Как работает gps навигация. Что нужно знать при выборе автомобильного навигатора. Главные критерии выбора
Сегодня очень быстрыми темпами развиваются и совершенствуются технологии для навигации с помощью систем глобального позиционирования. Каждому человеку доступны любые из многочисленных GPS-навигаторов – от самого простого до самого сложного и точного. С помощью GPS-устройств решаются и упрощаются многие задачи в различных отраслях деятельности человека.
Этот материал написан в качестве разовой справки, и все последующие материалы по GPS-приёмникам на нашем сайте будут на него ссылаться. Впоследствии этот материал мы будем расширять и дополнять.
Глобальная система позиционирования GPS – это система, позволяющая с точностью не меньше нескольких десятков метров определить местоположение объекта, то есть его широту, долготу и высоту над уровнем моря, а также направление и скорость его движения. Кроме того, с помощью GPS можно определить время с точностью до 1 наносекунды.
GPS состоит из совокупности определённого количества искусственных спутников Земли и наземных станций слежения, объединённых в общую сеть. В качестве пользовательского оборудования служат индивидуальные GPS-приёмники, способные принимать сигналы со спутников и по полученной информации вычислять своё местоположение.
Созвездие спутников GPS
Созвездие спутников GPS
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.
1 . Как работает GPS навигатор?
GPS навигатор - это приемник и компьютер в одном корпусе. Приемник
принимает сигналы, передаваемые спутниками находящимися на орбите, а
компьютер расшифровывает сигнал и определяет местоположение приемника.
GPS разработана и запущена американскими военными взамен навигационной системы TRANSIT. Первый спутник
был запущен в 1977 году. До 1983 года система использовалась только военными. Я вообще сомневаюсь,
была ли тогда фирма Garmin. Сомневаюсь в ее причастности к запуску и разработке спутников.
2 . Что показывает GPS навигатор?
Абсолютно все модели отображают на экране текущее положение,
географические координаты точки, в которой находится прибор, траекторию
пройденного пути и отмеченные точки. Все приборы имеют несколько страниц,
отображающих разную информацию: Положение спутников на небосводе, карту с
точками и пройденными путями, страничку меню с выходом на различные
настройки и поиск, страничку навигации, где в режиме навигации (следования к
определенной точке) изображен указатель в виде стрелки и страничку путевого
компьютера, где отображаются пройденное расстояние, скорость движения и т.д.
3. Как запомнить координаты точки?
Во всех моделях для этого достаточно нажать и некоторое время удерживать
кнопку.
Так же это можно сделать через главное меню.
4. Как найти точку?
Достаточно выбрать нужную точку из списка и нажать кнопку «Идти». На
странице «навигация» появится стрелка с направлением движения.
5. Что такое пути и маршруты?
Путь (трек) - это «след», пройденный Вами путь. В память прибора записывается
по умолчанию(заводские настройки).Но можно отключить,если надо.
Маршрут - (Роут) - это путь, заранее намеченный по точкам. Прибор может
провести Вас в режиме навигации как по маршруту, так и по треку (в режиме
трек бэк). Маршрут можно построить на компьютере,потом ввести в
прибор. Можно построить и непосредственно в приборе.
6. Что такое Track back?
Это режим, в котором прибор в режиме навигации ведет Вас обратно точно по
пройденному пути. При этом стрелка на странице «навигация» показывает
повороты.
7. Для чего нужен барометрический высотомер?
Все приборы определяют не только координаты на плоскости, но и
вертикальные координаты. При этом определяется возвышение над
теоретической геометрической фигурой земли. Чтобы определять точную высоту
над уровнем моря или другой поверхностью применяется барометрический
высотомер позволяющий определять высоту с точностью до 3м. Встроенный
барометрический высотомер имеется в моделях eTrex Summit, eTrex Vista, Map76S,
map60CS, Map76CS eTrex Vista С.
Для рыбаков важна не высота, а наличие в приборе графика изменения
давления!!!
8. Для чего нужен магнитный компас?
В режиме навигации или при отображении карты прибор показывает
направление на точку только в движении, когда компьютер может рассчитать
направление движения и сориентироваться. Иногда необходимо
сориентироваться стоя на месте или по карте. Для этого имеется встроенный
электронный компас. Он имеется в моделях eTrex Summit, eTrex Vista,
GPSMap76S, map60CS, Map76CS eTrex Vista С.
9. Можно ли присоединить GPS к компьютеру?
