Поиск по сайту

GPS

GPS - Глобальная система навигации и позиционирования. Сеть спутников, которые постоянно передают закодированную информацию, с помощью которой можно точно определить месторасположение на земле путем измерения расстояния до спутников.

GPS навигатор и GPS навигация
GPS - Глобальная система навигации
и позиционирования

Как указано в приведенном выше определении GPS означает Глобальная Система Позиционирования (Global Positioning System), и относится к группе спутников Министерства Обороны США, постоянно вращающихся вокруг Земли. Спутники передают радио сигналы малой мощности, позволяя каждому, у кого есть GPS навигатор, определять свое месторасположение на Земле. Создание этой выдающейся системы было не дешевым и стоило США миллиардов долларов. Текущее техническое обслуживание, включая запуск новых спутников на замену старым, увеличивает стоимость системы. Удивительно, GPS фактически предшествовал появлению персональных компьютеров. Разработчики возможно и предвидеть не могли тот день, когда мы сможем носить маленькие GPS навигаторы весом меньше фунта, которые будут не только сообщать нам, где мы находимся в системе координат (долгота/широта), но смогут даже показывать наше месторасположение на электронной карте с городами, улицами и т.п.

Изначально разработчики думали о военном применении. GPS приемники служили бы целям навигации, дислокации войск и координации артиллерийского огня (среди прочих применений). К счастью, административное решение в 1980г. сделало GPS навигатор доступным также для гражданского применения. Сейчас каждый может оценить преимущества GPS ! Возможности почти не ограничены. Иногда люди спрашивают, можно ли бесплатно использовать эту систему – ДА! (Ну, вообще-то вашей платой стали уплаченные налоги). Так что просто распакуйте свой GPS навигатор, вставьте батарейки и окунитесь в интереснейший мир GPS навигации.

Кто использует GPS ?

У GPS навигатора есть множество применений на суше, в воде и в воздухе. В основном GPS навигатор позволяет вам записывать или задавать точки месторасположения на земле и помогает продвигаться от и к этим точкам. GPS навигатор может использоваться везде, кроме мест, где нет приема сигнала, т.е. внутри помещений, в пещерах, парковках и прочих местах, находящихся под землей, а также под водой.

В воздухе и на воде GPS применяется в основном для навигации, на земле же применение более разнообразно. В различных целях GPS навигаторы используется учеными. Все большую часть своей работы геодезисты проделывают с использованием GPS навигатора, что значительно сокращает затраты на проведение разведывательных работ, а также обеспечивает потрясающую точность. В основном разведывательное оборудование обеспечивает точность до одного метра. Более дорогие системы могут обеспечить точность в пределах сантиметра! В сфере отдыха применение GPS навигатора настолько разнообразно, насколько многочисленны виды отдыха. GPS навигатор становится все популярнее среди туристов, охотников, скалолазов, лыжников и т.д. Если вы увлекаетесь видом спорта или какой-либо деятельностью, где вам необходимо отслеживать свое местоположение, прокладывать маршрут к определенному месту или знать. в каком направлении и как быстро вы движетесь, вы по достоинству оцените все преимущества GPS навигации.

GPS навигация быстро становится привычным делом и в автомобилях. Некоторые встроенные системы обеспечивают поддержку в экстренных ситуациях на дороге – нажатием кнопки передается текущее месторасположение автомобиля в диспетчерский центр. Более совершенные системы могут отображать на дисплее месторасположение машины по электронной карте, позволяя водителям контролировать маршрут движения и искать нужные адреса, рестораны, отели и прочие объекты. Некоторые GPS навигаторы даже могут автоматически создавать маршрут и поочередно выдавать направления движения до указанного пункта назначения.

Чтобы знать, как работает GPS навигация, не надо быть ученым. Все что вам нужно, это немного базовых знаний плюс желание изучить и понять мир GPS навигации. Не позволяйте понятиям вроде "псевдослучайный", "анти-спуфинг" и "псевдокод" запугать вас. Давайте знакомиться и осваивать наилучший инструмент навигации со времен изобретения компаса - GPS навигатор !

