Підписка на новини. GPS – огляд технології

Смартфони давно перестали бути простими «дзвонилками». Своїм власникам вони відкрили масу нових можливостей.

На першому місці повноцінний швидкісний доступ в інтернет та спілкування у соціальних мережах та месенджерах. Але не менш затребуване і GPS-позиціонування, про яке ми зараз докладно розповімо.

Що таке GPS?

GPS - система навігації, яка визначає розташування смартфона, будує маршрути і дозволяє знайти потрібний об'єкт на карті.

Практично у кожний сучасний гаджет вбудований GPS-модуль. Це антена, яка налаштована на сигнал супутників системи геолокації GPS. Спочатку вона була розроблена в США для військових цілей, але пізніше її сигнал став доступним усім охочим. GPS-модуль гаджет є приймаючою антеною з підсилювачем, але передавати сигнал вона не може. Отримуючи сигнал від супутників, смартфон визначає координати свого розташування.

Практично кожен сучасний хоча б раз користувався GPS-навігацією на смартфоні чи планшеті. Потреба в ній може виникнути будь-якої миті у людей різних професій та різного роду занять. Вона необхідна водіям, кур'єрам, мисливцям, рибалкам і навіть простим пішоходам, які опинилися в незнайомому місті. Завдяки такій навігації можна визначити своє місцезнаходження, знайти потрібний об'єкт на карті, побудувати маршрут, а за наявності доступу до інтернету об'їхати пробки.

Офлайн-картки для GPS

Google розробила для своєї операційної системи Android спеціальний геолокаційний додаток – Google Maps. Воно швидко знаходить супутники, розробляє маршрути до об'єктів та пропонує альтернативи. На жаль, за відсутності зони покриття стільникової мережі Google Maps не працює, оскільки географічні карти тут підвантажуються через Інтернет.

Для навігації без використання мережі найкращим виходом буде завантажити програми з підтримкою офлайн-карток, наприклад, Maps.me, Navitel та 2GIS. Також можна встановити програму «Карти: транспорт та навігація» для Google Maps.

У цьому випадку доведеться витрачати інтернет-трафік для завантаження карт не доведеться - вони завжди будуть у вашому пристрої, незалежно від розташування. Особливо це актуально під час перебування за кордоном, тому що вартість роумінгу для доступу в інтернет дуже висока.

Як увімкнути GPS на Android?

Активація GPS-модуля в операційній системі Android можлива двома способами:

Верхня шторка. Проведіть по дисплею зверху вниз і в меню натисніть кнопку «Місце розташування», «Геолокація» або «Геодані» (залежить від версії Android).
У налаштуваннях Android знайдіть пункт аналогічні пункти пересуньте прапорець у положення "Увімкнено".

Під час активної роботи навігаційної системи смартфона заряд акумулятора починає витрачатися досить активно, тому варто подбати про додаткові джерела живлення. Наприклад, за кермом потрібно скористатися автомобільною зарядкою, а при пересуванні на велосипеді або пішки.

Також варто пам'ятати, що впевнений прийом супутникового сигналу можливий на відкритій місцевості, тому при знаходженні або тунелі геолокація стає неможливою. Похмура погода також впливає - через хмари пристрій довше шукає супутники і менш точно визначає свої координати.

Нещодавно GPS була єдиною системою геолокації, тому в ранніх версіях Android згадувалася тільки вона, а кнопка активації служби так і називалася. З 2010 року повноцінно запрацювала російська, а з 2012-го.

Як нерідко буває із високотехнологічними проектами, ініціаторами розробки та реалізації системи GPS (Global Positioning System – система глобального позиціонування) стали військові. Проект супутникової мережі для визначення координат у режимі реального часу в будь-якій точці земної кулі був названий Navstar (Navigation system with timing and ranging - навігаційна система визначення часу та дальності), тоді як абревіатура GPS з'явилася пізніше, коли система стала використовуватися не тільки в оборонних, а й у цивільних цілях.

Перші кроки з розгортання навігаційної мережі були зроблені в середині сімдесятих, комерційна експлуатація системи в сьогоднішньому вигляді почалася з 1995 року. На даний момент у роботі знаходяться 28 супутників, рівномірно розподілених по орбітах з висотою 20350 км (для повнофункціональної роботи достатньо 24 супутників).

Дещо забігаючи вперед, скажу, що справді ключовим моментом в історії GPS стало рішення президента США про скасування з 1 травня 2000 режиму так званого селективного доступу (SA - selective availability) - похибки, що штучно вноситься в супутникові сигнали для неточної роботи цивільних GPS-приймачів . З цього моменту аматорський термінал може визначати координати з точністю кілька метрів (раніше похибка становила десятки метрів)! На рис.1 представлені помилки в навігації до та після відключення режиму селективного доступу (дані).

Спробуємо розібратися в загальних рисах, як влаштована система глобального позиціонування, а потім торкнемося ряду аспектів користувача. Розгляд почнемо з принципу визначення дальності, що лежить в основі роботи космічної навігаційної системи.

Алгоритм виміру відстані від точки спостереження до супутника.

Дальнометрія заснована на обчисленні відстані за тимчасовою затримкою поширення радіосигналу від супутника до приймача. Якщо знати час поширення радіосигналу, то пройдений ним шлях легко вирахувати, просто помноживши час на швидкість світла.

Кожен супутник системи GPS безперервно генерує радіохвилі двох частот - L1=1575.42МГц та L2=1227.60МГц. Потужність передавача становить 50 і 8 Ватт відповідно. Навігаційний сигнал є фазовоманіпульованим псевдовипадковим кодом PRN (Pseudo Random Number code). PRN буває двох типів: перший, C/A-код (Coarse Acquisition code - грубий код) використовується в цивільних приймачах, другий Р-код (Precision code - точний код), використовується у військових цілях, а також іноді для вирішення завдань геодезії та картографії. Частота L1 модулюється як С/А, і Р-кодом, частота L2 існує лише передачі Р-коду. Крім описаних, існує ще й Y-код, що є зашифрованим Р-кодом (у воєнний час система шифрування може змінюватися).