Все модели (кроме Геко 101) имеют возможность присоединения к компьютеру
через COM-порт, а современные модели и через USB. Эта связка может
использоваться как для определения текущего местоположения так и для
ввода-вывода информации (треков, точек и маршрутов).
10. Какие программы позволяют работать с картами и GPS?
Mapsource, OziExplorer и другие программы позволяют отобразить на экране
компьютера ваши карты и наложить на них скачанные из навигатора точки,
треки и маршруты.
Рекомендую Mapsource, как родную программу для Гармина и наиболее
интуитивно понятную.
11. Какие данные можно закачать в GPS и выкачать из него?
В прибор закачиваются из различных программ треки, точки и маршруты. Карты
России загружаются в прибор при помощи специализированного программного
обеспечения.
12. Какие модели позволяют загружать карты в память прибора?
В ряду карманных навигаторов Garmin картографическими возможностями
обладают модели Etrex Legend, Etrex Legend C, GPSMAP 76, GPSMAP 76S, GPSMAP
60C, GPSMAP 60CS, GPSMAP 76CS. Размер встроенной памяти у этих приборов
от 8-ми мб до 115-ти.
Неограниченный размер картографической памяти имеют модели, в которых
данная память расположена на картриджах. Картридж с нужными картами
можно вставить в прибор в любой момент. Наиболее популярные модели,
работающие с картриджами: все приборы ряда StreetPilot, приборы Map176 и
Map276. Надо иметь в виду, что эти приборы уже не относятся к карманным
моделям, велики по размеру и не обладают достаточной водозащищённостью. Как
правило,это автомобильное применение.
13. Какие карты изначально имеются в GPS навигаторе?
Все модели, поддерживающие картографическую функцию, имеют
предустановленную карту мира. Эта карта не может быть изменена или стерта. У
неё своя,отдельная память. На данной карте имеются реки, города и основные
дороги. Детализация разная для разных областей мира.
14. Что такое CD Mapsource?
Это компакт-диск с программным обеспечением позволяющим загружать в GPS
навигатор карты Европы, вводить/выводить данные о треках и точках. Карты
Европы имеют разную детализацию. Наиболее подробные - MetroGuide.
15. Можно ли загрузить карты России в GPS навигатор?
Да, можно, если модель поддерживает картографическую функцию.
16. Чем отличаются карты Mapsource от Российских?
Карты Mapsource содержат информацию о территории Европы. Россия на картах
Mapsource не представлена. Ныне существующие карты России изготовлены
энтузиастами GPS-навигации.
17. Какие Российские карты доступны для загрузки?
В настоящий момент имеются карты с детализацией, соответствующей картам –
2-х км Европейской части РФ и 5-ти км Азиатской части РФ.
18. Можно ли загружать карты Mapsource в прибор, где уже
содержатся ранее загруженные карты?
При загрузке новых карт старые в приборе стираются. Как правило, продавцы
навигаторов возобновляют ранее загруженные карты бесплатно. Конечно, при
условии, что все карты записывались у них же.
19. Что такое автороутинг?
Автороутинг - это функция автопрокладки маршрута. Она заключается в том, что
после указания конечной точки прибор самостоятельно прокладывает маршрут
до нее от текущего местоположения. Затем при движении прибор подсказывает
сигналами о приближении поворотов, которые Вам необходимо сделать на
маршруте. Конечно, прибор не учитывает дорожную ситуацию (знаки, ограничения).
22. Нужно ли платить за пользование навигатором?
GPS навигатор является приемником сигналов, передаваемых спутниками.
Спутники являются собственностью Министерства Обороны США. Оплата за
все уже произведена и никакой абонентской платы не требуется.
23. Как выбрать нужную модель?
Прежде всего необходимо определиться, в каких условиях Вы будете
использовать навигатор. Если для Вас важна компактность и прочность,
используйте модели ряда eTrex Если Вам нужен при этом большой экран и объём
памяти - Вам подойдут модели ряда GPSМАР 60 . Если же Вы планируете
использование навигатора в автомобиле, обратите внимание на наличие гнезда
для наружной антенны либо используйте специализированные
автомобильные, типа GPSMAP 276 С.
24. Какие модели лучше подходят для автомобиля?
Для использования в автомобиле желательно использовать внешнюю антенну.
Конечно, навигатор расположенный на передней панели будет нормально
работать, но точность будет выше при использовании внешней антенны.
Поэтому при выборе модели обратите внимание на наличие гнезда для ее
подключения. Для автомобиля лучше использовать такие модели как Streetpilot,
GPSMAP 60 и GPS276.