3 сегмента GPS

Система NAVSTAR (официальное название GPS в Министерстве обороны США) состоит из космического сегмента (спутники), контрольного сегмента (наземные станции) и пользовательского сегмента (вы и ваш GPS навигатор).

Теперь давайте возьмем три части системы и обсудим их более детально. Так мы сможем ближе рассмотреть, как работает GPS навигация.

Космический сегмент

Космический сегмент, который состоит минимум из 24 спутников (21 активный и 3 запасных) является сердцем системы. Спутники находятся на так называемой "верхней орбите" на высоте около 12 тыс. миль над поверхностью Земли. Функционирование на такой большой высоте позволяет сигналам покрывать большую территорию. Спутники расположены на орбитах так, что GPS навигатор на земле всегда может получать сигналы по меньшей мере от четырех из них в любое заданное время.

Спутники вращаются со скоростью 7 000 миль в час, что позволяет им обходить вокруг земли каждые 12 часов. Они питаются солнечной энергией и рассчитаны приблизительно на 10 лет работы. На случай пропадания солнечной энергии (затмения и прочее) у спутников есть резервные батареи. Также спутники оснащены малыми ракетоносителями, которые корректируют траекторию вращения.

Первые GPS спутники были запущены в космос в 1978г. Полное созвездие из 24 спутников было получено в 1994г., завершив создание системы. Деньги на покупку новых спутников и их запуск для поддержания в последующие годы работоспособности системы входят в бюджет Министерства обороны США.

Каждый спутник передает радио сигналы малой мощности на нескольких частотах (выделенные L1, L2 и др.). Гражданские GPS навигаторы "слушают" частоту L1 1575,42 МГц в сверхвысокой полосе частот. Сигналы проходят "линию видимости", что значит, что они пройдут через облака, стекло и пластик, но не пройдут сквозь большинство твердых объектов, таких как здания и горы.

Чтобы вы смогли получить представление о положении сигнала L1 в радиоспектре, вспомните ваши любимые FM радиостанции, они работают на частотах где-то между 88 и 108 МГц (и звучат намного лучше!). Спутниковые сигналы очень малой мощности, порядка 20-50 Вт. Для сравнения, FM радиостанция около 100 000 Вт. Представьте теперь, как сложно пытаться услышать 50 Вт радиостанцию, передающую на высоте 12 000 миль! Вот почему так важно иметь чистый обзор неба при использовании GPS навигатора.

L1 содержит два "псевдослучайных" (комплексный шаблон цифрового кода) сигнала, Защищенный (Р) код и код гражданского доступа (С/А). Каждый спутник передает уникальный код, позволяющий GPS приемнику идентифицировать сигналы. "Анти-спуфинг" относится к шифрованию Р-кода для предотвращения несанкционированного доступа. Р-код также называют "Р(Y)" или "Y" код.

Основной целью этих закодированных сигналов является возможность вычисления времени прохождения (или времени прибытия сигнала) от спутника до GPS навигатора на земле. Время прохождения, умноженное на скорость света, равно дальности спутника (расстояние от спутника до GPS навигатора). Навигационное сообщение (информация, которую спутники передают GPS навигатору) содержит данные об орбите спутника, системном времени, общем состоянии системы, а также модель задержки сигналов в ионосфере. Спутниковые сигналы рассчитываются с использованием сверхточных атомных часов.

Контрольный сегмент

Контрольный сегмент выполняет то, о чем говорит само его название – "контролирует" GPS спутники, отслеживая их и обеспечивая правильной информацией об орбите и времени. На земле расположено пять контрольных станций – четыре станции слежения и одна станция основного контроля. Четыре станции постоянно получают данные со спутников и затем передают информацию на станцию основного контроля, которая "корректирует" данные спутников и вместе с двумя другими антенными полигонами передает (по восходящему потоку) информацию к GPS спутникам.

