбитах всех спутников). Эти данные передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.

Общие принципы определения координат с помощью GPS.

Основой идеи определения координат GPS-приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным (эти данные содержатся в принятом со спутника альманахе). В геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами называется трилатерацией. Рис2.

Если известно расстояние А до одного спутника, то координаты приемника определить нельзя (он может находится в любой точке сферы радиусом А, описанной вокруг спутника). Пусть известна удаленность В приемника от второго спутника. В этом случае определение координат также не представляется возможным — объект находится где-то на окружности (она показана синим цветом на рис.2), которая является пересечением двух сфер. Расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек (обозначены двумя жирными синими точками на рис.2). Этого уже достаточно для однозначного определения координат — дело в том, что из двух возможных точек расположения приемника лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близи от нее), а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, теоретически для трехмерной навигации достаточно знать расстояния от приемника до трех спутников.

Однако в жизни все не так просто. Приведенные выше рассуждения были сделаны для случая, когда расстояния от точки наблюдения до спутников известны с абсолютной точностью. Разумеется, как бы ни изощрялись инженеры, некоторая погрешность всегда имеет место (хотя бы по указанной в предыдущем разделе неточной синхронизации часов приемника и спутника, зависимости скорости света от состояния атмосферы и т.п.). Поэтому для определения трехмерных координат приемника привлекаются не три, а минимум четыре спутника.

Получив сигнал от четырех (или больше) спутников, приемник ищет точку пересечения соответствующих сфер. Если такой точки нет, процессор приемника начинает методом последовательных приближений корректировать свои часы до тех пор, пока не добьется пересечения всех сфер в одной точке.

Следует отметить, что точность определения координат связана не только с прецизионным расчетом расстояния от приемника до спутников, но и с величиной погрешности задания местоположения самих спутников. Для контроля орбит и координат спутников существуют четыре наземных станции слежения, системы связи и центр управления, подконтрольные Министерству Обороны США. Станции слежения постоянно ведут наблюдения за всеми спутниками системы и передают данные об их орбитах в центр управления, где вычисляются уточнённые элементы траекторий и поправки спутниковых часов. Указанные параметры вносятся в альманах и передаются на спутники, а те, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим приемникам.

Кроме перечисленных, существует еще масса специальных систем, увеличивающих точность навигации, — например, особые схемы обработки сигнала снижают ошибки от интерференции (взаимодействия прямого спутникового сигнала с отраженным, например, от зданий). Мы не будем углубляться в особенности функционирования этих устройств, чтобы излишне не осложнять текст.

После отмены описанного выше режима селективного доступа гражданские приемники «привязываются к местности» с погрешностью 3-5 метров (высота определяется с точностью около 10 метров). Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников (большинство современных аппаратов имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников).

Качественно уменьшить ошибку (до нескольких сантиметров) в измерении координат позволяет режим так называемой дифференциальной коррекции (DGPS — Differential GPS). Дифференциальный режим состоит в использовании двух приемников — один неподвижно находится в точке с известными координатами и называется «базовым», а второй, как и раньше, является мобильным. Данные, полученные базовым приемником, используются для коррекции информации, собранной передвижным аппаратом. Коррекция может осуществляться как в режиме реального времени, так и при «оффлайновой» обработке данных, например, на компьютере.

Обычно в качестве базового используется профессиональный приемник, принадлежащий какой-либо компании, специализирующейся на оказании услуг навигации или занимающейся геодезией. Например, в феврале 1998 года недалеко от Санкт-Петербурга компания «НавГеоКом» установила первую в России наземную станцию дифференциального GPS. Мощность передатчика станции — 100 Ватт (частота 298,5 кГц), что позволяет пользоваться DGPS при удалении от станции на расстояния до 300 км по морю и до 150 км по суше. Кроме наземных базовых приемников, для дифференциальной коррекции GPS-данных можно использовать спутниковую систему дифференциального сервиса компании OmniStar. Данные для коррекции передаются с нескольких геостационарных спутников компании.

Следует заметить, что основными заказчиками дифференциальной коррекции являются геодезические и топографические службы — для частного пользователя DGPS не представляет интереса из-за высокой стоимости (пакет услуг OmniStar на территории Европы стоит более 1500 долларов в год) и громоздкости оборудования. Да и вряд ли в повседневной жизни возникают ситуации, когда надо знать свои абсолютные географические координаты с погрешностью 10-30 см.

В заключение части, повествующей о «теоретических» аспектах функционирования GPS, скажу, что Россия и в случае с космической навигацией пошла своим путем и развивает собственную систему ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Но из-за отсутствия должных инвестиций в настоящее время на орбите находятся лишь семь спутников из двадцати четырех, необходимых для нормального функционирования системы…

Краткие субъективные заметки пользователя GPS.

