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.

Каждому, скорее всего, приходилось попадать в незнакомую местность, где нужно было сориентироваться, не теряя времени. Прекрасным помощником при решении данной проблемы станет спутниковый GPS-навигатор. Услуги глобальной навигационной системы GPS бесплатны.

Системы, работающие через спутники, имеют похожие базовые функции: нахождение оптимального маршрута из одной точки в другую, а также прокладка нового маршрута при отклонении от первоначального. Детали же могут отличаться. К примеру, некоторые приборы имеют голосовую подсказку, отобразят карту в 2D и 3D режимах, подскажут информацию о дорожных знаках. Многие из них имеют мультимедийные функции. Эффективность прибора будет зависеть от качества электронной карты в его памяти.

Из многообразия спутниковых GPS-навигаторов по назначению и конструктивному исполнению следует выделить три класса. К первому принадлежат встраиваемые модули или компактные устройства, работающие через спутник, для работы вместе с другой электроникой – компьютером либо мобильным телефоном. У них нет дисплея. Приборы второго класса навигационную информацию отобразят на экране дисплея, сохранят ее и проложат оптимальный маршрут. Третий класс – это GPS-аппаратура, способная обрабатывать картографическую информацию, загружаемую или встроенную.

Чтобы не ошибиться в выборе спутникового навигатора, следует определиться, для каких целей он будет использоваться. Для пешеходного применения подойдут удобные приборчики с управлением одной рукой, где кнопки находятся на боковых поверхностях корпуса. Для автомобиля лучшим вариантом будет система с крупным дисплеем. Яхта может быть оснащена прибором с функцией сигнализации, которая срабатывает при отклонении от курса или от точки стоянки.

Для экстремальных условий подойдут спутниковые навигаторы, имеющие защиту от влаги, пыли, ударов, воздействия низких и высоких температур. Ценовой диапазон очень широкий и зависит от функциональных возможностей системы.

Кроме достоинств, GPS-система имеет и некоторые недостатки. Поскольку приемник навигатора является пассивным устройством, сигнал спутника бывает настолько слабым, что иногда бывает трудно определить свое положение. Это может произойти в ущелье, густом лесу или тоннеле. В этом случае поможет выносная антенна, которая подключится только к тем приборам, где имеется специальное гнездо. При необходимости можно найти и GPS навигатор со встроенным электронным магнитным компасом и автономным барометрическим высотомером. Это позволит ориентироваться на местности классическим способом.

Сегодня все чаще встречается термин GPS. В современном мире можно ориентироваться на местности не только с помощью компаса или звезд, но и благодаря спутникам. Сам термин GPS - спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, обозначает глобальную систему позиционирования (англ. Global Positioning System - система глобального позиционирования). В нее входят 24 спутника, которые по своим орбитам движутся вокруг нашей планеты.

Эти аппараты питаются от солнечных батарей и имеют срок службы около 10 лет. Они формируют целую сеть, которая предоставляется в бесплатное пользование для гражданских лиц. Сегодня создано немало устройств, осуществляющих навигацию с помощью спутника. Кроме того, есть возможность следить за транспортным средством с помощью GPS, знать его точные координаты в текущий момент времени.

Вот только покупатель встает перед трудным выбором: брать дорогое устройство или китайское, какой навигатор может считать хорошим? Некоторые вообще находятся в плену утверждений, считая это изобретение бесполезным, полагаясь на «более точные» традиционные атласы. Настало время разобраться в многочисленных мифах о спутниковой навигации и устройствах, помогающих ее осуществлять.

Приемнику для работы достаточно связаться с двумя спутниками. Действительно, устройству для получения координат необходимо увидеть минимум два спутника. Этот метод определения положения именуется «двухмерной фиксацией». С его помощью можно узнать свою широту и долготу. А вот связь с четырьмя спутниками и более позволит детализировать информацию. Устройство начинает показывать еще и скорость перемещения объекта, его высоту над уровнем моря.

