Опис технології GPS

Введення

Сучасні технології рік від року все щільніше впроваджуються в наш побут, полегшуючи і спрощуючи рішення повсякденних завдань. Сьогодні мало хто з нас може уявити своє існування без персонального комп'ютера, мобільного телефону або цифрового фотоапарата. Тим не менш, буквально 5-10 років тому ми жили, не замислюючись про ці пристрої. Але прогрес не стоїть на місці, і з кожним роком ці предмети стають все більш досконалий і зручніше, зрідка поповнюючи свої ряди новими досягненнями науки, покликаними ще більше полегшити наше життя.

Одним з таких досягнень можна вважати технологію GPS NAVSTAR (Global Positioning System), в дослівному перекладі - глобальна система позиціонування. Для більшості користувачів вона стала відомою і доступною лише кілька років тому. Однак мало хто знає, що в лютому наступного року їй виповниться 30 років. Саме стільки триватиме з моменту запуску першого супутника. Втім, не тільки для нас система GPS стала доступною настільки недавно. Початком її комерційного використання можна вважати 1 травня 2000 року, коли Президент сполучених штатів (саме цій країні, вірніше її військовим, належать всі супутники системи) підписав указ про скасування так званого «виборчого доступу» («Selective Availability»). Сенс останнього полягав у тому, щоб намір вносити спотворення в сигнал, переданий з супутників, знижуючи при цьому точність позиціонування до 100-150 метрів. Без нього похибка визначення координат стала складати не більше 3 метрів. Втім, в характеристиках більшості приймачів ми зустрічаємо цифру 10 метрів, вона пояснюється лише обмеженнями законодавства тієї чи іншої країни.

Орбітальне угруповання

Вся система функціонує на основі орбітальних супутників. Перший з них був запущений в 1978 році. Це був супутник першого покоління - Block I. Всього існує чотири покоління GPS-сателітів: Block I, Block II / II-A, Block II-R і Block II-M. Відрізняються вони часом життя на орбіті, розмірами і надійністю бортового обладнання. Супутників першого покоління на орбіті вже не залишилося, вони використовувалися в основному для випробування, перевірки і налагодження системи GPS і її устаткування. Зараз же основу орбітального угрупування складають Block II-A (15) і Block II-R (12). Найбільш досконалими є супутники системи Block II-M, на даному етапі їх всього три, проте надалі їх кількість буде тільки збільшуватися. Вони мають ряд серйозних переваг перед своїми попередниками. В першу чергу цей час «життя», для Block II-M воно становить 15 років, для порівняння: Block II-A «живе» в два рази менше - 7.5 років. Також нова модель володіє новітньою системою корекції помилок безпосередньо в польоті, що дозволяє отримувати ще більшу точність у визначенні координат користувачем.

Варто відзначити ще одну особливість супутників сімейства Block II - в їх завдання, крім визначення координат, входить ще виявлення ядерних вибухів, в будь-якому місці по всій поверхні землі.

Інформацію по поточному стану системи завжди можна уточнити на сторінці Американського Центру Навігації Берегової охорони .

Супутники знаходяться на шести орбітах, висота яких становить близько 20 000 кілометрів, а швидкість руху дорівнює 3000 м / сек. Таким чином, за добу кожен сателіт робить два «витка» навколо землі.

Незважаючи на те, що для нормальної роботи системи досить 24-х супутників, на даний момент (серпень 2007 р.) в орбітальну угруповання входить 30 робочих апаратів. Ця надмірність аніскільки не заважає, а навпаки навіть допомагає домогтися більш точного визначення координат.

Всі супутники передають дані на приймач за допомогою радіосигналу, що транслюються на дві частоти. Одна з них вважається цивільної і має індекс L1 (1575.42 МГц), друга ж використовується в основному військовими і маркується як L2 (1227.60 МГц). На підставі даних, переданих за допомогою L1, можна домогтися точності позиціонування до 3-х метрів. Якщо ж поряд з «цивільної» L1 використовувати ще й «військову» L2, то похибка визначення координат знижується до декількох міліметрів. Однак така точність необхідна вкрай рідко, тому більшість сучасних комерційних GPS-приймачів використовують виключно L1. L2 ж, крім військових потреб, застосовується ще й у дорогому геодезичному обладнанні.