Так уж получилось, что о возможности определять свое местоположение с помощью носимого приборчика размерами с сотовый телефон я узнал году в девяносто седьмом из какого-то журнала. Однако замечательные перспективы, нарисованные авторами статьи, были безжалостно разбиты заявленной в тексте ценой навигационного аппарата — почти 400 долларов!

Года через полтора (в августе 1998) судьба занесла меня в маленький спортивный магазинчик в американском городе Бостон. Какого же было мое удивление и радость, когда на одной из витрин я случайно заметил несколько разных навигаторов, самый дорогой из которых стоил 250 долларов (простенькие же модели предлагались за $99). Конечно, уйти из магазина без прибора я уже не мог, поэтому принялся пытать продавцов о характеристиках, преимуществах и недостатках каждой модели. Ничего вразумительного от них я не услышал (и отнюдь не из-за того, что плохо знаю английский), так что пришлось разбираться во всем самому. И в результате, как это нередко бывает, была приобретена самая продвинутая и дорогая модель — Garmin GPS II+, а также специальный чехол к ней и шнур для питания от гнезда прикуривателя автомобиля. В магазине имелось еще два аксессуара для теперь уже моего аппарата — устройство для крепления навигатора на велосипедном руле и шнур для соединения с РС. Последний я долго крутил в руках, но, в конце концов, все же решил не покупать из-за немалой цены (немногим более 30 долларов). Как потом оказалось, шнур я не купил совершенно правильно, ибо все взаимодействие прибора с компьютером сводится к «сливке» в ЭВМ пройденного маршрута (а также, думаю, координат в режиме реального времени, но насчет этого есть определенные сомнения), да и то при условии покупки софта от Garmin. Возможность загружать в прибор карты, к сожалению, отсутствует.

Давать подробное описание своего прибора я не буду хотя бы потому, что он уже снят с производства (желающие ознакомиться с подробной технической характеристикой могут сделать это здесь ). Замечу лишь, что вес навигатора — 255 гр., размеры — 59х127х41 мм. Благодаря своему треугольному сечению аппарат исключительно устойчиво располагается на столе или панели приборов автомобиля (для более прочной фиксации в комплект входит липучка Velcro). Питание осуществляется от четырех пальчиковых батареек АА (их хватает лишь на 24 часа непрерывной работы) или внешнего источника. Попробую рассказать об основных возможностях моего прибора, которые, думаю, имеет подавляющее большинство присутствующих на рынке навигаторов.

С первого взгляда GPS II+ можно принять за мобильный телефон, выпущенный пару лет назад. Лишь только присмотревшись, замечаешь необычно толстую антенну, огромный дисплей (56х38 мм!) и малое, по телефонным меркам, количество клавиш.

При включении прибора начинается процесс сбора информации со спутников, а на экране появляется простенькая мультипликация (вращающийся земной шар). После первоначальной инициализации (которая в открытом месте занимает пару минут) на дисплее возникает примитивная карта неба с номерами видимых спутников, а рядом — гистограмма, свидетельствующая об уровне сигнала от каждого спутника. Кроме того, указывается погрешность навигации (в метрах) — чем больше спутников видит прибор, тем, разумеется, точнее будет определение координат.

Интерфейс GPS II+ построен по принципу «перелистываемых» страниц (для этого даже есть специальная кнопка PAGE). Выше была описана «страница спутников», а кроме нее, есть «страница навигации», «карта», «страница возврата», «страница меню» и ряд других. Следует заметить, что описываемый аппарат не русифицирован, однако даже с плохим знанием английского можно понять его работу.

На странице навигации отображаются: абсолютные географические координаты, пройденный путь, мгновенная и средняя скорости движения, высота над уровнем моря, время движения и, в верхней части экрана, электронный компас. Надо сказать, что высота определяется с гораздо большей погрешностью, чем две горизонтальные координаты (на этот счет есть даже специальная ремарка в руководстве пользователя), что не позволяет использовать GPS, например, для определения высоты парапланеристами. Зато мгновенная скорость вычисляется исключительно точно (особенно для быстродвижущихся объектов), что дает возможность использовать прибор для определения скорости снегоходов (спидометры которых имеют обыкновение значительно врать). Могу дать «вредный совет» — взяв напрокат автомобиль, отключите его спидометр (чтобы он насчитал поменьше километров — ведь оплата зачастую пропорциональна пробегу), а скорость и пройденное расстояние определяйте по GPS (благо он может вести измерения как в милях, так и в километрах).