GPS-навигаторы на самом деле бесполезны, их легко заменяют обычные карты. В этом высказывании есть своя логика. Действительно, в свое время люди вполне себе жили без компьютеров, автомобилей, самолетов и спутников. Просто GPS-навигация стала очередной степенью эволюции техники. Обходиться без такого устройства вполне можно, просто придется потратить немало времени для определения нужной страны, города, улицы и дома. Потом еще к этой точке надо проложить рациональный маршрут, что займет немалое время. А вот GPS-навигатору понадобится для этого всего несколько минут. При этом устройство сможет учесть и такие нюансы, как объезд платных дорог, выбор скоростных магистралей и т. д. Никаких особенных навыков для этого не потребуется. А вот для работы с обычными картами человеку понадобится не одна книга. Нужна будет дорожная карта страны, области или города. Прокладывание маршрута вручную может затянуться на часы, ведь нужна будет еще и финальная корректировка. Стоит понимать, что попасть в чужой город можно и проездом, так что карт под рукой может банально не оказаться. А сколько бензина и нервов будет стоить возвращение на правильный маршрут? А ведь полный набор карт мира от знаменитого производителя IGO займет около 8 гигабайт, которые легко поместятся на носитель площадью менее квадратного сантиметра. Бумажный же вариант такого объема карт в машину даже и не влезет. Так что сравнивать навигатор с обычной картой можно, равно как и компьютер с печатной машинкой.

В навигаторе главное - «правильные» карты. Часто акцентируется внимание на том, что в навигаторе важны именно карты и их производитель. А вот чип, процессор и оперативная память отходят на второй план. На самом деле ситуация верна чуть ли не с точностью до наоборот. Выбирая компьютер, глупо ориентироваться только лишь на установленную операционную систему и программы. Поставить сюда можно любой «софт», а вот замена комплектующих со временем может стать проблемой. Похожая ситуация и с навигатором. Но если компьютерные детали приобрести несложно, то с устройствами спутниковой навигации не все так просто. Тут обычно кроме самого чипа связи, аккумулятора, дисплея и памяти больше ничего и нет. Именно на них и следует обращать самое пристальное внимание при выборе навигатора. После покупки их уже улучшить вряд ли удастся, в отличие от записанной на носитель карты. К тому же современные устройства зачастую работают на основе операционных систем Windows или Android. Это позволяет устанавливать не просто разные карты, но и целые навигационные системы со своими пакетами. А поверив в данный миф и сэкономив, окажется, что навигатор, пусть даже и с хорошей картой, будет просто медленно работать и обладать плохим экраном.

Почти все навигаторы изготавливаются в Китае, так что нет принципиальной разницы, какое устройство покупать. На самом деле это утверждение является ошибочным. Порой действительно не стоит верить наклейкам, гарантирующим корейское, европейское или американское производство. Чаще всего эта продукция все же китайская. И несмотря на это между отдельными моделями существует широкая пропасть в качестве, впрочем, как и вообще для другой электроники. В Китае есть много заводов, которые по разному и оснащены. Самые современные обладают конвейером, отлаженными технологическими процессами, а есть и такие, где пайка осуществляется «на коленке», а комплектование - по принципу «лишь бы работало». Так что стоит выбирать проверенные модели с хорошими отзывами, пусть даже за это и придется доплатить.

Навигатор лучше приобретать напрямую из китайских интернет-магазинов. Первый минус такого подхода сразу же очевиден - отсутствие гарантии. Придется иметь дело с непонятным программным продуктом, и не факт, что на русском языке. Да и в случае поломки придется потратить время на поиски специалиста, который согласится иметь дело с диковинным гаджетом. В итоге все эти риски перевешивают незначительную экономию. Да и качество таких устройств обычно таково, что поломки могут следовать одна за другой, что сделает устройство бесполезным для длительной эксплуатации.

Самые лучшие навигаторы выпускаются под маркой «Pioneer». Часто говорят, что эти навигаторы подходят лучше всего к нашим реалиям, ведь на них можно установить нелицензионные навигационные пакеты. На самом деле настоящих навигаторов «Pioneer» есть около десятка, они снабжены индексом AVIC. И увидеть действительно фирменные аппараты можно на сайте производителя. А вот что присутствует на нашем рынке под видом продукции этой почтенной марки, объяснить порой не могут сами продавцы. Считается, что на наших просторах в продаже есть около сотни разных «пионеров». Рынок захлестнула волна подделок и желающих присоединиться к ней, заработав на этом. Так о каком качестве марки можно говорить в этих условиях? Чаще всего неизвестно, где точно изготавливают такие навигаторы, какие комплектующие при этом используются, есть ли контроль качества. Под одним и тем же названием встречаются разные модели, изготовленные на разных заводах и с использованием разной элементной базы. Поэтому если и искать фирменное качество «Pioneer», то следует обратить внимание именно на серию AVIC. А подделывать этот бренд стали из-за известности, звучности торговой марки. Да и на Украине, к примеру, официально этот продукт не поставляется.