Як визначається місце розташування

Теоретично для визначення місця розташування необхідні дані з трьох супутників. Спробуємо розібратися, як відбувається цей процес. Припустимо, нам відома величина відстані від одного супутника до приймача. Знаючи її, ми можемо намалювати коло навколо супутника, на краю якої і буде знаходитися наш приймач.

Додамо дані з другого супутника.

Таким чином, ми звузили сектор пошуку до перетину двох кіл. Залишається додати інформацію про третій супутнику.

Таким чином, ми отримуємо точні координати приймача, який знаходиться на перетині трьох кіл.

Ми постаралися максимально спростити схему, зобразивши двомірну модель. В дійсності все відбувається в тривимірному просторі, але принцип обчислень використовується той же.

Тепер нам залишилося з'ясувати, як розраховується відстань від супутників до приймача. Все дуже просто: достатньо помножити швидкість світла (швидкість поширення радіохвиль) на час проходження сигналу від супутника до приймача. Отримана величина і буде шуканим відстанню. При цьому для обчислення часу необхідна точна синхронізація годин космічного апарату з годинником пристрою, так як різниця навіть в 0.0000003 секунди згодом викликає помилку рівну 100 метрам. Для цього на кожному супутнику встановлено четверо найточніших атомних годин. Варто відзначити, що одні такі годинники коштують близько 100000 $. Але навіть вони можуть містити відхилення від еталонного часу. Що ж говорити про звичайні кварцових годиннику, встановлених безпосередньо у приймаючих пристроях, тут можливість похибки в рази більше. Саме тому для точного визначення координат потрібно не три, а чотири супутники. Останній якраз і покликаний нівелювати тимчасові помилки перших трьох.

Наземна складова GPS

Крім орбітальних супутників до складу системи GPS входить 5 наземних станцій спостереження. Вони знаходяться на п'яти військових базах США: на Гаваях, на острові Вознесіння, в Кваджалейн, на острові Дієго-Гарсія і в Колорадо-Спрінгс. У найближчих планах будівництво шостої, на мисі Канаверал. На чолі наземного сегмента варто Головна керуюча станція, що знаходиться в Колорадо на базі ВПС «Шрівер».

Усі станції стеження обладнані GPS-приймачами, які беруть навігаційні сигнали з усіх супутників. Потім зібрані дані посилаються на головну керуючу станцію в Колорадо. Там ведеться аналіз і обробка отриманої інформації. Потім на її основі вводяться необхідні зміни в орбіти супутників і їх вбудований годинник. Така операція проводиться один раз в 24 години з кожним сателітом, що входять в орбітальну угруповання.

Варто зазначити, що п'яти станцій спостереження недостатньо для максимально коректної роботи системи GPS. Тому поряд з перерахованими центрами використовуються ще шість, що належать національному управлінню картографії (NIMA).

Особливості роботи GPS-приймачів

Як ми з'ясували раніше, для визначення координат GPS-приймачу необхідні дані з орбітальних супутників. Проте їх отримання і обробка вимагають деякого часу - від кількох секунд до десятка хвилин. Спробуємо розібратися, від чого залежить цей час. У першу чергу від наявності у приймальнику альманаху і ефемерід. Альманах - це дані, передані супутником і містять інформацію про параметри орбіт всіх супутників. З його допомогою можна лише приблизно обчислити їх місце розташування. Альманах постійно оновлюється, тому що передається кожним супутником, що входять в систему GPS. Час його актуальності складає 2-3 місяці. Це пов'язано з тим, що в роботу супутників щодня вносяться коректування, і після такого тривалого часу похибка буде дуже велика. Ефемериди, на відміну від альманаху, містять більш точні дані про розташування супутників, але час їх дії становить не більше 4-6 годин. Від наявності цих двох типів даних і залежить час старту приймача.

Існує три типи стартів - «Холодний», «Теплий» і «Гарячий».