Средняя скорость движения определяется по несколько странному алгоритму — время простоя (когда мгновенная скорость равна нулю) в вычислениях не учитывается (более логично, на мой взгляд, было бы просто делить пройденное расстояние на общее время поездки, но создатели GPS II+ руководствовались каким-то иными соображениями).

Пройденный путь отображается на «карте» (памяти аппарата хватает километров на 800 — при большем пробеге автоматически стираются самые старые метки), так что при желании можно посмотреть схему своих блужданий. Масштаб карты меняется от десятков метров до сотен километров, что, несомненно, исключительно удобно. Самое же замечательное состоит в том, что в памяти прибора имеются координаты основных населенных пункты всего мира! США, конечно, представлено более подробно (например, все районы Бостона присутствуют на карте с названиями), чем Россия (тут указано расположение лишь таких городов как Москва, Тверь, Подольск и т.п.). Представьте, например, что Вы направляетесь из Москвы в Брест. Находите в памяти навигатора «Брест», жмете специальную кнопку «GO TO», и на экране появляется локальное направление Вашего движения; глобальное направление на Брест; количество километров (по прямой, разумеется), оставшееся до точки назначения; средняя скорость и расчетное время прибытия. И так в любой точке мира — хоть в Чехии, хоть в Австралии, хоть в Таиланде…

Не менее полезной является так называемая функция возврата. Память аппарата позволяет записывать до 500 ключевых точек (waypoints). Каждую точку пользователь может называть по своему усмотрению (например, DOM, DACHA и т.п.), также предусмотрены различные пиктрограммки для отображения информации на дисплее. Включив функцию возврата к точке (любой из заранее записанных), владелец навигатора получает те же возможности, что и в описанном выше случае с Брестом (т.е. расстояние до точки, расчетное время прибытия и все остальное). У меня, например, был такой случай. Приехав в Прагу на автомобиле и устроившись в гостинице, мы с приятелем отправились в центр города. Оставив машину на стоянке, пошли побродить. После бесцельной трехчасовой прогулки и ужина в ресторане мы поняли, что совершенно не помним, где оставили машину. На улице ночь, мы — на одной из маленьких улочек незнакомого города… К счастью, прежде чем покинуть автомобиль, я записал его местоположение в навигатор. Теперь же, нажав пару кнопок на аппарате, я узнал, что машина стоит в 500 метрах от нас и через 15 минут мы уже слушали тихую музыку, направляясь на автомобиле в гостиницу.

Кроме движения к записанной метке по прямой, что не всегда удобно в условиях города, Garmin предлагает функцию TrackBack — возврат по своему пути. Грубо говоря, кривая движения аппроксимируется рядом прямолинейных участков, а в точках излома ставятся метки. На каждом прямолинейном участке навигатор ведет пользователя к ближайшей метке, по достижении же ее осуществляется автоматическое переключение на следующую метку. Исключительно удобная функция при езде на автомобиле по незнакомой местности (сигнал со спутников сквозь здания, конечно, не проходит, поэтому, чтобы получить данные о своих координатах в условиях плотной застройки, приходится искать более-менее открытое место).

Я не буду дальше углубляться в описание возможностей прибора — поверьте, что кроме описанных, в нем есть еще масса приятных и нужных примочек. Одна смена ориентации дисплея чего стоит — можно использовать аппарат как в горизонтальном (автомобильном), так и в вертикальном (пешеходном) положении (см. рис.3).

Одной из основных же прелестей GPS для пользователя я считаю отсутствие какой-либо платы за пользование системой. Купил один раз прибор — и наслаждайся!

Заключение.

Я думаю, нет нужды перечислять области применения рассмотренной системы глобального позиционирования. GPS-приемники встраивают в автомобили, сотовые телефоны и даже наручные часы! Недавно я встретил сообщение о разработке чипа, совмещающего в себе миниатюрный GPS-приемник и модуль GSM — устройствами на его базе предлагается оснащать собачьи ошейники, чтобы хозяин мог без труда обнаружить потерявшегося пса посредством сотовой сети.

Но в любой бочке меда есть ложка дегтя. В данном случае в роли последнего выступают российские законы. Я не буду подробно рассуждать о юридических аспектах использования GPS-навигаторов в России (кое-что об этом можно найти здесь ), замечу лишь, что теоретически высокоточные навигационные приборы (коими, без сомнения являются даже любительские GPS-приемники) у нас запрещены, а их владельцев ждет конфискация аппарата и немалый штраф.