Період повторення коду досить великий (наприклад, для P-коду він дорівнює 267 дням). Кожен GPS-приймач має власний генератор, що працює на тій же частоті і модулюючий сигнал за тим самим законом, що і супутниковий генератор. Таким чином, за часом затримки між однаковими ділянками коду, прийнятого з супутника і згенерованого самостійно, можна обчислити час розповсюдження сигналу, а отже відстань до супутника.

Однією з основних технічних складностей описаного вище методу є синхронізація годинника на супутнику і в приймачі. Навіть мізерна за нормами похибка може призвести до величезної помилки у визначенні відстані. Кожен супутник несе на борту високоточний атомний годинник. Зрозуміло, що встановлювати подібну штуку у кожен приймач неможливо. Тому для корекції помилок у визначенні координат через похибки вбудованих у приймач годинника використовується деяка надмірність у даних, необхідних для однозначної прив'язки до місцевості (детальніше про це трохи пізніше).

Крім самих навігаційних сигналів, супутник безперервно передає різноманітну службову інформацію. Приймач отримує, наприклад, ефемериди (точні дані про орбіту супутника), прогноз затримки поширення радіосигналу в іоносфері (так як швидкість світла змінюється при проходженні різних шарів атмосфери), а також відомості про працездатність супутника (так званих "альманах", що містить оновлювані2). хвилин відомості про стан та орбіти всіх супутників). Ці дані передаються зі швидкістю 50 біт/с частотах L1 або L2.

Загальні принципи визначення координат за допомогою GPS.

Основою ідеї визначення координат GPS-приймача є обчислення відстані від нього до декількох супутників, розташування яких вважається відомим (ці дані містяться у прийнятому з супутника альманаху). У геодезії метод обчислення положення об'єкта з вимірювання його віддаленості від точок із заданими координатами називається трилатерацією. Рис2.

Якщо відома відстань А до одного супутника, координати приймача визначити не можна (він може знаходиться в будь-якій точці сфери радіусом А, описаної навколо супутника). Нехай відома віддаленість приймача від другого супутника. У цьому випадку визначення координат також неможливо - об'єкт знаходиться десь на колі (вона показана синім кольором на рис.2), яка є перетином двох сфер. Відстань до третього супутника скорочує невизначеність в координатах до двох точок (позначені двома жирними синіми точками на рис.2). Цього вже достатньо для однозначного визначення координат - справа в тому, що з двох можливих точок розташування приймача лише одна знаходиться на поверхні Землі (або в безпосередній близько від неї), а друга, помилкова, виявляється або глибоко всередині Землі, або дуже високо над її поверхнею. Таким чином, теоретично для тривимірної навігації достатньо знати відстані від приймача до трьох супутників.

Однак у житті все не так просто. Наведені вище міркування були зроблені для випадку коли відстані від точки спостереження до супутників відомі з абсолютною точністю. Зрозуміло, хоч би як витончувалися інженери, деяка похибка завжди має місце (хоча б за вказаною в попередньому розділі неточною синхронізацією годинника приймача і супутника, залежності швидкості світла від стану атмосфери тощо). Тому визначення тривимірних координат приймача залучаються не три, а мінімум чотири супутника.

Отримавши сигнал від чотирьох (або більше) супутників, приймач шукає точку перетину відповідних сфер. Якщо такої точки немає, процесор приймача починає методом послідовних наближень коригувати свій годинник до тих пір, поки не досягне перетину всіх сфер в одній точці.

Слід зазначити, що точність визначення координат пов'язана не тільки з прецизійним розрахунком відстані від приймача до супутників, але і з величиною похибки місця розташування самих супутників. Для контролю орбіт та координат супутників існують чотири наземні станції стеження, системи зв'язку та центр управління, підконтрольні Міністерству Оборони США. Станції стеження постійно ведуть спостереження всіма супутниками системи і передають дані про їхні орбіти до центру управління, де обчислюються уточнені елементи траєкторій і поправки супутникових годин. Зазначені параметри вносяться в альманах і передаються на супутники, а ті, у свою чергу, надсилають цю інформацію всім приймачам.

Крім перелічених, існує ще маса спеціальних систем, що збільшують точність навігації, - наприклад, особливі схеми обробки сигналу знижують помилки від інтерференції (взаємодії прямого супутникового сигналу з відбитим, наприклад, будівель). Ми не заглиблюватимемося особливо функціонування цих пристроїв, щоб надмірно не ускладнювати текст.

Після скасування описаного вище режиму селективного доступу цивільні приймачі "прив'язуються до місцевості" з похибкою 3-5 метрів (висота визначається з точністю близько 10 метрів). Наведені цифри відповідають одночасному прийому сигналу з 6-8 супутників (більшість сучасних апаратів мають 12-канальний приймач, що дозволяє одночасно обробляти інформацію від 12 супутників).

Якісно зменшити помилку (до кількох сантиметрів) у вимірі координат дозволяє режим так званої диференціальної корекції (DGPS – Differential GPS). Диференціальний режим полягає у використанні двох приймачів - один нерухомо знаходиться в точці з відомими координатами і називається базовим, а другий, як і раніше, є мобільним. Дані, отримані базовим приймачем, використовуються корекції інформації, зібраної пересувним апаратом. Корекція може здійснюватися як у режимі реального часу, так і при "оффлайновій" обробці даних, наприклад, на комп'ютері.