Пользовательский сегмент

Пользовательский сегмент включает вас и ваш GPS навигатор. Как уже упоминалось, пользовательский сегмент состоит из туристов, пилотов, охотников, военных и других, кто хочет знать, где находится, где находился или куда направляется.

GPS навигация – Как это работает?

Месторасположение

Теперь расскажем о том, как это работает. GPS навигатор должен знать две вещи, чтобы выполнить свою работу. Он должен знать, ГДЕ находятся спутники (месторасположение) и как ДАЛЕКО они находятся (расстояние). Посмотрим сперва как GPS навигатор знает, где в космосе находятся спутники. GPS навигатор получает два вида кодированной информации от спутников. Один вид информации, называемый "альманах", содержит данные о расположении спутников. Эти данные постоянно передаются и сохраняются в памяти GPS навигатора, так что он знает орбиты спутников и где каждый спутник предположительно должен находится. Данные альманаха периодически обновляются по мере перемещения спутников. Любой спутник может немного отклоняться от орбиты, а наземные станции постоянно отслеживают орбиту, высоту, расположение и скорость спутников. постоянно отслеживают орбиту, высоту, расположение и скорость спутников. Наземные станции посылают данные об орбите на станцию основного контроля, которая, в свою очередь, передает откорректированные данные обратно спутникам. Эти откорректированные данные точного месторасположения спутника называются данными "эфимериса", которые действительны около четырех или шести часов и передаются GPS навигатору в виде кодированной информации.
Таким образом, получив данные альманаха и эфимериса, GPS навигатор всегда знает местонахождение спутников.

Время

Даже если GPS навигатор знает точное положение спутников в космосе, ему все равно необходимо знать, насколько они далеко (расстояние), чтобы определить свое месторасположение на земле. Существует простая формула, говорящая приемнику, как далеко он находится от каждого из спутников:

расстояние от данного спутника равно скорости передаваемого сигнала, умноженной на время, необходимое сигналу, чтобы пройти от спутника до GPS навигатора (Скорость х Время прохождения сигнала = Расстояние).

Вспомните, как вы определяли, насколько далеко от вас гроза, когда были ребенком. Когда вы видели молнию, то считали затем, сколько секунд пройдет, пока раздастся гром. Чем больше насчитали, тем дальше была гроза. GPS навигация работает по такому же принципу, называемому "Время прибытия".

Используя основную формулу для определения расстояния, приемник уже знает скорость. Это скорость радио волны – 186 000 миль в секунду (скорость света), с учетом задержки сигнала при прохождении сквозь атмосферу Земли.

Теперь GPS навигатору необходимо определить временную составляющую формулы. Ответ кроется в закодированных сигналах, которые передают спутники. Передаваемый код называется "псевдослучайным кодом" потому, что похож на шумовой сигнал. Когда спутник генерирует псевдослучайный код, GPS навигатор генерирует такой же код и пытается согласовать его с кодом спутника. GPS навигатор сравнивает два кода, чтобы определить, насколько необходимо задержать (или сместить) свой код, чтобы соответствовать коду спутника. Чтобы получить расстояние время задержки (смещения) умножается на скорость света.

Часы GPS навигатора не отслеживают время с такой точностью, как часы спутника. Включение в состав GPS навигатора атомных часов сделало бы его намного больше и намного дороже! Поэтому каждое измерение расстояния требует корректировки на величину погрешности внутренних часов GPS навигатора. По этой причине измерение расстояния относится к "псевдорасстоянию". Чтобы определить позицию, используя данные псевдорасстояния, необходимо отслеживать и пересчитывать зафиксированные данные минимум с четырех спутников, чтобы погрешность исчезла.

Получение полного круга
GPS навигация
Как работает GPS навигация

Теперь. когда у нас есть и позиция спутника, и расстояние до него, приемник может определить свое месторасположение. Скажем, мы находимся на расстоянии 11 000 миль от спутника. Тогда наше месторасположение будет где-то в условной сфере со спутником в центре с радиусом 11 000 миль. Далее, допустим, что мы находимся на расстоянии 12 000 миль от другого спутника. Вторая сфера будет пересекаться с первой, образуя общую окружность. Если добавить третий спутник, на расстоянии 13 000 миль, будет две общие точки, где пересекаются три сферы.