К счастью для пользователей, в России строгость законов компенсируется необязательностью их выполнения — например, по Москве разъезжает огромное количество лимузинов с шайбой-антенной GPS-приемников на крышке багажника. Все более-менее серьезные морские суда оборудованы GPS (и уже выросло целое поколение яхтсменов, с трудом ориентирующихся в пространстве по компасу и прочим традиционным средствам навигации). Надеюсь, власти не будут вставлять палки в колеса техническому прогрессу и в ближайшее время легализуют пользование GPS-приемниками в нашей стране (отменили же разрешения на сотовые телефоны), а также дадут добро на рассекречивание и тиражирование подробных карт местности, необходимых для полноценного использования автомобильных навигационных систем.

Как работает навигатор

Современный путешественник уже не мыслит себя без навигаторов. Раньше необходимые для навигации вещи представляли собой несколько предметов: компас, карты, и ориентирование все равно не было предельно точным. Сейчас все эти функции умещаются в одном-единственном приборе – навигаторе, о принципах работы которого мы сегодня и поговорим. Итак, как работает навигатор.

Навигатор – это прибор, который показывает ваше местоположение на карте, транслируемой на его экране. Делает он это при помощи спутников, с которыми постоянно находится «на связи». Навигатор – это приемник, и принимает он сигналы со спутников глобальной системы позиционирования (сокращенно по-английски GPS). Эта система состоит из 24 спутников, и была запущена американцами еще в конце прошлого века.

 

Как работает GPS навигатор

Суть работы вашего персонального «ориентировщика» заключается в следующем. Вокруг земной орбиты на высоте около 18 километров постоянно курсируют спутники, на борту которых расположены атомные часы, позволяющие с высочайшей точностью определять время. Траектории и скорость спутников жестко заданы, и постоянно мониторятся единой системой управления. Ваше местоположение вычисляется на основе вашего расстояния до 3-4 определенных спутников в конкретное время. Местоположение этих спутников в любую секунду доподлинно известно, поэтому их данные о расстоянии до вас позволяют точно определить ваше местоположение, а количество спутников в виде 3-4 штук позволяет определить точность вашего местоположения вплоть до 1-2 метров.

Но, разумеется, сам навигатор – не простой прибор, и состоит из довольно большого количества составных частей. Он принимает сигналы со спутников, и за обработку этих сигналов отвечает его внутренняя начинка, которая состоит из материнской платы, процессора, памяти, GPS-модуля, приемщика сигналов спутника, БИОСа, операционной системы, специальной оболочки, собственно навигационной программы и карт, которые закачаны в прибор. Давайте подробнее рассмотрим компоненты.

 

Из чего состоит навигатор

На материнскую плату устанавливается «железо» (процессор, джипиэс-модуль и т.д.). Она является как бы каркасом, сердцевиной и основой всего прибора.

«Материнка» соединяется шлейфом с экраном. Практически все современные экраны навигаторов – сенсорные, т.е. управление прибором идет путем нажатия клавиш на самом экране. Раньше практически все навигаторы имели TFT-экран, сегодня же почти все новинки выпускаются с экраном, сделанным по IPS-технологии. Данная технология уменьшает блики и увеличивает качество передачи картинки.

Разумеется, у навигатора есть свой аккумулятор. И если для автомобильных устройств он не так принципиален, так как идет постоянная подзарядка от автомобиля, то для туристических вариантов он жизненно необходим, так как режим отслеживания спутников очень энергозатратный. В будущих статьях мы разберем, как и какие выбирать туристические навигаторы, обращая внимание в том числе на емкость аккумулятора.

Всё описанное железо упаковывается в корпус, который для туристических навигаторов выполняется в защитном варианте – пыле- и влагонепроницаемом. Автомобильные навигаторы часто имеют обычный пластиковый корпус.

Выше мы разобрали лишь железную начинку наших помощников в ориентировании. Она абсолютно бесполезна, если не будет «мозгов» — программного обеспечения.

На навигаторы устанавливается операционная система, подобная той, что можно встретить на компьютерах и смартфонах. Самой популярной в последнее время становится Андроид, но достойную конкуренцию ему составляет Windows CE. Множество брендов-производителей используют эти операционки, но есть и такие, кто имеет собственные разработки – например, бренд Garmin. О правильном выборе навигатора мы поговорим в следующих статьях.

Теперь перейдем непосредственно к тем вещам, которые делают навигатор навигатором. Прежде всего, это сама навигационная программа – т.е. программа, которая обрабатывает сигналы позиционирования и предоставляет их на экран вашего прибора. Таких программ тоже множество, и даже гораздо больше, чем операционных систем, но самая популярная на сегодняшний день, особенно в России, — Navitel. Эта программа передает на экран прибора ваше местоположение. И остается завершающая часть – карты.