Зазвичай як базовий використовується професійний приймач, який належить будь-якій компанії, що спеціалізується на наданні послуг навігації або геодезією, що займається. Наприклад, у лютому 1998 року неподалік Санкт-Петербурга компанія "НавГеоКом" встановила першу в Росії наземну станцію диференціального GPS. Потужність передавача станції – 100 Ватт (частота 298,5 кГц), що дозволяє користуватися DGPS при віддаленні від станції на відстані до 300 км морем і до 150 км суходолом. Крім базових наземних приймачів, для диференціальної корекції GPS-даних можна використовувати супутникову систему диференціального сервісу компанії OmniStar. Дані для коригування передаються з кількох геостаціонарних супутників компанії.

Слід зазначити, що основними замовниками диференціальної корекції є геодезичні та топографічні служби – для приватного користувача DGPS не цікавить через високу вартість (пакет послуг OmniStar на території Європи коштує понад 1500 доларів на рік) та громіздкості обладнання. Та й навряд чи у повсякденному житті виникають ситуації, коли треба знати свої абсолютні географічні координати з похибкою 10-30 см.

На закінчення частини, що оповідає про "теоретичні" аспекти функціонування GPS, скажу, що Росія і у випадку з космічною навігацією пішла своїм шляхом і розвиває власну систему ГЛОНАСС (Глобальна навігаційна супутникова система). Але через відсутність належних інвестицій нині на орбіті перебувають лише сім супутників із двадцяти чотирьох, необхідні нормального функціонування системи…

Короткі суб'єктивні нотатки користувача GPS.

Так уже вийшло, що про можливість визначати своє місцезнаходження за допомогою приладчика, що носиться розмірами з стільниковий телефон, я дізнався року в дев'яносто сьомому з якогось журналу. Однак чудові перспективи, намальовані авторами статті, були безжально розбиті заявленою в тексті ціною навігаційного апарату майже 400 доларів!

Років через півтора (у серпні 1998) доля занесла мене до маленької спортивної крамнички в американському місті Бостон. Якого ж було моє здивування та радість, коли на одній із вітрин я випадково помітив кілька різних навігаторів, найдорожчий з яких коштував 250 доларів (прості моделі пропонувалися за $99). Звичайно, піти з магазину без приладу я вже не міг, тому почав катувати продавців про характеристики, переваги та недоліки кожної моделі. Нічого зрозумілого від них я не почув (і аж ніяк не через те, що погано знаю англійську), тож довелося розумітися на всьому самому. І в результаті, як це нерідко буває, була придбана найпросунутіша і найдорожча модель - Garmin GPS II+, а також спеціальний чохол до неї та шнур для живлення від гнізда прикурювача автомобіля. У магазині було ще два аксесуари для тепер мого апарату - пристрій для кріплення навігатора на велосипедному кермі і шнур для з'єднання з РС. Останній я довго крутив у руках, але, зрештою, все ж таки вирішив не купувати через чималу ціну (трохи більше 30 доларів). Як потім виявилося, шнур я не купив абсолютно правильно, бо вся взаємодія приладу з комп'ютером зводиться до "вершки" в ЕОМ пройденого маршруту (а також, думаю, координат в режимі реального часу, але щодо цього є певні сумніви), та й то при умови купівлі софту від Garmin. Можливість завантажувати в пристрій карти, на жаль, відсутня.

Давати докладний опис свого приладу я не буду хоча б тому, що він уже знятий з виробництва (бажаючі ознайомитися з детальною технічною характеристикою можуть зробити це). Зауважу лише, що вага навігатора – 255 гр., розміри – 59х127х41 мм. Завдяки своєму трикутному перерізу апарат виключно стійко розташовується на столі або панелі приладів автомобіля (для міцнішої фіксації в комплект входить липучка Velcro). Живлення здійснюється від чотирьох пальчикових батарей АА (їх вистачає лише на 24 години безперервної роботи) або зовнішнього джерела. Спробую розповісти про основні можливості мого приладу, які, гадаю, має переважну більшість присутніх на ринку навігаторів.

З першого погляду GPS II+ можна сприйняти за мобільний телефон, випущений кілька років тому. Лише придивившись, помічаєш незвичайно товсту антену, величезний дисплей (56х38 мм!) і мала, за телефонними мірками, кількість клавіш.

При включенні приладу починається процес збору інформації з супутників, а на екрані з'являється простенька мультиплікація (земна куля, що обертається). Після початкової ініціалізації (яка у відкритому місці займає кілька хвилин) на екрані з'являється примітивна карта неба з номерами видимих супутників, а поруч - гістограма, що свідчить про рівень сигналу від кожного супутника. Крім того, вказується похибка навігації (в метрах) – чим більше супутників бачить прилад, тим, зрозуміло, точнішим буде визначення координат.

Інтерфейс GPS II+ побудований за принципом сторінок, що "перегортаються" (для цього навіть є спеціальна кнопка PAGE). Вище була описана "сторінка супутників", а крім неї, є "сторінка навігації", "картка", "сторінка повернення", "сторінка меню" та ряд інших. Слід зауважити, що описуваний апарат не русифікований, проте навіть з поганим знанням англійської можна зрозуміти його роботу.

На сторінці навігації відображаються: абсолютні географічні координати, пройдений шлях, миттєва та середня швидкості руху, висота над рівнем моря, час руху та, у верхній частині екрану, електронний компас. Треба сказати, що висота визначається з набагато більшою похибкою, ніж дві горизонтальні координати (щодо цього є навіть спеціальна ремарка в посібнику користувача), що не дозволяє використовувати GPS, наприклад, для визначення висоти парапланеристами. Зате миттєва швидкість обчислюється виключно точно (особливо для об'єктів, що швидко рухаються), що дає можливість використовувати прилад для визначення швидкості снігоходів (спідометри яких мають звичай значно брехати). Можу дати "шкідливу пораду" - взявши напрокат автомобіль, відключіть його спідометр (щоб він нарахував поменше кілометрів - адже оплата найчастіше пропорційна пробігу), а швидкість і пройдену відстань визначайте за GPS (благо він може вести вимірювання як в милях, так і в кілометрах) ).

