Во все времена картографы были уважаемыми людьми. И это вполне обосновано, чтобы куда-то идти, ехать, плыть, лететь необходимо изображение местности, обычно именуемое картой. Думаем, все пользовались этим изобретением человечества в бумажном варианте, и наверняка знакомы с существующими ограничениями. Однако бумажная карта (или набор карт) это еще не все, нужно каким-либо образом определить свое местоположение на ней. Решение этой проблемы имеет множество вариантов, и ни один из них нельзя признать идеальным. И лишь в последнее время появилась система, претендующая на эталон в этой области, позволяющая легко и быстро решать подобные задачи. Имя ей GPS.

Длительное время бывшие уделом избранных (читай военных) GPS навигаторы наконец-то повернулись лицом к рядовым пользователям, и доказали свою полезность и необходимость. Примечательно, что сегодня навигаторы уже не являются профессиональным дорогостоящим оборудованием, это доступные для многих бытовые устройства, а благодаря конвергенции GPS модуль стал желанным гостем различных многофункциональных гаджетов. Думаем, поводов более чем достаточно познакомиться с этой удивительной и многообещающей технологией.

Рожденная в годы «холодной войны»

Аббревиатура GPS расшифровывается как Global Positioning System, что в переводе на русский язык означает «всемирная система позиционирования». Идея ее создания зародилась в Америке в 50-х годах прошлого века. Инициаторами, как всегда, выступили военные (это характерно для большинства наукоемких технологий прошлого столетия), искавшие способ наведения межконтинентальных и баллистических ракет. Первый спутник этой системы (в то время она была известна под названием NAVSTAR) был запущен в 1978 году, последующие запуски стали постоянными. Заметим, что для нормального функционирования системы необходимо 24 спутника, но в настоящее время их больше (на сегодняшний день 31). Первые годы существования GPS была сугубо военной системой, и лишь в 1983 году было разрешено использовать ее в гражданских целях.

Ради справедливости стоит отметить, что решение американцев было половинчатым. Система навигации разрабатывалась исключительно для военных целей, и поэтому для гражданских приемников был введен так называемый «селективный доступ», позволяющий определять местоположение объектов с точностью порядка 50-100 метров. С 1 мая 2000 года это ограничение отменено (спасибо Клинтону), и теперь владелец любого GPS приемника может определять свои координаты с точностью менее 15 метров (в среднем 5-8 метров). В таком «состоянии» система находится и по сей день.

Для нормального функционирования системы необходимо 24 спутника

Думаем, будеn уместно вспомнить и о конкурентах GPS. В первую очередь это советский (теперь – российский) ответ HATO – система ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Ее разработка началась в 1982 году, но в связи известными событиями в СССР в 90-х годах она так и не заработала в полную силу. Однако в 2005 году президент Путин подписал распоряжение о «реанимации» системы, поставив задачу к 2008 году добиться полной работоспособности ГЛОНАСС. Впереди еще год, и нам остается только надеяться на то, что в ближайшее время мы сможем пользоваться отечественной системой навигации. Galileo – это европейская система, она еще совсем молода (решение о создании принято в 2003 году), но уже к 2010 году планируется начало эксплуатации. Эта дата также под вопросом, поскольку имеется ряд разногласий между странами Евросоюза – одни поддерживают развитие Galileo (намекая на независимость от США), другие ратуют за уже работающую GPS.

Пять принципов GPS

Система GPS состоит из трех десятков спутников и базовых наземных станций в различных частях мира (обеспечивают синхронизацию сигналов). Исходя из определения она глобальная (то есть работает в любой точке земного шара), нисколько не зависит от погодных условий и доступна 24 часа в сутки. Ну а теперь давайте немного вспомним школьный курс физики, и поговорим о том, как работает GPS. В основе системы лежит пять принципов, знакомство с которыми позволит нам легко убедиться в том, что все гениальное просто.

Первый принцип (фактически являющийся основой системы) гласит о том, что, зная расстояния до трех спутников, можно однозначно определить координаты любой точки поверхности земли. Это и есть пресловутый метод триангуляции, в данном случае считается, что спутники являются объектами с известными координатами. Второе – необходимо это самое расстояние до спутников измерить. Как известно, скорость распространения электромагнитных волн постоянна, поэтому расстояние от спутника до навигатора определяется по классической формуле « расстояние равно время, умноженное на скорость». Со скоростью проблем нет (это фактически скорость света), а точное измерение времени обеспечивается использованием сверхточных атомных часов (расположены на спутниках, точность около одной наносекунды) и кодов для установления точного момента ухода сигнала со спутника.