Если бы не было карт, то навигационная программа передавала бы просто ваши координаты на черном экране. Какой в этом смысл? Никакого. Поэтому карты являются важнейшей частью навигации, завершающим слоем, на котором и отображается в понятном вам виде информация о вашем местоположении. Карты привязаны к системе координат. Таким образом, когда навигационная программа показывает координаты вашего положения, то они просто накладываются на карту, которая также связана с системой координат. В итоге у современных приборов навигации точность составляет до одного метра.

 

Какой навигатор работает без интернета

В первую очередь, надо понять тот момент, что навигатор работает исключительно через свой GPS-модуль (либо через глонасс, но об этом мы поговорим чуть позже). Соответственно, ему не нужны ни вышки сотовой связи, ни интернет. Но, разумеется, в этом случае в него должны быть закачаны карты местности, по которой вы будете перемещаться. Это значит, что навигаторы работают абсолютно в любой точке земного шара, вне зависимости от того, как близко «цивилизация».

Существуют и такие типы навигаторов, которые работают только при наличии интернета, но там ориентирование и позиционирование ведется по вышкам сотовой связи либо в смешанном режиме, а карты местности подгружаются из интернета. Но даже такие навигаторы можно «заставить» работать офлайн – просто заранее загрузив карты и воспользовавшись встроенным модулем GPS в этих приборах. Как вы, наверное, поняли, речь идет прежде всего о сотовых телефонах и смартфонах, в которых есть джипиэс-модули и в которые можно установить навигационные программы. О выборе навигатора мы поговорим в следующих статьях этого блока.

 

GPS и Глонасс

Теперь давайте разберем еще один момент. До последнего времени слова «навигатор» и «gps-навигатор» значили одно и то же. Но ведь это не синонимы. GPS – это конкретная система позиционирования, разработанная американцами в прошлом веке. Собственно, именно так она и переводится. Но сегодня у GPS есть серьезнейший конкурент, и он отечественного производства – система Глонасс. Позиционирование и навигация осуществляются по тому же принципу, что и GPS, но уже – через наши спутники и наше оборудование. В каких-то вопросах Глонасс еще не достиг уровня GPS, но в целом является уже полноценным конкурентом. В России идет активное развитие нашего детища, и многие выпускаемые навигационные приборы имеют встроенный модуль Глонасса.

 

Как работает навигатор в различных  условиях

Это очень важный вопрос, потому что навигатор непосредственно взаимодействует с сигналами спутников, и его работа чувствительно нарушается, когда нарушается этот контакт. Например, вы вряд ли успешно определите свое местоположение, находясь внутри большого помещения вдали от окон, и уж точно не сможете сделать этого в тоннеле или где-нибудь под землей. Нужно иметь это в виду при планировании собственных перемещений.

Для качественного определения координат навигатор должен соединиться хотя бы с 4 спутниками. Если небо закрыто тучами или мешают какие-то физические препятствия, то прибор может неточно определить ваше местоположение, а то и вовсе отказаться работать, требуя больше спутников.

Вот мы и разобрали основные принципы работы навигатора. Это достаточно сложный прибор, который сильно упрощает жизнь путешественнику и любому человеку, чья деятельность связана с перемещением по поверхности земли. В следующих статьях нашего блока читайте о том, какие выбрать навигаторы для разных условий, чем руководствоваться, и другую интересную информацию по теме навигации.

Читайте также

Как работает GPS | Смартфоны | Блог

Надо найти библиотеку в 3 часа ночи — пожалуйста, доехать до Рубинштейна «24» — нет проблем, найти север без фокусов с иголкой — запросто. Портативные гаджеты давно заменили бумажные карты и компасы благодаря GPS и ее аналогам. Система спутниковой навигации — популярная тема для споров, обросшая мифами и легендами, как исландское дерево мхом. Попытаемся разобраться во всем по порядку.

Маленький, но уже военный


В 1967 году руководство СССР задумалось о создании системы глобальной навигации. Спустя 9 лет родился «Циклон» — комплекс спутников, снабженных атомными часами, передатчиками и возобновляемым источником питания. Перспективный космический страж не долго сиял золотыми эполетами солнечных батарей. В начале 90-х прекратили выделять ассигнования, несколько спутников сломались и сошли с орбиты. Сменив в 1993 году военную форму на гражданский костюм, Циклон взял новое имя — ГЛОНАСС. В этом же году американцы запустили двадцать четвертый спутник, завершив девятнадцатилетнюю эпопею создания GPS. До этого момента СССР и США шли ноздря в ноздрю, создавая практически идентичные системы, но кризис 1998 года изменил расстановку сил навсегда.