Середня швидкість руху визначається за дещо дивним алгоритмом - час простою (коли миттєва швидкість дорівнює нулю) у обчисленнях не враховується (логічно, мій погляд, було б просто ділити пройдену відстань загальний час поїздки, але творці GPS II+ керувалися якимось іншими міркуваннями).

Пройдений шлях відображається на карті (пам'яті апарату вистачає кілометрів на 800 - при більшому пробігу автоматично стираються найстаріші мітки), так що при бажанні можна подивитися схему своїх блукань. Масштаб карти змінюється від десятків метрів до сотень кілометрів, що, безперечно, винятково зручно. Саме чудове полягає в тому, що в пам'яті приладу є координати основних населених пунктів усього світу! США, звичайно, представлено докладніше (наприклад, всі райони Бостона присутні на карті з назвами), ніж Росія (тут зазначено розташування лише таких міст як Москва, Тверь, Подільськ тощо). Уявіть, наприклад, що Ви прямуєте з Москви до Бреста. Знаходьте в пам'яті навігатора "Брест", тиснете спеціальну кнопку "GO TO", і на екрані з'являється локальний напрямок Вашого руху; глобальне спрямування на Брест; кількість кілометрів (по прямій, зрозуміло), що залишилася до точки призначення; середня швидкість та розрахунковий час прибуття. І так у будь-якій точці світу – хоч у Чехії, хоч в Австралії, хоч у Таїланді…

Не менш корисною є так звана функція повернення. Пам'ять апарата дозволяє записувати до 500 ключових точок (waypoints). Кожну точку користувач може називати на власний розсуд (наприклад, DOM, DACHA тощо), також передбачені різні піктрограми для відображення інформації на дисплеї. Включивши функцію повернення до точки (будь-який із заздалегідь записаних), власник навігатора отримує ті ж можливості, що і в описаному вище випадку з Брестом (тобто відстань до точки, розрахунковий час прибуття та решта). У мене, наприклад, був такий випадок. Приїхавши до Праги автомобілем і влаштовуючись у готелі, ми з приятелем вирушили до центру міста. Залишивши машину на стоянці, пішли поблукати. Після безцільної тригодинної прогулянки та вечері в ресторані ми зрозуміли, що не пам'ятаємо, де залишили машину. На вулиці ніч, ми - на одній з маленьких вуличок незнайомого міста… На щастя, перш ніж залишити автомобіль, я записав його розташування у навігатор. Тепер же, натиснувши пару кнопок на апараті, я дізнався, що машина коштує за 500 метрів від нас і через 15 хвилин ми вже слухали тиху музику, прямуючи на автомобілі в готель.

Крім руху до записаної мітки по прямій, що не завжди зручно в умовах міста, Garmin пропонує функцію TrackBack - повернення своїм шляхом. Грубо кажучи, крива руху апроксимується рядом прямолінійних ділянок, а в точках зламу ставляться мітки. На кожній прямолінійній ділянці навігатор веде користувача до найближчої мітки, після досягнення її здійснюється автоматичне перемикання на наступну мітку. Винятково зручна функція при їзді автомобілем незнайомою місцевістю (сигнал із супутників крізь будівлі, звичайно, не проходить, тому, щоб отримати дані про свої координати в умовах щільної забудови, доводиться шукати більш-менш відкрите місце).

Я не далі заглиблюватимуся в опис можливостей приладу - повірте, що крім описаних, в ньому є ще маса приємних і потрібних примочок. Одна зміна орієнтації дисплея чого варта – можна використовувати апарат як у горизонтальному (автомобільному), так і у вертикальному (пішохідному) положенні (див. рис.3).

Однією з основних принад GPS для користувача я вважаю відсутність будь-якої плати за користування системою. Купив один раз прилад – і насолоджуйся!

Висновок.

Я думаю, немає потреби перераховувати сфери застосування розглянутої системи глобального позиціонування. GPS-приймачі вбудовують в автомобілі, стільникові телефони і навіть наручний годинник! Нещодавно я зустрів повідомлення про розробку чіпа, що поєднує в собі мініатюрний GPS-приймач і модуль GSM - пристроями на його базі пропонується оснащувати собачі нашийники, щоб господар міг легко виявити пса, що загубився, за допомогою стільникової мережі.

Але в будь-якій бочці меду є ложка дьогтю. У разі в ролі останнього виступають російські закони. Я не буду докладно міркувати про юридичні аспекти використання GPS-навігаторів в Росії (щось про це можна знайти), зауважу лише, що теоретично високоточні навігаційні прилади (якими, без сумніву, є навіть аматорські GPS-приймачі) у нас заборонені, а їх На власників чекає конфіскація апарату та чималий штраф.

На щастя для користувачів, у Росії строгість законів компенсується необов'язковістю їх виконання - наприклад, по Москві роз'їжджає величезна кількість лімузинів із шайбою-антеною GPS-приймачів на кришці багажника. Все більш-менш серйозні морські судна обладнані GPS (і вже виросло ціле покоління яхтсменів, які насилу орієнтуються в просторі за компасом та іншими традиційними засобами навігації). Сподіваюся, влада не вставлятиме палиці в колеса технічному прогресу і найближчим часом легалізує користування GPS-приймачами в нашій країні (скасували ж дозволи на стільникові телефони), а також дадуть добро на розсекречення та тиражування докладних карт місцевості, необхідних для повноцінного використання автомобільних навігаційних. систем.