25. Какие модели лучше подходят для катера?
Для катера лучше использовать серии GPSMAP 60, но и приборы серии GPSMAP
276 также вполне удобны. Особенно когда желателен большой экран.
26. Какие модели лучше подходят для пеших и велосипедных походов?
Для полевых условий незаменимы приборы серии eTrex. Малогабаритные,
герметичные и ударопрочные они занимают мало места и вмещают в себя все
необходимые функции.
27. Что такое ОЕМ модели?
Это GPS навигаторы, которые предназначены только для работы в связке с
компьютером. Если Вы взяли с собой в дорогу компьютер (ноутбук или КПК) с
картографическим программным обеспечением то Вы можете подключить к нему
небольшой ОЕМ GPS навигатор и пользоваться данным комплектом.
Следует учитывать,что такая связка не будет влагозащищённой,следовательно, это
в основном для использования в автомобиле или на катере с рубкой.
28. Консультации.
Если Вам необходима консультация по выбору или применению
GPS-навигатора, можно обратиться по электронной почте [email protected] , я всегда
рад помочь.
GPS - это аббревиатура, которая с английского расшифровывается, как Global Positioning System, что в переводе означает - глобальная система определения местоположения. Другими словами, это спутниковая навигационная система, которая может позволить определить точное местоположения, вплоть до нескольких метров, какого либо объекта (человека, автомобиля, корабля и т.д.) на карте. Было ли Вам хоть когда-то интересно, как работает навигатор в телефоне, например, или на подводной лодке? Ведь принцип работы один и тот же. Если да, то читайте дальше, ведь сейчас мы поговорим о том, как работает навигатор, и что представляют из себя основные принципы его работы, в чем они заключаются.
Где сегодня применяются GPS-навигаторы
На самом деле, проще перечислить отрасли, где навигаторы не используются. С большим успехом навигаторы применяются среди всех любителей пешего, водного, горного и лыжного туризма. Многие охотники уже давным-давно обзавелись навигаторами, равно, как и велосипедисты, автолюбители и конечно же рыболовы. Что уж говорить о военной отрасли? Все корабли, самолеты и другая военная техника, оснащена новейшими навигаторами. Ведь GPS навигатор не только показывает окружающую местность, но и способен "рассказать", с какой скоростью следует двигаться, чтобы достигнуть точки маршрута и другие, очень важные детали.
Как работает GPS-навигатор
Мы не будем вникать в дебри физики и механики, а дадим Вам лишь самые основные знания о принципах работы GPS-навигатора.
GPS-система была разработана аккурат в то самое время, как только человечество запустило искусственные спутники в космос. Сама система GPS по сути, работает измеряя время, за которое радиосигнал способен дойти от спутника до объекта на Земле. Затем, по времени, автоматически вычисляется и само расстояние. Для работы GPS системы нужно, как минимум, три спутника. Что касается максимума, то тут их число может доходить до десятки. Таким образом, используя информацию, полученную от трех спутников, GPS-навигатор показывает местоположение на карте, точные координаты, вплоть до метра. А при использовании ещё и четвертого искусственного спутника, навигатор покажет даже высоту над уровнем моря. Поэтому, получается так, что GPS-навигатор - это специальный прибор, который принимает сигналы от спутников, находящихся в космосе, и перерабатывает эти сигналы в информацию.
Основные виды GPS-навигаторов
- портативные навигаторы;
- компьютеры и смартфоны со специально встроенным GPS-модулем;
- автомобильные навигаторы;
- внешние GPS-приемники, разработанные для подключения к смартфонам, ноутбукам и КПК.
Интересно то, что использование навигатора абсолютно законно и не требует никаких лицензий. Таким образом, GPS-навигатор можно использовать в любом месте для определения своих географических координат.
Очень надеемся, что наша статья подарила Вам новые знания и Вы хоть примерно, но поняли, как работает GPS-навигатор.
Практически каждый современный телефон уже имеет встроенный модуль GPS -приемника, с помощью которого имеется возможность достаточно точно определить свое местоположение на планете Земля. Для работы и точного определения местоположения GPS не требуется интернет и вышки мобильных сетей. Система может работать даже посреди пустыни вдалеке от цивилизации. Мы знаем, что это возможно благодаря спутникам, - но как именно это работает?
Основой системы GPS являются навигационные спутники, движущиеся вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), на высоте 20180 км. Спутники GPS обращаются вокруг Земли за 12 часов, их вес на орбите составляет около 840 кг, размеры – 1.52 м. в ширину и 5.33 м. в длину, включая солнечные панели, вырабатывающие мощность 800 Ватт.