Навигаторы нуждаются в функциях голосового оповещения. Этот миф способен напугать тех, кто не разбирается в этих устройствах. На самом деле эта функция вовсе не самого устройства, а программы, в нем установленной. Для того чтобы навигатор голосом сообщил о повороте или направлении движения, надо чтобы у него просто был динамик. Функция оповещения нужна для уведомления водителя об особенностях маршрута. Справедливости ради стоит заметить, что она есть практически у всех современных программ навигации.

Навигаторы связываются с американскими спутниками. На самом деле стоит понимать, что устройство является обычным приемником. Он может только принимать сигналы, об излучении тут и речи не идет.

Если пользоваться GPS, то американцы смогут отследить местоположение. Излучение от навигатора так же мало, как и от фонарика или фотоаппарата. Соответственно, отследить его практически невозможно.

Навигаторы врут, в них нет всех тропинок. Любой навигатор может выдавать обычно только лишь текущие координаты местоположения - широту, долготу и высоту. Остальное же ложится на плечи самого программного обеспечения, загруженного в этот прибор. И если на электронной карте нет того самого мелкого ручья, тропинки или даже дороги, то это вопрос не к самому устройству, а к его программе. И не стоит думать, что оно каким-то образом сможет загрузить карту со спутника, как думают некоторые.

Сенсорные экраны в навигаторах неудобные. Надо понимать, что удобство является субъективным фактором. Многие пользователи считают, что с появлением сенсорных, да еще и емкостных экранов в таких устройствах они стали куда лучше управляться. Возросла скорость работы в меню - достаточно кликнуть пальцем по нужному пункту, а не выбирать его с помощью клавиш. Правда, с надежностью не все так просто. Сломанный сенсор автоматически делает устройство «мертвым». Кнопочное устройство ломается все же реже.

ГЛОНАСС лучше, чем GPS. Если говорить объективно, то в российской группировке ГЛОНАСС число спутников вдвое меньше, чем у американского аналога. К тому же при Клинтоне исчезли искусственно вносимые помехи в гражданский диапазон GPS, что сделало определение координат более точным. Правда, современные аппараты умеют работать одновременно с обеими системами, что пойдет точности только на пользу.

Лучше выбирать специализированный навигатор. Не секрет, что сегодня практически все смартфоны, да и многие планшеты снабжены чипом GPS. Но насколько оправдана их работа в качестве навигатора или все же лучше довериться узкоспециализированным устройствам, специально для этого и предназначенных? Когда смартфоны были с экраном диагональю в 2,8-3,5 дюйма, то они явно проигрывали в удобстве пользования 5-7 дюймовым навигаторам. Однако сегодня рынок мобильных устройств изменился. Размеры смартфонов выросли, есть модели и с 5, и даже с 6-дюймовым экраном. Да и планшеты обладают дисплеями, начиная от 7 и заканчивая 12 дюймами. Былой выигрыш в размерах экрана исчез. Правда, стоит понимать, что работа GPS в телефоне или планшете обычно более энергоемкая. Там, где обычный навигатор проживет день, смартфон сможет помочь только пару часов. Но если использовать устройство в автомобиле, а не при пешей прогулке, поможет специальная зарядка. Сегодня делается упор на универсальность гаджетов. Смартфоны умеют не только звонить, но и подменяют собой навигаторы, ридеры, планшеты и фотоаппараты. Так что узкоспециализированные навигаторы практически утратили свои козыри.

Создания спутниковой навигации родилась ещё в 50-е годы. В тот момент, когда СССР был запущен первый искусственный спутник Земли, американские учёные во главе с Ричардом Кершнером, наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть открытия заключалась в том, что если Вы точно знаете свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение спутника, инаоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственные координаты.

Реализована эта идея была через 20 лет. Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г. США, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., таким образом Глобальная система позиционирования или сокращённо GPS встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле. Также с помощью системы вмонтированной в спутники стало реально определять мощные ядерные заряды, находящиеся на поверхности планеты.