GPS - супутникова система навігації, що забезпечує вимірювання відстані, часу та визначальна розташування. Дозволяє у будь-якому місці Землі (не включаючи приполярні області), майже за будь-якої погоди, а також у космічному просторі поблизу планети визначити місце розташування та швидкість об'єктів. Система розроблена, реалізована та експлуатується Міністерством оборони США.

Коротка характеристика GPS

Супутникова навігаційна система Міністерства Оборони США - GPS називається також NAVSTAR. Система складається з 24 навігаційних штучних супутників Землі (НІСЗ), наземного командно-вимірювального комплексу та апаратури споживачів Вона є глобальною, всепогодною, навігаційною системою, що забезпечує визначення координат об'єктів із високою точністю у тривимірному навколоземному просторі. Супутники GPS розміщені на шести середньовисоких орбітах (висота 20183 км) і мають період обігу 12 годин. Площини орбіт розташовані через 60° і нахилені до екватора під кутом 55°. На кожній орбіті знаходиться 4 супутники. 18 супутників - це мінімальна кількість для забезпечення видимості в кожній точці Земля не менше 4-х НІСЗ.

Основний принцип використання системи – визначення розташування шляхом вимірювання відстаней до об'єкта від точок з відомими координатами – супутників. Відстань обчислюється за часом затримки розповсюдження сигналу від посилки його супутником до прийому антени приймача GPS. Тобто для визначення тривимірних координат GPS-приймачеві потрібно знати відстань до трьох супутників і час GPS системи. Таким чином, для визначення координат і висоти приймача використовуються сигнали щонайменше з чотирьох супутників.

Система призначена для забезпечення навігації повітряних та морських суден та визначення часу з високою точністю. Вона може застосовуватися в режимі двовимірної навігації – 2D визначення параметрів навігації об'єктів на поверхні Землі) і в тривимірному режимі — ЗD (вимірювання навігаційних параметрів об'єктів над поверхнею Землі). Для перебування тривимірного становища об'єкта потрібно виміряти навігаційні параметри щонайменше 4-х НІСЗ, а за двомірної навігації — щонайменше 3-х НІСЗ. У GPS використовується псевдодальномірний спосіб визначення позиції та псевдорадіально швидкісний метод знаходження швидкості об'єкта.

Для підвищення точностірезультати визначень згладжуються фільтром Калмана. Супутники GPS передають навігаційні сигнали на двох частотах: F1 = 1575,42 та F2 = 1227,60 МГц. Режим випромінювання - безперервний із псевдошумової модуляцією. Навігаційні сигнали є загальнодоступним С/А-код (course and acquisition), що передається тільки на частоті F1, і захищений Р-код (precision code), що випромінюється на частотах F1, F2.

У GPS для кожного НІСЗ визначено свій унікальний С/А та унікальний Р-код. Такий вид поділу сигналів супутників називається кодовим. Він дозволяє бортовій апаратурі розпізнавати, якому супутнику належить сигнал, коли всі вони здійснюють передачу на одній частоті GPS надає два рівні обслуговування споживачів точні визначення (РРS Precise positioning Service) і стандартні дані (SPS Standart Positioning Service) PPS ґрунтується на точному коді, а SPS - На загальнодоступному. Рівень обслуговування РРS надається військовим і федеральним службам США, а SPS — масовому цивільному споживачеві. Крім навігаційних сигналів, супутник регулярно передає повідомлення, які містять інформацію про стан супутника, його ефемериди, системний час, прогноз іоносферної затримки, показники працездатності. Бортова апаратура GPS складається з антени та прийомоіндикатора. ПІ включає приймач, обчислювач, блоки пам'яті, пристрої управління та індикації. У блоках пам'яті зберігаються необхідні дані, програми розв'язання задач та управління роботою прийомоіндикатора. Залежно від призначення використовується два види бортової апаратури: спеціальна та для масового споживача. Спеціальна апаратура призначена для визначення кінематичних параметрів ракет, військових літаків, кораблів та спеціальних суден. При знаходженні параметрів об'єктів у ній використовуються Р та С/А коди. Ця апаратура забезпечує практично безперервні визначення з точністю: розташування об'єкта- 5+7 м, швидкості - 0.05 +0.15 м / с, часу - 5 +15 нс

Основне застосування навігаційних супутникової системи GPS:

Геодезія: за допомогою GPS визначаються точні координати точок та межі земельних ділянок.
Картографія: GPS використовується в цивільній та військовій картографії
Навігація: із застосуванням GPS здійснюється як морська, так і дорожня навігація
Супутниковий моніторинг транспорту: за допомогою GPS ведеться моніторинг за становищем, швидкістю автомобілів, контроль за їх рухом
Стільниковий зв'язок: перші мобільні телефони з GPS з'явилися у 90-х роках. У деяких країнах, наприклад, США це використовується для оперативного визначення місцезнаходження людини, що дзвонить 911.
Тектоніка, Тектоніка плит: за допомогою GPS ведуться спостереження рухів та коливань плит
Активний відпочинок: є різні ігри, де застосовується GPS, наприклад, Геокешінг та ін.
Геотегінг: інформація, наприклад, фотографії «прив'язуються» до координат завдяки вбудованим або зовнішнім GPS-приймачам.

Визначення координат споживача

Місце визначення по відстанях до супутників

Координати розташування обчислюються на основі виміряних дальностей до супутників. Для визначення місцезнаходження необхідно провести чотири виміри. Три виміри достатньо, якщо вміти виключати неправдоподібні рішення якимись іншими доступними способами. Ще один вимір потрібен з технічних причин.