Слухи и факты


Среди форумных забияк бытует мнение, что ГЛОНАСС — плохая система с очень низкой точностью позиционирования, ее работе может помешать даже дерево. Слухи начали распространяться в начале 2000 годов.
Десяток спутников отправились в космос полетать, один сошел с орбиты, их осталось девять.
Девять спутников, в космосе летая, ловили солнца луч, один не смог поймать, их осталось восемь…
Из-за недостатка финансирования в 2001 году количество летунов сократилось до шести. В те времена пациент был скорее мертв, чем жив. В 2007 аппаратов стало 18, в 2010 на орбиту вывели 26 штук. Космические скитальцы постоянно падают, срок жизни американского образчика технического искусства — 10 лет, у российского меньше.

Как это работает?


Спутник в космосе — летающая радиостанция, посылающая приветственные сигналы приемникам. Роль приемников играют наши смартфоны и навигаторы. Вопреки расхожему заблуждению, телефон никуда и никакие сигналы не отправляет с помощью супермощной антенны. Для точного вычисления координат необходимо минимум 4 спутника — три передают данные о своем местоположении относительно земли и друг друга, четвертый фиксирует время прохождения сигнала от передатчика к приемнику. Местоположение устройства определяет процессор — он должен быть мощным. Флагманский вычислитель обрабатывает информацию практически мгновенно. Старенький же процессор, как Сусанин, будет долго водить по кустам, кочкам и болотам. Современные устройства умеют принимать сигналы от 12 летающих радиостанций, в скором времени научатся и от всех 24. Чем больше источников информации — тем лучше.
Кроме широко известной GPS и отечественного аналога, существует еще несколько похожих систем навигации — китайский Beidou, европейский Galileo, индийский IRNSS. Но чтобы точно определять координаты, достаточно только одной. Такое многообразие обуславливается лишь страхом пред отключением GPS и необходимостью координировать передвижение войск в случае войны.

Не такой, как все


У ГЛОНАСС, в отличии от GPS, отсутствует привязка к планете. Из-за этого спутники не видят краев и часто падают, сгорая в атмосфере. Точность тоже страдает — 4–8 метров против 2,5 метров у американцев. Зато в России можно пользоваться двумя системами одновременно, получая точность в 1,5 метра. В США такая опция доступна только в некоторых штатах, устройства просто не видят российские спутники. Для точного определения местоположения на территории РФ достаточно 18 спутников на орбите. ГЛОНАСС лучше всего ловит на севере, потому что изначально система создавалась для позиционирования войск в северных регионах страны. GPS info — приложение, помогающее ловить сигналы от двух систем одновременно. Узнать, сколько космических летунов видит конкретное устройство, можно с помощью софта GPS Test.

Почему тупит?


Спутники все время находятся в движении, их траекторию отслеживают наземные станции. Актуальная информация отправляется на гаджеты в альманахах — библиотеках с самыми точными сведениями о местоположении всех доступных спутников. Обновляются альманахи по воздуху через GPRS или Wi-Fi. Если скорость Интернет-соединения низкая, процедура поиска может затянутся на 5–10 минут. В нормальном режиме на обновление уйдет 30 секунд.
Для тех, у кого с интернетом все норм, придумали A-GPS — специальный софт, передающий данные о местоположении спутника с помощью всемирной сети. Используется там, куда не пробиться сигналу от крылатой радиостанции — горы, подвалы, низины. По сути A-GPS — это цифровой репитер, повторяющий сигналы от GPS по другим каналам.

Незаменимые помощники


Акселерометр приходит на помощь спутникам, показывая куда поворачивает телефон, с какой скоростью он движется.
Магнитометр помогает акселерометру понять, где север, чтобы сориентировать в пространстве. Чем больше всяких датчиков в гаджете, тем точнее будут определены координаты.
Датчик компаса помогает определить направление движения. Если он не настроен, точность позиционирования значительно снижается. Чтобы привести его в рабочее состояние, достаточно запустить приложение и откалибровать, следуя инструкции от производителя.

А что в целом?


ГЛОНАСС — ровесник GPS, идеален для северных регионов, об этом хорошо осведомлены Шведы, использующие именно эту систему спутниковой связи. Самый большой минус — низкая точность, компенсируется подключением GPS-спутников через специальное приложение для Android и iOS.
В смартфонах антенна не важна, главное процессор и вспомогательные датчики, топовые устройства не имеют проблем с навигацией. A-GPS и другой софт — отличные костыли, помогающие престарелым устройствам ориентироваться в условиях мегаполисов и бездорожий. Для быстрого и правильного позиционирования навигатор необходимо подключать к 4G или регулярно обновлять информацию с помощью ноутбука, смартфона по Bluetooth.
Путешествуйте чаще, не бойтесь открывать новые места, ведь современные технологии не стоят на месте и в ногу идут с желаниями человека, помогая и упрощая ему жизнь в исследовании неизведанного.