Первоначально GPS – глобальная система позиционирования, разрабатывалась как чисто военный проект. Но после того, как в 1983 г. был сбит вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза самолёт Корейских Авиалиний с 269 пассажирами на борту, президент США Рональд Рейган разрешил частичное использование системы навигации для гражданских целей. Ноточность была уменьшена специальным алгоритмом.

Затем появилась информация о том, что некоторые компании расшифровали алгоритм уменьшения точности и с успехом компенсируют эту составляющую ошибки, и в 2000 г. это загрубление точности было отменено указом президента США.

1. Спутниковая система навигации

Спутниковая система навигации – комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты), а также параметров движения (скороти и направлення движения и т.д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

1.1 Что такое GPS?

Спутниковая навигационная система GPS была изначально разработана США для использования в военных целях. Другое известное название системы – «NAVSTAR». Ставшее уже нарицательным название «GPS» является сокращением от Global Positioning System, которое переводится, как Глобальная Навигационная Система. Это название полностью характеризуется предназначение системы – обеспечение навигации на всей территории Земного шара. Не только на суше, но и на море и в воздухе. Используя навигационные сигналы системы GPS, любой пользователь может определить свое текущее местоположение с высокой точностью.

Такая точность, во многом, стала возможной благодаря шагам Американского правительства, которое в 2000 году сделало систему GPS доступной и открытой для гражданских пользователей. Напомним, что ранее с помощью специального режима избирательного доступа (SA – Selective Availability) в передаваемый сигнал вносились искажения, снижающие точность позиционирования до 70–100 метров. С 1 мая 2000 года, этот режим был отключен и точность повысилась до 3–10 метров.

Фактически, это событие дало мощный импульс для развития бытовой навигационной GPS аппаратуры, снижению ее стоимости, и активной ее популяризации среди обычных пользователей. На текущий момент, GPS приемники разных типов активно применяются во всех областях человеческой деятельности, начиная от обычной навигации, заканчивая персональным контролем и увлекательными играми, типа «Geocaching ». По результатам многих исследований, использование навигационных GPS систем дает большой экономический эффект для мировой экономики и экологии – повышается безопасность движения, улучшается дорожная ситуация, уменьшается расход топлива, снижается количество вредных выбросов в атмосферу.

Растущая зависимость европейской экономики от системы GPS, и, как следствие, от администрации США, вынудила Европу начать разработку собственной навигационной системы – Galilleo. Новая система во многом похожа на систему GPS.

2. Состав системы GPS

2.1 Космический сегмент

Космический сегмент системы GPS состоит из орбитальной группировки спутников, излучающих навигационные сигналы. Спутники расположены на 6-и орбитах на высоте около 20000 км. Период обращения спутников составляет 12 часов и скорость около 3 км/c. Таким образом, за сутки, каждый спутник совершает два полных оборота вокруг Земли.

Первый спутник был запущен в феврале 1978 года. Его размер с раскрытыми солнечными батареями равнялся 5 метрам, а вес – более 900 кг. Это был спутник первой модификации GPS-I. За последние 30 лет, на орбите сменилось несколько модификаций GPS спутников: GPS II-A, GPS II-R, GPS IIR-M. В процессе модернизации снижался вес спутников, улучшалось стабильность бортовых часов, повышалась надежность.

GPS спутники передают три навигационных сигнала на двух частотах L1 и L2. «Гражданский» сигнал C/A, передаваемый на частоте L1 (1575.42 МГц), доступен всем пользователям, и обеспечивает точность позиционирования 3–10 метров. Высокоточный «военный» P-код, передается на частотах L1 и L2 (1227.60 МГц) и его точность на порядок выше «гражданского» сигнала. Использование сигнала, передаваемого на двух разных частотах, позволяет также частично компенсировать ионосферные задержки.

В последней модификации спутников «GPS IIR-М» реализован новый «гражданский» сигнал L2C, призванный повысить точность GPS измерений.

Идентификация навигационных сигналов осуществляется по номеру, соответствующему «псевдошумовому коду», уникального для каждого спутника. В технической спецификации GPS системы изначально было заложено 32 кода. На этапе разработки системы и начальном периоде ее эксплуатации, планировалось, что количество рабочих спутников не будет превышать 24-х. Свободные коды выделялись для новых GPS спутников, находящихся на этапе ввода в эксплуатацию. И этого количества было достаточно для нормального функционирования системы. Но в настоящее время, на орбите находится уже 32 спутника, из которых 31 функционирует в рабочем режиме, передавая навигационный сигнал на Землю.