Вимірювання відстані до супутника

Відстань до супутника визначається шляхом вимірювання проміжку часу, який потрібний радіосигналу, щоб дійти від супутника до нас. Як супутник, так і приймач генерують той самий псевдовипадковий код строго одночасно в загальній шкалі часу. Визначимо, скільки часу знадобилося сигналу з супутника, щоб дійти до нас, шляхом порівняння запізнення його псевдовипадкового коду щодо коду приймача.

Забезпечення досконалої тимчасової прив'язки

Точна тимчасова прив'язка – ключ до вимірювання відстаней до супутників. Супутники точні за часом, оскільки на борту вони — атомний годинник. Годинник приймача може і бути досконалими, оскільки їх догляд можна виключити з допомогою тригонометричних обчислень. Для отримання цієї можливості необхідно виміряти відстань до четвертого супутника. Необхідність проведення чотирьох вимірювань визначає пристрій приймача.

Визначення положення супутника у космічному просторі.

Для обчислення своїх координат нам необхідно знати як відстань до супутників, так і місцезнаходження кожного в космічному просторі. Супутники GPS рухаються настільки високо, що їх орбіти дуже стабільні і можна прогнозувати з великою точністю. Станції стеження постійно вимірюють незначні зміни в орбітах, і дані про ці зміни передаються із супутників.

Іоносферні та атмосферні затримки сигналів.

Існують два методи, які можна використовувати, щоб зробити помилку мінімальною. По-перше, можна передбачити, якою буде типова зміна швидкості у звичайний день, за середніх іоносферних умов, а потім запровадити поправку у всі наші виміри. Але, на жаль, не щодня є звичайним. Інший спосіб полягає у порівнянні швидкостей поширення двох сигналів, що мають різні частоти несучих коливань. Якщо порівняти час поширення двох різночастотних компонентів сигналу GPS, зможемо з'ясувати, яке уповільнення мало місце. Цей метод коригування досить складний і використовується тільки в найбільш досконалих, так званих двочастотних приймачах GPS.

Багатопроменевість.

Ще один тип похибок - це помилки «багатопроменеві». Вони виникають, коли сигнали, що передаються з супутника, багаторазово перевідбиваються від навколишніх предметів і поверхонь до того, як потрапляють до приймача.

Геометричний фактор зменшення точності.

Хороші приймачі постачають обчислювальними процедурами, які аналізують відносні становища всіх доступних спостереження супутників і вибирають їх чотирьох кандидатів, тобто. найкраще розташовані чотири супутники.

Результуюча точність GPS.

Результатова похибка GPS визначається сумою похибок від різних джерел. Вклад кожного з них варіюється в залежності від атмосферних умов та якості обладнання. Крім того, точність може бути цілеспрямовано знижена Міністерством оборони США внаслідок встановлення на супутниках GPS так званого режиму S/A (Selective Availability - обмежений доступ). Цей режим розроблений для того, щоб не дати можливому противнику тактичної переваги у визначенні розташування за допомогою GPS. Коли і якщо цей режим встановлений, він створює найбільш істотний компонент сумарної похибки GPS.

Висновок:

Точність вимірівза допомогою GPS залежить від конструкції та класу приймача, числа та розташування супутників (в реальному часі), стану іоносфери та атмосфери Землі (сильної хмарності тощо), наявності перешкод та інших факторів. «Побутові» GPS-прилади, для «громадянських» користувачів, мають похибку вимірювання в діапазоні від ±3-5м до ±50м і більше (в середньому реальна точність, при мінімальній перешкоді, якщо нові моделі, становить ±5–15 метрів у плані). Максимально можлива точність досягає +/- 2-3 метри на горизонталі. По висоті від ±10-50м до ±100-150 метрів. Висотомір буде точніше, якщо проводити калібрування цифрового барометра по найближчій точці з відомою точною висотою, (зі звичайного атласу, наприклад) на рівному рельєфі місцевості або за відомим атмосферним тиском (якщо воно не дуже швидко змінюється, при зміні погоди). Вимірники високої точності «геодезичного класу» – точніше на два-три порядки (до сантиметра, у плані та за висотою). Реальна точність вимірювань зумовлена різними факторами, наприклад – віддаленістю від найближчої базової станції, що коригує, в зоні обслуговування системи, кратністю (числом повторних вимірювань / накопичень на точці), відповідним контролем якості робіт, рівнем підготовки та практичним досвідом спеціаліста. Таке високоточне обладнання може застосовуватися тільки спеціалізованими організаціями, спеціальними службами та військовими.

Для підвищення точності навігаціїрекомендується використовувати GPS-приймач – на відкритому просторі (немає поруч будівель або дерев) з досить рівним рельєфом місцевості, і підключати додаткову зовнішню антену. Для цілей маркетингу, таким апаратам приписують «подвійну надійність і точність» (посилаючись на дві супутникові системи, що одночасно використовуються, Глонасс і Джипіес), але реальне фактичне, поліпшення параметрів (підвищення точності визначення координат) може становити величини — лише до декількох десятків відсотків . Можливе лише помітне скорочення часу гарячого-теплого старту та тривалості вимірювань

Якість вимірів джипіес погіршується, якщо супутники розташовуються на небі щільним пучком або на одній лінії і "далеко" - у лінії горизонту (все це називається "погана геометрія") і є перешкоди сигналу (висотні будівлі, що закривають, що відображають сигнал, дерева, круті гори поблизу) ). На денній стороні Землі (освітленої в даний момент Сонцем) - після проходження через іоносферну плазму, радіосигнали послаблюються і спотворюються на порядок сильніше, ніж на нічний. Під час геомагнітної бурі, після потужних сонячних спалахів, можливі перебої та тривалі перерви в роботі супутникового навігаційного обладнання.