«Холодний старт» - альманах і ефемериди невідомі, в сучасних пристроях займає кілька хвилин. «Теплий старт» - альманах відомий, а ефемериди немає, триває не більше хвилини. «Гарячий старт» - відомі і альманах, і ефемериди, займає кілька секунд. Визначити, який з стартів використовується в даний момент, дуже просто: якщо ви включаєте приймач вперше за 3 місяці, то це буде «холодний старт», якщо з моменту останнього використання пристрою пройшло більше 6:00, то це буде «теплий старт», якщо менше 4:00, то «гарячий». Варто зазначити, що вказані нами дані про приблизний часу стартів характерні виключно для сучасних пристроїв, оснащених найбільш популярним сьогодні чіпсетом SIRF StarIII. Якщо ваш приймач оснащений іншим чіпом, то цей час може відрізнятися в кілька разів, причому як в гіршу сторону, так і в кращу.

Не варто забувати і про помилки, які можуть виникнути в реальних умовах. У першу чергу на точність визначення впливає рельєф місцевості. Якщо ви знаходитесь в зоні щільної забудови, то ймовірність помилки зростає в рази, так як на корисний сигнал нерідко накладається відбитий, знижуючи, таким чином, точність позиціонування. Також чималий вплив роблять погодні явища, наприклад, дощ або сніг. Не варто забувати і про такі банальні джерела перешкод, як листя дерев, побутові радіоприлади, кузов автомобіля і навіть людське тіло. Як раз всі ці фактори і змушують використовувати не чотири супутники, яких, в теорії, досить для визначення координат, а набагато більше, додатково застосовуючи при цьому складні алгоритми розрахунків усунення помилок, викликаних перешкодами.

aGPS

Отже, ми вже знаємо, що найбільшою проблемою для приймача є старт. Саме в цей момент відбувається пошук супутників, запис альманаху і ефемерід. І цей процес може займати чимало часу. При цьому в такому режимі приймач споживає у кілька разів більше енергії, саджаючи, таким чином, акумулятор пристрою в лічені години. Останній факт особливо актуальне для власників інтегрованих пристроїв, наприклад, комунікаторів з вбудованою функцією GPS. Адже в разі розряду акумулятора людина залишиться не тільки без навігатора, а й без зв'язку, що в незнайомій місцевості може призвести до зовсім неприємних наслідків. Вирішити вищеописану проблему покликана технологія aGPS.

aGPS - assisted GPS. У дослівному перекладі - «асистуюча GPS». Це технологія, в якій зовнішнє джерело, в більшості випадків стільниковий оператор, допомагає приймача у визначенні координат. В даному випадку вбудований в телефон або комунікатор GPS-модуль тільки отримує дані від супутників і, не обробляючи, посилає їх на сервер оператора. Сервер в свою чергу аналізує отримані дані в лічені секунди. Після чого посилає вже готові координати на телефон. Крім цього, оператор може зберігати у себе актуальні дані альманаху і ефемерід, постійно оновлюючи їх через Інтернет. І відсилати їх на телефон за першою вимогою, прискорюючи, таким чином, старт в десятки разів. І це лише два найпростіших варіанта використання даної технології. В майбутньому завдяки aGPS може з'явитися безліч мобільних сервісів, заснованих на позиціонуванні. Починаючи з найпростішої завантаження карти, на якій ви знаходитеся, до виклику таксі без вказівки адреси. Причому для розвитку цієї технології є всі передумови, так як її функціонування прямо залежить від операторів стільникового зв'язку. А в останніх з кожним роком залишається все менше нових цікавих послуг.

Класифікація GPS-приймачів

Всі GPS-приймачі діляться на два основних типи - кодові і фазові. Перші для визначення координат використовують інформацію супутникового сигналу, другі ж для обчислення використовують сам радіосигнал. На сьогоднішній день фазові приймачі використовуються виключно в геодезії і картографії, їх вартість може досягати декількох десятків тисяч доларів, а точність вимірювання доходить до декількох міліметрів. Для цивільних же потреб використовуються виключно кодові приймачі.

До недавнього часу цивільні GPS-приймачі можна було розділити на три основні типи - це автомобільні, пішохідні та морські.