GPS навигация
Как работает GPS навигация

Хотя возможных позиций две, они сильно отличаются показателями широты, долготы и высоты. Чтобы определить, какая же из двух точек соответствует вашему фактическому месторасположению, GPS навигатору необходимо также указать приблизительную высоту над уровнем моря. Это позволит приемнику рассчитать 2-х координатную позицию (широта, долгота). При наличии четвертого спутника GPS навигатор сможет определить 3-х координатную позицию (широта, долгота, высота). Так, допустим, расстояние до четвертого спутника составляет 10 000 миль. Теперь у нас есть четвертая сфера, пересекающая первые три в одной общей точке.

Данные альманаха

GPS навигатор всегда сохраняет данные о положении спутников. Эти данные называются альманахом. Иногда, когда GPS навигатор долгое время не включается, данные альманаха становятся устаревшими или "холодными". Когда GPS навигатор "холодный", установление связи со спутником может занять больше времени. GPS навигатор считается "теплым", если данные со спутников собраны за последние четыре-шесть часов. Если время установления связи со спутником играет для вас большую роль, то при покупке GPS навигаторов необходимо обращать внимание на время захвата спутника в "холодном" и "теплом" режимах.

Как только навигатор установит связь с достаточным количеством спутников, чтобы рассчитать месторасположение, вы готовы начать GPS навигацию! Большинство GPS навигаторов будут отображать текущие координаты или текущую позицию на электронной карте, которая будет помогать вам в навигации.

Технология GPS навигатора

Большинство современных GPS навигаторов имеют параллельный мультиканальный дизайн. Более старые одноканальные тоже были популярны, но у них была ограниченная возможность постоянного приема сигналов в жестких условиях, таких как густой лиственный покров. Параллельные приемники обычно имеют от пяти до двенадцати схем приема, каждая из которых отвечает за сигнал конкретного спутника, так что можно в любое время устанавливать надежную связь со всеми спутниками. Параллельные приемники быстро захватывают спутники при первом включении, им также нет равных в возможности принимать сигналы спутника в сложных условиях, таких как густая листва или город с высокими зданиями.

Источники погрешностей GPS навигаторов

Гражданский GPS навигатор имеет потенциальную погрешность определения месторасположения как результат совокупности погрешностей от следующих источников:

Задержки ионосферы и тропосферы – Сигнал спутника проходит сквозь атмосферу. Система использует встроенную "модель", которая высчитывает среднее, но не точное, значение задержки.

Отражение сигнала – встречается, когда сигнал перед тем, как достичь приемника, отражается от таких объектов как высотные здания или горы. Это увеличивает время прохождения сигнала, вызывая тем самым ошибку.

Ошибки часов приемника – поскольку не практично устанавливать атомные часы в приемниках GPS навигаторов, имеющиеся встроенные часы могут выдавать очень незначительные временные ошибки.

Орбитальные ошибки – также известны как "ошибки эфимериса", это неточности данных о расположении спутника.

Количество видимых спутников – чем больше спутников может "видеть" GPS навигатор, тем выше точность. Здания, рельеф местности, электронная интерференция, иногда даже густая листва могут блокировать прием сигнала, вызывая ошибки месторасположения или полное отсутствие показаний. Чем чище обзор, тем лучше прием. GPS навигаторы не будут работать в помещении (как правило), под водой или под землей.

источники ошибок GPS навигаторов
источники ошибок GPS навигаторов

Геометрия/затенение спутника – имеет отношение к относительному расположению спутников в любое заданное время. Идеальная геометрия спутников бывает, когда спутники располагаются под тупым углом по отношению друг к другу. Плохая геометрия является результатом расположения спутников на одной линии или в тесной группе.