24 спутника обеспечивают 100 % работоспособность системы навигации GPS в любой точке земного шара. Максимальное возможное число одновременно работающих спутников в системе NAVSTAR ограничено числом 37. Практически всегда на орбите находится 32 спутника, 24 основных и 8 резервных на случай сбоев.
Поскольку известно, что каждый из спутников делает по два оборота вокруг планеты за сутки, то становиться нетрудно вычислить, что скорость их движения составляет приблизительно 14 000 км/ч. Само расположение спутников, так же как и наклон их орбит, отнюдь не случайно: они расположены так, чтобы из любой открытой точки планеты было видно хотя бы четыре спутника - именно таково минимальное количество, необходимое для определения местоположения объекта на Земле. Почему именно четыре и как это работает?
Чтобы измерить какое-то очень длинное расстояние, мы можем послать сигнал и замерить время, за которое он достигнет нужной точки либо отразится от нее и дойдет до нас снова (главное при этом точно знать скорость движения сигнала). Во втором случае время придется делить на два, поскольку сигнал прошел удвоенное расстояние. Этот способ носит название эхолокация, и спектр его применения весьма широк: начиная от изучения формы морского дна (здесь сигналом выступает ультразвук) и заканчивая радарами (сигнал - электромагнитные волны).
Проблема в том, что при использовании этого способа мы должны заранее знать, где находится приемник. В случае с системой GPS приемником сигнала являетесь именно вы, стоящий на Земле. Спутник не имеет никакого представления о вашем местоположении, он не знает, где вы, и никогда не узнает, поэтому отправляет сигнал сразу на всю поверхность планеты под ним. В этом сигнале он кодирует информацию о том, где расположен сам, а также в какое время по его собственным часам сигнал был отправлен, и на этом его работа заканчивается.
GPS -модуль у вас в руках получил координаты спутника и информацию о времени отправки сигнала. Программа в вашем телефоне умножает скорость распространения сигнала (то есть скорость света) на разницу между временем получения и временем отправки, высчитывая таким образом расстояние до каждого спутника. Если бы часы модуля были в точности синхронизированы с часами всех сателлитов, то понадобилось бы еще два спутника, чтобы определить местоположение с помощью так называемой триангуляции.
Чтобы понять принцип действия триангуляции, давайте на секунду перейдем в двухмерное пространство. Представьте себе две точки на плоскости, расположенные на известном расстоянии друг от друга, допустим 5 метров. Вы также знаете, что какая-то новая точка находится, в свою очередь, на известных расстояниях от первых двух - например 3 и 4 метра соответственно. Чтобы найти эту новую точку, вы можете провести две окружности с радиусами 3 и 4 метра и центрами в первой и второй точках соответственно. Две полученные окружности пересекутся ровно в двух точках, одна из которых и будет искомой.
Вернемся в трехмерное пространство. Теперь нам уже нужны три опорные точки, которыми являются наши спутники, и «чертить» вокруг них мы будем не окружности, а сферы. Все три сферы сразу в общем случае будут иметь две точки пересечения, но одна из них находится «над» местом расположения спутников, очень высоко в космосе - она нам явно не нужна. А вот вторая - это как раз ваше местоположение.
Для измерения местоположения в пространстве необходимо знать точное время и иметь точный инструмент для его измерения.
Реальная задача осложняется тем обстоятельством, что время на часах вашего телефона не совпадает с тем, что показывают часы спутников, и ваши часы являются на несколько порядков менее точными. Вообще говоря, время создает несколько дополнительных сложностей в решении этой проблемы. Так, например, спутники подвержены эффектам релятивистского и гравитационного искажения времени. На самом деле скорость хода часов, согласно теории относительности, зависит в том числе от силы гравитации в той точке, где эти часы расположены, а также от скорости их движения.
На высоте 20 000 километров над Землей гравитация достаточно слаба, а спутники летают, как мы уже разобрались, довольно быстро. Из-за суммы этих эффектов часы приходится корректировать в общей сложности на 38 миллисекунд за сутки. Если кажется, что это мало, напомню, что электромагнитный сигнал, движущийся со скоростью света, пройдет за это время приблизительно 11 000 км - примерно такой и может быть погрешность при определении координат.