Обязательным условием является синхронизация по времени всех сигналов

Исходя из вышесказанного, очевидно, что обязательным условием является синхронизация по времени всех сигналов (третий принцип), ведь вычисления координат напрямую зависят от точности хода часов. В идеале часы на спутнике и в приёмнике должны иметь одинаковую точность хода, и если это так, то точное местоположение (трехмерные координаты объекта) может быть найдено по измерениям расстояния до трех спутников. Но если установить на ограниченное число спутников очень дорогие атомные часы вполне реально, то оснастить ими каждый GPS приемник это уже непозволительная роскошь. Поэтому разработчики пошли на хитрость – они ввели дополнительное измерение для устранения ошибок хода часов в приёмнике, для этого как раз и нужен четвертый спутник.

Четвертый принцип затрагивает проблему точного определения положения спутников в космосе. Во-первых, каждый спутник движется по определенной орбите, и поэтому его расположение в каждый конкретный момент времени может быть описано математически. Помимо этого как минимум один раз в сутки вычисляются уточненные элементы спутниковых орбит и коэффициенты поправок спутниковых шкал времени, эта информация также передается на спутник и используется для определения его положения. Кстати, орбиты спутников изначально уже занесены в память GPS приемника, и поэтому предаются только уточняющие значения. Ну и, наконец, пятый принцип – коррекция ошибок. Было бы наивно полагать, что система идеальна и ошибки отсутствуют. Мы предполагали, что сигнал распространяется с непрерывной скоростью, но в реальности, проходя через ионосферу и тропосферу, его скорость уменьшается, порой случаются ошибки в ходе атомных часов и орбитах спутников, источником погрешности является и многолучёвая интерференция. В общем, ошибки измерения дальности есть, и для этого в системе используются всевозможные алгоритмы их устранения.

Что есть навигация

Бытует мнение, что GPS приемник предназначен только лишь для определения месторасположения объекта на местности и соотнесения его координат с электронной картой. Бесспорно, это важная функция, и, возможно, она была единственной в первых GPS устройствах, но за долгие годы существования навигации она стала одной из многих. К примеру, даже простейший приемник способен показывать направление, определять расстояние по прямой до выбранной точки, вычислять скорость движения, рассчитывать время заката и восхода в данной местности. Дальше – больше: прокладка маршрутов, выбор оптимального направления, вычисление времени прибытия в точку, нахождение определенного близлежащего объекта (гостиница, кемпинг)…

Стоит отметить, что современный GPS навигатор может освоить каждый, кто хотя бы раз сталкивался с компьютером или другой электроникой. В его настройках и пользовании нет ничего сложного, а удобный логический интерфейс освоит даже новичок. Дабы убедить вас в этом, приведем вкратце основы работы с навигатором. Итак, включаем устройство. При включении GPS приемника после долгого перерыва (или в первый раз) происходит так называемый «холодный старт», приемник начинает искать спутники. Группа спутников, видимых в данной точке, обычно называется «альманахом», и она хранится в памяти приемника некоторое время. Поэтому запуск навигатора, выключенного приблизительно на полчаса-час, происходит быстрее («горячий старт»), - приемник берет координаты спутников из уже записанного альманаха.

Главное понятие навигации – это путевая точка. Фактически это отметка на карте, которая хранится в памяти приемника. Путевую точку может внести сам пользователь устройства, она может быть внесена также производителем или разработчиком карты. Короче говоря, это то место, которое представляет интерес для владельца устройства (кафе, заправки, магазины, памятники архитектуры и т.д.). Приемник может рассчитывать расстояния и направления (а также время в пути) до путевых точек. Но в чистом виде путевые точки обычно не используются, чаще составляется маршрут, представляющий собой серию путевых точек. При прокладке маршрута навигатор автоматически заменяет текущую точку назначения при ее достижении на следующую путевую точку. А перед тем, как изменить курс, приемник обычно подает сигнал и запрашивает подтверждение. Большинство современных устройств поддерживает автопрокладку маршрута, но его всегда можно вручную скорректировать или изменить.

Думаем, стоит упомянуть и о специфических особенностях работы GPS, обусловленных природой распространения сигналов. Как и всякие электромагнитные волны, сигналы GPS поглощаются большинством веществ, поэтому оптимальная работа приемника обычно достигается под открытым небом. По идее, хороший прием достигается и в автомобиле (если приемник расположен на приборной панели за ветровым стеклом), но в данной ситуации часто лучше использовать внешнюю антенну. Также кроны деревьев способны в некоторой степени блокировать сигналы. Поэтому в лесистой местности лучше двигаться, а не стоять на месте – это повышает вероятность точной навигации. Ну и естественно, затрудняют определение местоположения любые искусственные или естественные объекты (железобетонные здания, горы и т.д.), так что лучше всего выходить на открытое пространство.

Страница 1 http://zoom.cnews.ru/ru/publication/ind … _id80=2487