Намеренное ухудшение сигнала спутника – намеренное ухудшение сигнала министерством обороны США известно как "Избирательная доступность" и предназначено для предотвращения использования с враждебными намерениями GPS сигналов высокой точности. Этим объясняется большинство ошибок. "Избирательная доступность" была отменена 2 мая 2000г. и в данный момент не применяется. Это значит, что вы можете ожидать от GPS навигатора точности в пределах 6 – 12 метров (около 20 – 40 футов).

Точность GPS навигатора может быть улучшена еще больше с применением дифференциального GPS приемника (DGPS), который может работать от нескольких возможных источников, уменьшая некоторые из описанных выше ошибок. Следующий раздел объясняет, что такое DGPS и как это работает.

DGPS – как это работает ?

Дифференциальные GPS работают с помощью расположения GPS приемника (называемого контрольной станцией) в месте с известными координатами. Поскольку контрольная станция знает свое точное месторасположение, она может определить ошибки спутниковых сигналов. Станция делает это путем измерения расстояния до каждого спутника с использованием принимаемых сигналов и сравнивает результат с фактическими показателями, рассчитанными на основе известного месторасположения. Разница между измеренным и рассчитанным расстоянием для каждого видимого спутника является "дифференциальной коррекцией".

GPS навигация: как работает DGPS
GPS навигация: как работает DGPS ?

Дифференциальные коррекции для каждого отслеживаемого спутника форматируются в сообщения и передаются DGPS приемникам. Далее дифференциальные коррекции применяются DGPS приемниками в вычислениях для уменьшения ошибок и улучшения точности. Уровень точности зависит от самого приемника и сходства его "окружающей среды" с условиями, в которых находится контрольная станция, а также его приближенности к станции. Приемник контрольной станции определяет составляющие погрешности и обеспечивает их коррекцию для GPS навигатора в реальном времени. Коррекция может передаваться по FM радиочастотам, через спутник или через маяк береговой охраны США. Обычно точность DGPS составляет 1 – 5 метров (около 3 – 16 футов).

WAAS

При полете есть одна вещь, которую все мы желаем получить: БЕЗОПАСНОСТЬ. Исключительная информация о месторасположении это ключ к безопасности полета. При дезориентирующих погодных условиях, когда визуальная навигация усложняется или вообще невозможна особое значение приобретает GPS навигация. Знакомьтесь с "Системой Панорамного обзора" или просто WAAS. Так называется сеть из 25 наземных контрольных станций, которые полностью покрывают территорию США, захватывая немного Канады и Мексики. Внедренные FAA (Федеральным Авиационным Агентством США) для целей авиации эти 25 контрольных станций расположены с предельной точностью. Они сравнивают измеренное GPS расстояние с известными значениями. Каждая контрольная станция подключена к базовой станции, которая собирает все коррекционные сообщения вместе и транслирует их через спутник. С помощью WAAS приемники GPS навигаторов могут обеспечивать точность 3 – 5 метров по горизонтали и 3 – 7 в высоту.

GPS навигация: куда я иду ?

Путевые точки

Основной целью GPS навигации является предоставление возможности попасть из точки А в точку В настолько просто, насколько это возможно. GPS навигаторы GARMIN могут сохранять несколько сотен точек или месторасположений, называемых "путевыми точками". Ваш дом, аэропорт, стоянка машины, хорошие места для рыбалки/охоты или просто живописное местечко, которое вы бы хотели еще раз посетить – это только несколько примеров тех мест, которые можно сохранять и позже использовать для навигации. А что, если вы никогда там не были, но знаете координаты этого места или где оно находится на карте? С GPS навигаторами GARMIN вы сможете создавать путевые точки тех мест, где раньше не бывали, и проложить маршрут (GOTO) до нужного места.

GOTO

Использование данной функции также просто, как выбрать путевую точку направления и сказать GPS навигатору "идти туда". GPS навигатор нарисует прямую линию к данной точке и укажет направление указателем "стрелка", линией азимута, линией курса или предоставит "путь" в трехмерном режиме. Когда вы движетесь к определенному месту, GPS навигатор всегда отслеживает, где вы, куда движетесь, с какой скоростью, насколько далеко вы от пункта назначения и сколько времени вам потребуется, чтобы туда добраться! Но что, если на прямой между вами и местом назначения находятся горы, острова или глубокие ущелья? Вы можете сказать GPS навигатору двигаться по серии путевых точек в определенном порядке, называемых "маршрутом".