Фактична точність джипіескі залежить від типу GPS-приймача та особливостей збору та обробки даних. Чим більше каналів (їх має бути не менше 8) у навігаторі, тим точніше і швидше визначаються правильні параметри. При отриманні «допоміжних даних A-GPS сервера розташування» по мережі Інтернет (шляхом пакетної передачі даних, у телефонах та смартфонах) — збільшується швидкість визначення координат та розташування на карті

WAAS (Wide Area Augmentation System, на американському континенті) та EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Services, в Європі) – диференціальні підсистеми, що передають через геостаціонарні (на висоті від 36 тис.км у нижніх широтах до 40 тисяч кілометрів) ) супутники коригуючу інформацію на GPS-приймачі (вводяться поправки). Вони можуть поліпшити якість позиціонування ровера (польового, пересувного приймача), якщо поблизу розташовуються і працюють наземні базові коригуючі станції (стаціонарні приймачі опорного сигналу, що вже мають високоточну координатну прив'язку). При цьому польовий та базовий приймач повинні одночасно відстежувати однойменні супутники.

Для підвищення швидкості виміріврекомендується застосовувати багатоканальний (8-й канальний і більше), приймач із зовнішньою антеною. Повинні бути видимі як мінімум три супутники GPS. Чим їх більше, тим кращий результат. Необхідна, як і, хороша видимість небозводу (відкритий горизонт). Швидкий, "гарячий" (тривалістю в перші секунди) або "теплий старт" (півхвилини або хвилина, за часом) приймального пристрою – можливий, якщо він містить актуальний, свіжий альманах. У випадку, коли навігатор довго не використовувався, приймач змушений отримувати повний альманах і, при його включенні, буде проводитися холодний старт (якщо прилад з підтримкою AGPS тоді швидше — до декількох секунд). Для визначення лише горизонтальних координат (широта/довгота) може бути достатньо сигналів трьох супутників. Для отримання тривимірних (з висотою) координат - потрібні як мінімум чотири сп-ка. Необхідність створення власної, вітчизняної системи навігації пов'язана з тим, що GPS – американська, потенційних противників, які можуть у будь-який момент Ч, у своїх військових та геополітичних інтересах, селективно відключити, «глушити», модифікувати її в якомусь регіоні чи збільшити штучну , систематичну помилку в координатах (для іноземних споживачів цієї послуги), що й у мирний час завжди є.

На зміну паперовим картам місцевості прийшли картки електронні, навігація якими здійснюється за допомогою супутникової системи GPS. З цієї статті ви дізнаєтеся, коли з'явилася супутникова навігація, що являє собою зараз і що чекає на неї в найближчому майбутньому.

Перші передумови

Під час Другої світової війни у флотилій США та Великобританії з'явився вагомий козир – навігаційна система LORAN, яка використовує радіомаяки. Після закінчення бойових дій технологію у своє розпорядження отримали цивільні судна про-західних країн. Через десятиліття СРСР ввела в експлуатацію свою відповідь – навігаційна система «Чайка», що базується на радіомаяках, використовується до цього дня.

Але наземна навігація має істотні недоліки: нерівності земного рельєфу стають перепоною, а вплив іоносфери негативно позначається на часі передачі сигналу. Якщо між навігаційним радіомаяком та судном занадто велика відстань, похибка визначення координат може вимірюватися кілометрами, що є неприпустимим.

На зміну наземним радіомаякам прийшли супутникові навігаційні системи для військових цілей, перша з яких – американська Transit (інша назва NAVSAT) – була запущена у 1964 році. Шість низькоорбітальних супутників забезпечували точність визначення координат до двох сотень метрів.

1976 року СРСР запустила аналогічну військову навігаційну систему «Циклон», а через три роки – ще й цивільну під назвою «Цікада». Великим недоліком ранніх систем супутникової навігації було те, що скористатися ними можна було лише короткий час протягом години. Низькоорбітальні супутники, та ще й у малій кількості, були здатні забезпечити широке покриття сигналу.

GPS vs. ГЛОНАСС

У 1974 році армія США вивела на орбіту перший супутник нової на той час системи навігації NAVSTAR, яку пізніше перейменували на GPS (Global Positioning System). У середині 1980-х технологію GPS дозволили використовувати цивільним кораблям і літакам, але протягом тривалого часу їм було доступно в рази менш точне позиціонування, ніж військовим. Двадцять четвертий супутник GPS, останній, що вимагався для повного покриття поверхні Землі, запустили в 1993 році.

1982 року свою відповідь представила СРСР – ним стала технологія ГЛОНАСС (Глобальна навігаційна супутникова система). Завершальний 24-й супутник ГЛОНАСС вийшов орбіту 1995 року, але мінімальний термін експлуатації супутників (три-п'ять років) і недостатнє фінансування проекту майже десятиліття вивели систему з ладу. Відновити всесвітнє покриття ГЛОНАСС вдалося лише у 2010 році.

Щоб уникнути подібних збоїв, і GPS, і ГЛОНАСС зараз використовують 31 супутник: 24 основні та 7 резервних, як то кажуть, про всяк «пожежний» випадок. Літають сучасні навігаційні супутники на висоті близько 20 тис. км і за добу встигають двічі облетіти Землю.

Принцип роботи GPS

Позиціонування в мережі GPS проводиться шляхом вимірювання відстані від приймача до декількох супутників, місцезнаходження яких в даний час точно відомо. Відстань до супутника вимірюється множенням затримки сигналу на швидкість світла.
Зв'язок з першим супутником дає інформацію лише про сферу можливих прихильностей приймача. Перетин двох сфер дасть коло, трьох – дві точки, а чотирьох – єдино правильну точку на карті. У ролі однієї зі сфер найчастіше використовують нашу планету, що дозволяє замість чотирьох супутників позиціонуватись лише по трьох. Теоретично точність позиціонування GPS може досягати 2 метрів (на практиці ж похибка значно більша).