GPS навигатор. Виды и работа. Применение и карты. Особенности

GPS навигатор – это электронное устройство с экраном, предназначенное для получения спутникового сигнала с целью позиционирования своего местонахождения на дисплее. Он определяет точные координаты по широте и долготе, а также вычисляет высоту своего нахождения над уровнем моря. Основным предназначением прибора является прокладывание маршрутов с точки нахождения по требуемому адресу.

Как работает GPS навигатор

Принцип действия устройства основывается на том, что оно получает точные данные о своем местонахождении, на основании которых находит себя на карте местности, загруженной в его память. Прибор автоматически совмещает эту информацию и отображает на своем мониторе план улиц и дорог с обозначением своего местонахождения на них. При передвижении устройства данные на дисплее меняются. На карте отображается переход между улицами. Благодаря этому данная техника дает возможность держа ее при себе двигаться в любом направлении, исключая вероятность потерять ориентировку и заблудиться.

Что касается карт навигатора, то они загружаются в его память. Графические планы городов или целых регионов записываются, после чего устройство может в любой момент указать на плане где именно оно располагается. Чтобы проводить позиционирование осуществляется подключение к спутникам глобальной системы GPS. Они постоянно находятся на орбите Земли в большом количестве, поэтому почти с любой точки планеты имеется прямая видимость на них. Спутники транслируют сигналы, которые улавливает навигатор и по ним определяет свое текущее расположение.

Чтобы GPS навигатор мог определять широту, долготу и высоту, ему нужно получать сигнал сразу от 4 спутников. Именно поэтому все устройства без исключения поддерживают минимум 4 канала. При этом многие из них способны одновременно улавливать сразу до 9 сигналов. Это позволяет повысить точность и убрать вероятность кратковременной потери необходимых радиоволн в том случае, если один из четырех спутников находится не в прямой видимости, к примеру, обзор к нему закрывает многоэтажный дом.

Использование навигационных технологий дает возможность путешествовать без риска заехать в тупик, попасть на улицу с односторонним движением и ехать против направления основного потока автомобилей, а также позволит заранее узнать о множестве неприятностей и избежать их. При этом технические возможности прибора ограничены. Он не может полноценно воспринимать сигналы находясь в длинном туннеле, или в окружении высотных домов расположенных рядом друг к другом.

На что способны навигаторы

Эти устройства помимо выполнения своего прямого предназначения, а именно определения координат и прокладывания маршрута с визуальным сопровождением при движении на экране, могут поддерживать и другие функции.

GPS навигатор способен:
  • Проигрывать музыкальные и видеофайлы.
  • Отображать картинки и фото.
  • Давать голосовые подсказки.
  • Читать текстовые форматы.
  • С помощью специального FM передатчика транслировать звук на штатную магнитолу.
  • Давать громкую связь при разговоре по телефону без необходимости удерживать смартфон в руке.
  • Записывать видео как видеорегистратор.
  • Отображать изображение с камеры заднего вида.

Конечно, всеми этими функциями владеют только более дорогие навигаторы из высшего ценового сегмента. При этом самые базовые помимо составления маршрутов и определения своего местонахождения способны проигрывать видео и музыку. Отдельные устройства предусматривают специальный слот для установки обыкновенной SIM-карты, которую используют на смартфоне. Такие устройства могут используя 3G или 4G подключаться к интернету. Это позволяет просматривать видео прямо из сети, читать книги, новости и делать все, что и на планшете. Кроме этого, такие навигаторы могут загружать новые карты и обновлять старые без необходимости подключения к компьютеру.

Операционные системы

Обеспечением работы технического оснащения навигатора занимается операционная система. Именно она позволяет составлять маршруты, отвечает за передачу изображения и все другие операции, требующие расчета.

Самые распространенные серийные навигаторы действуют под управлением ОС:

Операционная система Windows СЕ была одной из первых успешных, но на данный момент уже уступает по своей функциональности и удобству. Ее ставят на бюджетные устройства, которые имеют небольшие показатели оперативной и встроенной памяти. Навигаторы под ее управлением зачастую немного зависают, обладают низкой скоростью переключения режимов, медленно увеличивают изображение и дольше строят маршрут.

Данные недостатки являются сравнительными, и не зная о более совершенной системе Android можно считать Windows более чем функциональной и хорошей операционной системой. Пользуясь навигатором под ее управлением, удастся применять все его функции, хотя это будет и не так удобно.