Вторая проблема - точность самих часов. При указанных скоростях сигналов каждая миллионная доля секунды, измеренная с погрешностью, может спровоцировать большие ошибки. Из-за этого спутники старого формата позволяют определить местоположение не очень точно и могут «обмануть» на целых 10 метров. Начиная с 2010-го на замену старым запускают новые спутники, оснащенные атомными часами, и их погрешность уменьшилась до 1 метра.
Другой путь решения проблемы - специальные наземные станции коррекции. Они используются на территории некоторых стран и принцип их работы таков: принимая данные о расположении того или иного объекта, они корректируют их, и в результате пользователь гаджета получает более достоверную информацию о собственном местоположении.
Чем больше источников сигнала, тем точнее результат измерения, вот почему в мегаполисе ориентироваться по навигатору будет проще, чем в пустыне.
Однако атомные часы – устройство громоздкое и дорогостоящее, поэтому, чтобы решить проблему времени приемника, нужен еще один спутник. Он тоже передает информацию о своем местоположении и моменте отправки сигнала. И теперь наше пространство становится не трех-, а четырехмерным. Неизвестными являются широта, долгота, высота и время приемника в момент отправки сигналов. Положение в этих четырех измерениях нам и нужно определить, для чего по аналогии с двухмерным и трехмерным пространствами нам нужны именно четыре спутника.
Конечно же, в реальности хорошо, когда удается «поймать» сигнал от большего числа источников, и в крупных городах и населенных районах с этим проблемы нет: можно легко увидеть одновременно десяток сателлитов, которые обеспечат достаточно высокую для бытового использования точность.
Однако начальный поиск спутников тоже не самая простая задача. В старых аппаратах устройству могло потребоваться немало времени, вплоть до нескольких минут, чтобы уловить и разобрать сигнал от нужного числа космических объектов. Тогда это называлось «холодный старт», и для того, чтобы ускорить процесс, придумали получать данные о текущем местоположении небесных тел из интернета. Но при перемещении приемника на большое расстояние (десятки километров) или при очень долгом бездействии «холодный старт» приходилось производить заново. В современных устройствах модуль периодически включается сам, обновляя информацию, поэтому подобной проблемы больше нет.
Кстати говоря, до 2000 года точность для гражданских лиц была искусственно занижена, и узнать свое местоположение позволялось не ближе, чем в 100 метрах от реального. Поскольку GPS создавалась, финансируется и поддерживается министерством обороны США , военные хотели иметь определенное преимущество. С развитием и все более активным внедрением технологии в жизнь гражданского населения это искусственное ограничение было убрано.
Спутник не получает данных ни о каких GPS -устройствах на поверхности Земли и в воздушном пространстве, поэтому услуга бесплатная. Мы просто не сможем узнать, кто конкретно ей пользуется. Выходит, рецепт решения общечеловеческой проблемы под кодовым названием «А где я нахожусь?» чрезвычайно прост: односторонняя связь и нехитрые математические расчеты.
Сегодня область применения системы глобального позиционирования GPS достаточно обширна. Всё чаще GPS -приемники встраивают в мобильные телефоны и коммуникаторы, в автомобили, часы и даже в собачьи ошейники. Люди привыкают к такому благу как GPS навигация, и пройдет совсем немного времени как они уже не смогут обойтись без нее. Именно поэтому стоит сказать пару слов о недостатках GPS .
Недостатками GPS навигации является то, что при определенных условиях сигнал может не доходить до GPS -приемника, поэтому практически невозможно определить свое точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле.
Рабочая частота GPS находится в дециметровом диапазоне радиоволн, поэтому уровень приема сигнала от спутников может ухудшиться под плотной листвой деревьев, в районах с плотной городской застройкой или из-за большой облачности, а это скажется на точности позиционирования.
Магнитные бури и наземные радиоисточники тоже способны помешать нормальному приему сигналов GPS .
Карты, предназначенные для GPS навигации, быстро устаревают и могут быть не точными, поэтому нужно верить не только данным GPS -приемника, но и своим собственным глазам.
Особенно стоит отметить, что работа глобальной системы навигации GPS полностью зависима от министерства обороны США и нельзя быть уверенным, что в любой момент времени США не включит помеху (SA – selective availability) или вообще полностью отключит гражданский сектор GPS как в отдельно взятом регионе, так и вообще. Прецеденты уже были.
У системы GPS есть менее популярная и известная альтернатива в виде навигационных систем ГЛОНАСС (Россия) и Galileo (ЕС), и каждая из этих систем стремится получить широкое распространение.
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
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
Более 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?
Благодаря 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
Исходя 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
Так 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
Следует 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
С 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.