Кожен супутник відправляє приймачеві великий набір інформації: точний час та його виправлення, альманах, дані ефемерид та параметри іоносфери. Сигнал точного часу потрібен для вимірювання затримки між його надсиланням та прийомом.

Навігаційні супутники оснащуються високоточним цезієвим годинником, тоді як приймачі - куди менш точними кварцовими. Тому для перевірки часу здійснюється контакт із додатковим (четвертим) супутником.

Але помилятися можуть і цезієві годинники, тому їх звіряють з розміщеним на землі водневим годинником. Для кожного супутника в центрі керування системою навігації індивідуально розраховується виправлення часу, яке згодом разом з точним часом відправляється приймачеві.

Ще одним важливим компонентом системи супутникової навігації є альманах, який є таблицею параметрів орбіт супутників на місяць вперед. Альманах, як і виправлення часу, розраховуються в центрі управління.

Передають супутники та індивідуальні дані ефемерид, на основі яких обчислюються відхилення орбіти. А враховуючи, що швидкість світла ніде крім вакууму не постійна, обов'язково враховується затримка сигналу в іоносфері.

Передача даних у мережі GPS ведеться строго на двох частотах: 1575,42 МГц та 1224,60 МГц. Різні супутники транслюють сигнал на тій самій частоті, але використовують кодовий поділ каналів CDMA. Тобто сигнал супутника – лише шум, розкодувати який можна лише за наявності відповідного PRN-коду.

Вищеописаний підхід дозволяє забезпечити високу стійкість до перешкод і використовувати вузький частотний діапазон. Тим не менш, іноді GPS-приймачам все одно доводиться довго шукати супутники, що викликано низкою причин.

По-перше, приймач спочатку не знає, де знаходиться супутник, видаляється він або наближається і яке усунення частоти його сигналу. По-друге, контакт із супутником вважається вдалим лише тоді, коли від нього отримано повний набір інформації. Швидкість передачі даних у мережі GPS рідко перевищує показник 50 біт/с. А варто сигналу обірватися через радіоперешкоди, як пошук починається заново.

Майбутнє супутникової навігації

Зараз GPS і ГЛОНАСС широко застосовуються в мирних цілях і, по суті, взаємозамінні. Нові навігаційні чіпи підтримують обидва стандарти зв'язку та підключаються до тих супутників, які знаходять першими.

Американська GPS та російська ГЛОНАСС – далеко не єдині у світі системи супутникової навігації. Наприклад, Китай, Індія та Японія почали розгортати власні ССН під назвою BeiDou, IRNSS та QZSS відповідно, які діятимуть лише всередині своїх країн, а тому вимагатимуть порівняно малої кількості супутників.

Але найбільший інтерес, мабуть, викликає проект Galileo, який розробляється Європейським союзом і має бути запущений на повну потужність до 2020 року. Спочатку Galileo замислювалася як суто європейська мережа, але про своє бажання взяти участь у її створенні вже заявили країни Близького Сходу та Південної Америки. Тож незабаром на ринку глобальних ССН може з'явитися «третя сила». Якщо ця система буде сумісна з існуючими, а швидше за все так і буде, споживачі тільки виграють - швидкість пошуку супутників і точність позиціонування повинні вирости.

GPS (скорочення від англійського Global Positioning System – система глобального позиціонування) – це супутникова система навігації, що працює у всесвітній системі координат WGS 84. GPS дозволяє визначати розташування та швидкість об'єктів практично в будь-якому місці Землі. Цікаво, що система була розроблена та реалізована Міністерством оборони США, проте нині використовується і для цивільних цілей. Росією було створено свою власну супутникову систему навігації, яка називається і ми про неї вже писали. Системи працюють аналогічно, проте супутники ГЛОНАСС мають більшу стабільність.

Якийсь час тому GPS у телефонах використовувався рідко, а тому являв собою якусь дивину, якою можна було дивувати людей. Але ті часи давно минули і сьогодні потрібно добре попрацювати, щоб знайти смартфон, в якому відсутня підтримка GPS.

Для чого потрібний GPS у телефоні/смартфоні/планшеті?

GPS використовується в першу чергу для визначення розташування пристрою. Вже виходячи з цього користувач може розуміти, де знаходиться в даний момент. У цьому принципі засновані навігаційні карти, які використовуються, наприклад, автолюбителями. А разом з інтернетом карти можуть показувати не тільки місце розташування пристрою та шлях до мети, а й завантаженість доріг. Яскравий приклад - Яндекс.Карти.

Смартфони з GPS використовуються не тільки простими автомобілістами, вони дуже популярні у кур'єрів, а також у таксистів, особливо коли йдеться про великі міста.

Функція розташування використовується у деяких сервісах. Наприклад, у соціальній мережі ви можете розмістити фотографію та уточнити координати, де вона була щойно знята. Є сервіси, які дозволяють відзначати своє місцезнаходження не на простих картах, а в магазині чи кафе – таким чином користувач може надіслати своє повідомлення друзям та запросити їх.

Є навіть послуги знайомств, засновані на місцезнаходження користувача в даний момент. Так користувач вказує, де він знаходиться і на карті бачить інших користувачів. Наприклад, користувачі можуть познайомитися один з одним, якщо вони знаходяться поблизу карти.

Чи є недоліки у GPS?

Як таких недоліків у GPS не існує, проте варто пам'ятати, що розташування не завжди може бути достовірним, оскільки є межі похибки. Для більш точного позиціонування можна використовувати відразу обидві навігаційні системи - GPS і ГЛОНАСС, тим більше, що вони використовуються в багатьох пристроях.

В іншому GPS має суцільні плюси. До того ж система практично не позначається на вартості пристрою, що ви можете простежити за вартістю смартфонів: навіть найдешевші пристрої оснащуються GPS.