Маршруты

Помните картинку, которая получается, если соединять линиями точки? Вы рисуете линию из точки 1 к точке 2, 3 и так далее. Представьте, что путевые точки это те самые точки, которые необходимо соединить, а маршрут это соединяющая линия. Поскольку вам необходимо указывать свои номера точек, то обычно вы задаете: "Я хочу пойти отсюда туда-то, затем туда-то и т.д. в таком-то порядке".

GPS навигация: маршруты
GPS навигация: маршруты

Может быть картинка, которую вы увидите, получится и не очень, но зато это однозначно приведет вас туда, куда нужно! С GPS навигаторами GARMIN вы сможете увидеть, где вы были, в виде журнала пройденного пути (track log).

Журналы пройденного пути

По мере продвижения GPS навигатор будет автоматически записывать ваш маршрут в журнале пройденного пути. Представьте этот журнал как след из хлебных крошек, оставленный там, где вы прошли. То, как вы петляли лесными тропками, обходили разные объекты, каждое ваше движение сохраняется в GPS навигаторе. Если вы захотите пройти обратно тем же путем, достаточно просто активировать функцию TrackBack и GPS навигатор сам составит обратный маршрут. Вы можете даже сохранять эту информацию, чтобы использовать её снова и снова и знать, что вы двигаетесь в правильном направлении!

Географический и магнитный север

Думая о направлении, вам необходимо определиться, магнитный или географический север вы хотите использовать для ориентации. Географический север использует как ориентир 0° Северный Полюс, в то время как магнитный север использует магнитный северный полюс, находящийся фактически на севере Канады. Если вы используете GPS вместе с обычным компасом, то установите GPS навигатор в режим магнитного севера. Разница между географическим и магнитным севером в текущем местоположении известна как "магнитное отклонение". GPS навигаторы GARMIN имеют встроенную модель магнитного отклонения земли и могут автоматически устанавливать отклонение для вашего местонахождения в любой точке планеты. Вы также можете устанавливать отклонение вручную, используя пользовательские настройки.

Координатные сетки и форматы

В GPS навигации текущее месторасположение можно просматривать в виде координат. Поскольку различные карты и схемы используют различные форматы координат, GPS навигаторы GARMIN позволяют вам выбирать необходимую систему координат.

Самым типичным форматом, используемым GPS навигаторами GARMIN, является широта и долгота. В большинстве моделей есть возможность переходить и на другие системы координат.

UTM/UPS (Универсальная поперечная проекция Меркатора/Универсальная полярная стереографическая проекция) это простая в использовании метрическая сетка, которая чаще всего встречается на топографических четырехугольных картах геологической службы США (USGS). Сетка MGRS очень похожа на UTM/UPS и используется в основном на военных картах. В большинстве GPS навигаторов можно выбирать также несколько других сеток, включая настраиваемую пользователем (функция для продвинутых пользователей).

Системы координат

Карты и схемы это по своей сути сетки, созданные от опорной точки, называемой координатой. Много карт, которые используются до сих пор, были составлены десятки лет назад. Со временем технологии позволили нам улучшить геодезические навыки и создавать более точные карты. Тем не менее, существует необходимость адаптировать GPS навигаторы для использования старых карт. Большинство GPS навигаторов GARMIN включают более 100 систем координат, позволяя переключатся на соответствующие настройки карты. Использование неподходящей системы координат может стать причиной получения недостоверной информации о местоположении. На большинстве хороших навигационных карт указывается, какая система координат используется. Наиболее распространенными системами координат США являются WGS 84 (Всемирная геодезическая система 1984), NAD 83 (Североамериканская 1983), NAD 27 (Североамериканская 1927). Просматривая список систем координат, помните, что все они являются математическими моделями формы Земли, а не реальными картами, встроенными в GPS навигатор.