Операционная система Android уже более привычна для многих, поскольку ставится на множество смартфонов и планшетов. Она очень быстрая, к тому же поддерживает сотни приложений, способных в разы расширить функционал навигатора. Такая ОС гораздо легче для технического оснащения устройства, поэтому карты загружаются быстрее, изображение выглядит более качественным, к тому же в случае увеличения масштаба картинка не зависает.

Виды навигаторов по предназначению
Устройства позиционирования отличаются между собой. По предназначению их разделяют на следующие виды:
  • Автомобильные.
  • Пешеходные.
  • Универсальные.
  • Специализированные.
Автомобильные

GPS навигатор для машины является самым массивным. У него имеется крупный дисплей, что позволяет водителю с удобством просматривать карты, двигаясь при этом по автостраде. Прибор может монтироваться на панель приборов авто или на лобовое стекло. Его ставят таким образом, чтобы не закрывать обзор дорожного полотна. Обычно дисплей таких приборов превышает 5 дюймов. Конечно, чем он больше, тем комфортнее можно рассматривать мелкие детали на карте. При этом избыточно крупный навигатор закроет видимость, что небезопасно.

Автомобильные устройства разделяются на переносные и инсталлируемые. Съемные внешне напоминают обыкновенный планшет. В них имеется собственный встроенный аккумулятор, поэтому навигатор в любой момент можно снять и унести с собой. Убрав с панели приборов машины дорогое оборудование, минимизируя вероятность того, что на авто позарятся злоумышленники. Для обеспечения питания на протяжении большого периода времени в комплектации устройства предусматривается кабель, который с одной стороны подключается к прикуривателю, а вторым концом присоединяется к навигатору.

Инсталлируемые или встраиваемые навигаторы внешне имеют параметры крупной автомагнитолы. Они устанавливаются непосредственно в посадочное гнездо в автомобиле. Конечно, далеко не каждая машина предусматривает в своей конструкции столь много места для монтажа, что делает такие приборы не универсальными. У них не имеется собственной батареи питания. Они подключаются к бортовой сети машины.

Пешеходные

GPS навигатор для пеших прогулок обладает скромными габаритами, что обусловлено необходимостью максимально уменьшить массу прибора для его удобной переноски. Данные устройства зачастую очень маленькие, и даже выполняются в виде обыкновенных наручных часов. Их используют туристы, которые отправляются в путешествие в незнакомую местность, и стремятся исключить возможность заблудиться.

Такие навигаторы встречаются в городском варианте и для более активного отдыха. В обыкновенной базовой комплектации они применяются для путешествий в обустроенной местности, а в усиленном варианте имеют влаго- и пылезащищенный корпус, что дает возможность брать их с собой на прогулку по лесам и другим необжитым зонам.

Универсальный GPS навигатор

В продаже встречаются навигаторы, которые могут использоваться для пеших прогулок и для автомобильных поездок. Они имеют средние размеры, поэтому изображения на них вполне возможно просматривать за рулем. При этом доехав по предназначению. Возможно снять прибор и применять его для ориентирования в пеших прогулках.

Специализированные

Также в продаже можно встретить GPS навигатор, конструкция которого максимально адаптирована под определенные условия применения. Имеются специальные устройства для установки на велосипед и мотоцикл. У них более мощная конструкция для гашения вибрации, а также предусматривается надежное крепление, подсоединяемое к рулю. Обычно они имеют влагозащищенный корпус, что обусловлено их эксплуатацией во влажных погодных условиях. Существуют и специализированные навигаторы для установки на мелкие морские суда или рыбацкие лодки. Зачастую у них имеется функция эхолота для определения глубины на водоеме и поиска рыбы.

Выбор карт

Чтобы GPS навигатор работал корректно, необходимо чтобы в его память были загружены детальные карты. Даже если устройство является технически совершенным, и имеет большой ресурс встроенной памяти, а также мощный передатчик, оно будет не настолько хорошим если поставить на него плохую карту.

Обычно на навигаторах можно встретить карты:
  • Навител.
  • iGo8.
  • СитиГид.
  • Автоспутник.
  • Гармин.

Сложно определить какая карта является безусловным лидером. Говоря упрощенным языком, определенный город может иметь планировку в картах нескольких разработчиков или даже у всех из них. При этом одни отображают только план, в то время как другие также могут указывать на нумерацию домов, что позволяет сделать адресный маршрут. Третьи навигационные карты еще и дают информацию об имеющихся пробках, сообщают о наличии впереди камеры для фиксации превышения скорости и т.д. В одних населенных пунктах лучше одни карты, в то время как для других они малопригодны. В связи с этим важно предварительно поинтересоваться – что лучше на интересующей местности.

Похожие темы:

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о