«Избыточность» спутников позволяет обеспечить пользователю вычисление позиции в условиях, где «видимость» неба ограничена высотными зданиями, деревьями или горами.

2.2 Наземный сегмент

Наземный сегмент системы GPS состоит из 5-и контрольных станций и главной станции управления, расположенных на военных базах США – на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесенья, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане и в Колорадо-Спрингс, они преведены на рисунке 1 .В задачи станций мониторинга входит прием и измерение навигационных сигналов поступающих с GPS спутников, вычисление различного рода ошибок и передача этих данных на станцию управления. Совместная обработка полученных данных позволяет вычислить отклонение траекторий спутников от заданных орбит, временные сдвиги бортовых часов и ошибки в навигационных сообщениях. Мониторинг состояния GPS спутников происходит практически непрерывно. «Загрузка» навигационных данных, состоящих из прогнозируемых орбит и поправок часов для каждого из спутников, осуществляется каждые 24 часа, в момент, когда он находится в зоне доступа станции управления.

В дополнение к наземным GPS станциям существует несколько частных и государственных сетей слежения, которые выполняют измерения навигационных GPS сигналов для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников.

Рисунок 1

2.3 Аппаратура пользователей

Под аппаратурой пользователя подразумевают навигационные приемники, которые используют сигнал со спутников GPS для вычисления текущей позиции, скорости и времени. Пользовательскую аппаратуру можно разделить на «бытовую» и «профессиональную». Во многом этом разделение условное, так как иногда достаточно трудно определить, к какой категории следует отнести GPS приемник и какие критерии при этом использовать. Есть целых класс GPS навигаторов, использующихся в пеших походах, автомобильных путешествиях, на рыбалке и т.п. Есть авиационные и морские навигационные системы, которые зачастую входят в состав сложных навигационных комплексов. В последнее время широкое распространение получили GPS чипы, которые интегрируются в КПК, телефоны и другие мобильные устройства.

Поэтому в навигации бо льшее распространение получило деление GPS приемников на «кодовые» и «фазовые». В первом случае, для вычисления позиции используется информация, передаваемая в навигационных сообщениях. К этой категории относится большинство недорогих GPS навигаторов, стоимостью 100–2000 долларов.

Вторая категория навигационных GPS приемников использует не только данные, содержащиеся в навигационных сообщениях, но и фазу несущего сигнала. В большинстве случаев это дорогостоящие одно- и двухчастотные (L1 и L2) геодезические приемники, способные вычислять позицию с относительной точностью в несколько сантиметров и даже миллиметров. Такая точность достигается в RTK режиме, при совместной обработке измерений GPS приемника и данных базовой станции. Стоимость таких устройств может составлять десятки тысяч долларов.

3. Работа GPS-навигатор а

Основной принцип, лежащий в основе всей системы GPS, прост и давно используется для навигации и ориентирования: если вы точно знаете местоположение какого-либо реперного ориентира и расстояние до него, то можно начертить окружность (в 3-х мерном случае – сферу), на которой должна быть расположена точка вашего положения. На практике, если вышеуказанное расстояние, т.е. радиус, достаточно велик, то можно заменить дугу окружности отрезком прямой линии. Если провести несколько таких линий, соответствующих разным реперным ориентирам, то точка их пересечения укажет ваше местоположение. В GPS роль таких реперов играют две дюжины спутников, движущихся каждый по своей орбите на высоте ~ 17 000 км над поверхностью Земли. Скорость их движения весьма велика, однако параметры орбиты и их текущее местонахождение с высокой точностью известны бортовым компьютерам.Важной частью любого GPS-навигатора является обычный приемник, работающий на фиксированной частоте и постоянно «прослушивающий» сигналы, передаваемые этими спутниками. Каждый из спутников постоянно излучает радиосигнал, в котором содержатся данные о параметрах его орбиты, состоянии бортового оборудования и о точном времени. Изо всей этой информации данные о точном бортовом времени являются наиболее важными: GPS-приемник с помощью встроенного процессора вычисляет промежуток времени между посылкой и получением сигнала, затем умножает его на скорость распространения радиоволн и т.о. узнает расстояние между спутником и приемником.

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.