Мабуть, найбільш поширеним видом на сьогоднішній день є автомобільні GPS-навігатори. Ці пристрої можуть бути як вбудовані в автомобіль на виробництві, так і встановлені після покупки. Вони завжди забезпечені докладною картою, за допомогою якої можна прокласти маршрут, який враховує всі правила руху. Вони володіють великим і нерідко сенсорним кольоровим дисплеєм і оптимізовані під використання в автомобілі. Багато моделей дозволяють завантажувати інформацію про пробки і дорожніх роботах.

Пішохідні навігатори призначені, перш за все, для туристів. Ці пристрої можуть бути орієнтовані на роботу з картою або функціонувати без неї. В останньому випадку вони виконують функцію просунутого компаса. Наприклад, йдучи в ліс, ви відзначаєте контрольної точкою розташування свого автомобіля, після чого вирушаєте в дорогу. Коли ж приходить час повертатися, ви вже чітко знаєте, в якому напрямку вам треба рухатися, щоб потрапити до контрольної точки, машині, так як вона відзначена на дисплеї вашого навігатора.

Призначення морських навігаторів можна визначити за назвою. У них зосереджено, мабуть, найбільша кількість спеціалізованих функцій. Тут і отримання даних про погоду, і інформація про морські течії, глибинах, приливах / відливах, і можливість прослуховування супутникових радіостанцій. Вони, як правило, мають досить значні розміри і водонепроникний корпус.

Ну і останніми ми розглянемо порівняно недавно з'явилися інтегровані GPS-приймачі. Незважаючи на те, що на даному етапі вони мають найменшу чисельність серед існуючих GPS-пристроїв, в майбутньому їх частка буде збільшуватися, і в цивільному сегменті вони повинні повністю витіснити спеціалізовані пристрої. Сучасні вбудовувані GPS-чіпи мають дуже скромні розміри, при цьому практично не поступаючись своїм старшим аналогам в точності визначення координат. Не варто забувати і про те, що їх ціна з кожним днем стає все менше. А це може привести до того, що володіти такою функцією будуть не тільки топові моделі, а й апарати, пов'язані з бюджетного сегменту. Згадайте ситуацію з камерами в мобільних телефонах. Тут історія може повторитися, а GPS має всі шанси стати настільки ж повсякденною функцією.

Висновки

За останні роки технологія GPS з суто військової технології перетворилася на загальнодоступну рядову можливість, використовувати яку може кожен. І вже сьогодні для багатьох супутниковий навігатор став предметом повсякденного використання, залишивши в минулому дратівливі атласи та плутані пояснення перехожих.

Ще зовсім недавно GPS-приймачі продавалися виключно в вузьконаправлених магазинах, орієнтованих на мандрівників, просунутих мисливців і рибалок. Вартість досить простих, за сьогоднішніми мірками, пристроїв могла доходити до декількох тисяч доларів. Сьогодні ж GPS-навігатори представлені практично у всіх мережевих магазинах, що займаються електронікою, і перетворилися на такий же буденний товар, як цифровий фотоапарат або кишеньковий комп'ютер. Багато в чому цьому сприяв факт легалізації цієї технології в Росії. До 2007 року на GPS в нашій країні були накладені серйозні обмеження, що стосуються точності визначення координат. Як тільки вони були зняті, безліч виробників навігаційних програм звернули увагу на наш ринок. На даному етапі він перебуває в стадії становлення і в майбутньому буде активно розвиватися. Також чималий вплив на розвиток ринку GPS-пристроїв мала поява компактних недорогих вбудованих рішень. Багато сучасних користувачі навігаційних систем при купівлі комунікатора з GPS не мали ні найменшого уявлення про цю технологію. Тим не менш, спробувавши один раз, вони вже не можуть уявити собі будні в мегаполісі без супутникової навігації.

Вже зараз можна з упевненістю сказати, що майбутнє GPS якраз за вбудованими рішеннями. Багато користувачів не готові викладати 300 - 400 $ за спеціалізований пристрій. Однак при покупці телефону, смартфона або комунікатора вважають абсолютно нормальним переплатити 2 - 3 000 рублів за наявність в апараті GPS.

Леонов Михайло ( leonov@maxus.ru )
Опубліковано - 14 серпня 2007

Є, що додати?! Пишіть ... eldar@ua-mobile.com

Новини: