GPS-навигаторы. Что к чему и как это работает.
С древнейших времен, человечество старается найти ответы на два вопроса: «Где Я?» и «Куда мы идем?». Для того, что бы ответить на эти вопросы мы, люди, придумали массу способов ориентирования: по солнцу, по звездам, по мху на деревьях, по елочным лапкам. Изобрели такой замечательный прибор как компас и нарисовали карты местности. А потом, когда стали ходить по морю, сама по себе появилась целая наука называемая Навигацией. Когда же люди поняли, что земля не плоская, а круглая смастерили глобус «обрисовали» его параллелями и меридианами. Теперь, где находятся север, юг, запад и восток знает любой школьник. Но и этого оказалось мало и тогда, Американские военные, запустили на орбиту несколько спутников и научили их связи, по средствам радиопередачи на особой частоте, с особыми приборчиками называемыми GPS-навигаторами. Этот прекрасный навигационный прибор в руках военных показывает свое место расположения на земле с погрешностью до нескольких сантиметров, а вся эта система называется «NAVSTAR».
Со временем, Военные США запустили на спутниках еще несколько радиоканалов и поделились ими с гражданскими лицами. Только вот, что бы было не обидно, несколько их подпортили. Если в руках военных погрешность составляет сантиметры, то гражданское оборудование может ошибаться в пределах 100 метров. Однако, гражданские лица, отказываться от навигаторов все равно не стали, а как раз наоборот, внедрили куда можно. Сначала навигаторы получили моряки и авиаторы потом работники скорой помощи, сейчас же мы дошли до того, что чудо прибор встраивается в некоторые гражданские автомобили на стадии производства. И становится GPS-навигатор в автомобиле таким же привычным и необходимым как прикуриватель.
Тему того, как используют военные GPS систему. Мы рассматривать не станем, а вот к гражданским вариантам подойдем поближе.
«Global Positioning System» (GPS) — по-русски «Система глобального позиционирования».
В целом работает следующим образом:
Вокруг земли, с одной скоростью летает куча спутников, если точнее 24. Размещены они таким образом, что где бы Вы не находились, несколько из них находятся в небе над Вами. Искать спутники глазами – бесполезно т.к. они высоко (17 000 км) и маленькие (около 5 метров вместе с солнечными батареями). Для того, что бы определить Ваше положение на плоскости достаточно быть в зоне видимости 2-х спутников, но чем больше из них видя вас, тем лучше и точнее оно будет определено.
Люди, придумавшие GPS достойны всяческих похвал за саму идею, которая заключается в том, что спутник имеет внутренние, сверхточные часы и всегда знает, сколько времени там, где он пролетает. Устройство (Навигатор) получает сигнал от спутника, в котором сообщается его (спутника) время и местонахождения. Устройство сравнивает разницу во времени отправки сообщения и свое собственное время и понимает, насколько далеко оно от спутника. Два таких удаления и мы уже знаем точку на плоскости, а если три, то можно добавить и высоту или глубину. Прибор, попавший ко мне в руки, единовременно видел 5 спутников. Вот так.
Отрицательная сторона, или хотелось бы лучше.
Хорошо, что есть такой прибор и что он, так хорошо помогает на воде и в воздухе. Однако, если Вы решили заняться спелеологией, или заблудились в собственно квартире, навигатор вас не спасет. Для сообщения используются настолько слабые радиоволны, что они не могут проникнуть через конструкцию зданий, или грунт. Поэтому система GPS может быть использована только в таких местах, откуда видно небо.
Кроме того, нельзя забывать о пакостничестве Военных США. А заключается оно в двух словах: Selective Availability (SA). «Избирательный доступ», был введен министерством обороны Соединенных Штатов для того, что бы ни дать вероятному противнику использовать изобретение против самих США. Вот поэтому адекватность гражданских радиоканалов преднамеренно уменьшена.
Заявлено, сто погодные условия ни как не влияют на точность работы Навигаторов, но это тоже можно ставить под сомнение. Дело в том, что скорость света, с которой передается радиосигнал, ни как не может быть больше самой себя, но проходя через тучи и прочие уплотнения атмосферы, вполне может замедляться. Наилучший наглядный пример такого замедления – раздвоенная картинка на экране телевизора в пасмурную погоду, принимающего, так же как и навигатор, сигнал от спутника.
Приборы GPS-навигации или что может оказаться в Ваших руках.
Если Вы водитель танка или бронемашины армии США, то ни чего я Вам не скажу. Пусть высшее командование инструктажи проводит. Ну, а если у вас есть гражданский автомобиль и надоело возить с собой штурмана с бумажной картой или атласом автомобильных дорог, или вы любите порыбачить с сетями и не можете запомнить, где их раскидали, или турист и не знаете как сюда попали и куда теперь идти. Лучший выход – GPS-навигатор.
Что может навигатор и что он из себя представляет?
Начнем с того, что навигаторы делятся на несколько типов, основные из которых:
Морские – Эти приборы отличаются наличием эхолота, а также сменными картриджами с информацией о рельефе подводного ландшафта, береговой линии и т.д. Очень напоминают автомобильные, с той разницей, что существенно превосходят по весу, надежности и стоимости.
Авиационные – Все тоже, что и раньше, только в наше время редкий летательный аппарат не
оснащен системой GPS-навигации. Ну и разумеется, другие ландшафтные карты с другими отмеченными точками и функциями + 100% высотомер.
Автомобильные устройства – выдающийся тип навигаторов, предназначенный для использования в любом наземном транспорте. Это устройство снабжается картами и знает где какая дорога. Благодаря этому, по желанию пользователя, может рассчитать маршрут от точки и до точки, при чем еще и выделить самый короткий или быстрый возможно прокладывание маршрута и через несколько точек. В качестве GPS-навигатора, в автомобиле, можно использовать так же и портативные навигаторы и встроенные в другое оборудование, к примеру, КПК или Ноутбук.
Портативные навигаторы – отличаются малыми габаритами и легким весом. Используются как водителями автомобилей, так и туристами и всеми, кто совершает походы или прогулки, проходит незнакомыми маршрутами. Стоят приемлемо и работают так же.
GPS — приемники – это устройства (модули или карты), которые не отображают информацию, а могут только принимать и передавать информацию на другое устройство будучи встроенными внутрь, или подключенными снаружи.
Конкретно. Коротко осмотрим несколько разных аппаратов
«Magellan Maestro Elite 4370» – Это портативный автомобильный GPS-навигатор оснащенный цветным сенсорным экраном размером 4.3'', кронштейном и наружным динамиком. Этот прибор устанавливается на приборную доску вашего авто. Вы, касаясь его монитора, задаете нужные параметры дороги, т.е. куда Вам нужно доехать и как Вы хотите это сделать.
GPS-навигатор — лучший штурман. Он ни чего не пьет, не жует и не бубнит. Он только держит карту, на которой отображено положение автомобиля и держит ее, всегда перед глазами. Время от времени вслух напоминая (установленным вами голосом): «Через 200 метро поверните налево», «Через 10 метров поверните на право», «Вы отклонись от маршрута!»
На картах местности, которые возможно загрузить в аппарат, Вы можете увидеть и окрестности района и найти через систему поиска нужную улицу или здание. Загрузка карт, происходит при помощи USB кабеля, через Bluetooth или записывается на Flash-карту. К слову, объем памяти данного экземпляра примерно 2 Гб.
В дополнение к своей основной функции, прибор может выполнять еще ряд задач. Хотите послушать музыку или радио? Нет вопросов, вот вам MP3 плеер и радиоприемник. Картинки посмотреть? Опять же. Даже с видео файлами не возникает проблем. При наличии у Вас Bluetooth гарнитуры, навигатор, сообщит куда ехать, только Вам и не будет раскрывать тайну всем пассажирам авто.
Питание от электросети автомобиля, делает продолжительность его работы едва не бесконечной.
А вот еще один замечательный навигатор «Magellan eXplorist 300». Уже не такой большой и мощный но, зато переносной. В карман, в сумку или на ремень и можно идти хоть на Кудыкину гору, если только знать ее координаты.
Чисто туристическая модель навигатора. Особенно удобен для речных, морских и дождливых походов т.к. оснащен водонепроницаемым корпусом. Экран у этого прибора не большой и не красивый, но 4-х цветов будет вполне достаточно для того, что бы понимать что к чему.
Двух элементов питания АА (пальчиковые батарейки) хватает на 18 часов беспрерывной работы. А т.к. приборы такого типа все равно не держат включенными постоянно, то комплект батареек можно растянуть и на трое суток. В отличие от автомобильного навигатора, этот не показывает картинок и кино, но зато обладает незаменимыми походными функциями измерения атмосферного давления и температуры. Весит данный прибор всего–ничего — 164 грамма.
А вот, посмотрите, Digma BM110 – то, что называется GPS-приемник. О нем в общем-то рассказывать нечего. При помощи Bluetooth или USB кабеля подключается к тому, что «умеет думать» т.е. к компьютеру или КПК с установленным на них соответствующим программным обеспечением. Габариты устройства Ширина 64х22х15 мм и вес 35 грамм.
Примерно так же, как Digma BM110 только без проводов и блютуза работают CF и SDIO модули внешне похожие на Flash-карты соответствующих форматов. Они устанавливаются в КПК или коммуникаторы в те же разъемы, что карты памяти.
«Garmin Edge 705» – это пример отличного, велосипедного GPS-навигатора. Как и автомобильный, он может рассчитать маршрут, показать его на карте местности и сигнализировать о том куда двигаться. Дисплейчик у него хоть и цветной, однако поменьше, всего 2.5”. Карту на таком, особенно во время движения, не рассмотришь. Однако, ездить с ним все же лучше чем без него. Весит этот аппаратик всего 105 грамм, а из интересных и актуальных примочек, имеет измеритель частоты пульса.
«Garmin GPSMAP 296» — вот это то, что без вопросов можно назвать серьезной и мужской моделью. Наверное, все по тому, что Garmin GPSMAP 296 относится к классу авиационных навигаторов, которые вообще отличает серьезность и мужественность. Этот аппарат будет и разговаривать с вами, и показывать направление, и ландшафт, и давление, и высоту, а кроме всего этого данный навигатор оснащен простейшим и надежнейшим магнитным компасом. Информацию можно загружать при помощи USB, CF или COM-порта. Навигаторы этой группы могут вести «Бортовой журнал» и запоминать маршруты следования, а вот режимов просмотра фильмов, картинок и прослушивания музыки здесь нет.
Вдогонку к мощному авиационному «GPSMAP 296», поставим не менее мощный морской «Seiwa Barramundi». Так же как и Авиа-Навигаторе, здесь нет возможности просмотра изображений и плеера. Но вот 10.4” цветной экран с разрешением 640х480 есть и он вызывает не малое уважение. Вот уж из чего, в самом деле, можно было делать телевизор. И если туристский, или велосипедный Навигаторы весят 100-150 грамм, а Авиа Навигатор около 600, то вес данной модели морского GPS-навигатора — 1 400 грамм.
Однако, пора отойти от морских глубин и вернуться на наши дроги, сменив четыре колеса на 2. «Tibo А4550» – это Навигатор, разработанный для установки на мотоцикл. И если морякам и летчикам слушать музыку и смотреть кино и клипы в пути нельзя, то мотоциклистам по дороге домой очень даже можно. Наверное, по этому «Tibo А4550» оснащении не только необходимыми для Навигатора свойствами но и «обучен» проигрыванию музыки и видео. Разумеется Флеш карты, Bluetooth и разъем для наушников. Аппарат умеет разговаривать и если у Вас нет наушников, то даже через шлем, будет орать Вам сакраментальную фразу : «Через 200 метров поверните налево!» 🙂 .
И последнее, о чем я хочу вам рассказать, это наручные GPS-навигаторы. Таке как «Garmin Forerunner 305». Внешне, эти навигаторы напоминают наручные часы со слегка необычными функциями и часто с необычной формы. Модель Garmin Forerunner 305 умеет измерять частоту пульса, рассчитывать маршрут, и произносить сакраментальную фразу. Знает, что такое USB и умет с ним работать. «Бортовой журнал» не ведет, точек не запоминает, но зато весит 70 грамм и работает от аккумулятора 10 часов. Хотите уйти в лес, чтоб ни кто не надоедал, а потом вернуться? Выбросьте мобильный, оденьте на руку навигатор и идите гулять в чащу, даже не оглядываясь. А может быть вы грибник? Вы нашли «грибное место» и обобрали его догола? Ну тогда, нажмите кнопочку. И идите домой, а через недельку (или после дождика) нажмите другую и стрелка выведет вас ровнехонько туда, где уже выросли новые грибы.
Самое главное о GPS-навигации: что такое GPS и зачем он нужен?
Система GPS точно определяет ваше местоположение. На основе этих данных навигационные программы могут прокладывать маршруты до места назначения.
Система AGPS определяет ваше местоположение с точностью до 500 метров – этого достаточно только для того, чтобы получить общее представление об окрестностях. Зато практически все AGPS-программы могут показать вам и карту местности, и снимок со спутника.
GPS-приемник подключается к ноутбуку, телефону, смартфону или КПК. Без дополнительного программного обеспечения ценность его сомнительна.
Автомобильный навигатор – самое популярное на сегодняшний день GPS-устройство.
Смартфоны со встроенным GPS-модулем отличаются меньшей навигационной функциональностью, но работать с ними порой даже удобнее. Только вот карту видно плохо.
Смартфоны без GPS-модуля, использующие сотовую навигацию, собственно навигационными устройствами не являются. Но, тем не менее, все равно смогут помочь вам сориентироваться на местности.
Система спутниковой навигации GPS – принцип, схема, применение
Спутниковая навигация GPS давно уже является стандартом для создания систем позиционирования и активно применяется в различных трекерах и навигаторах. В проектах Arduino GPS интегрируется с помощью различных модулей, не требующих знания теоретических основ. Но настоящему инженеру должно быть интересно разобраться со принципом и схемой работы GPS, чтобы лучше понимать возможности и ограничения этой технологии.
Схема работы GPS
GPS – это спутниковая навигационная система, разработанная Министерством обороны США, которая определяет точные координаты и время. Работает в любой точке Земли в любых погодных условиях. GPS состоит из трех частей – спутников, станций на Земле и приемников сигнала.
Идея создания спутниковой навигационной системы зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. Американская группа ученых, наблюдающая за запуском советских спутников, заметила, что при приближении спутника частота сигнала увеличивается и уменьшается при его отдалении. Это позволило понять, что возможно измерить положение и скорость спутника, зная свои координаты на Земле, и наоборот. Огромную роль в развитии навигационной системы сыграл запуск спутников на низкую околоземную орбиту. А в 1973 году была создана программа «DNSS» («NavStar»), по этой программе спутники запускались на среднюю околоземную орбиту. Название GPS программа получила в том же 1973 году.
Система GPS на данный момент используется не только в военной области, но и в гражданских целях. Сфер применения GPS много:
Тектоника плит – происходит слежение за колебаниями плит;
Определение сейсмической активности;
Спутниковое отслеживание транспорта – можно проводить мониторинг за положением, скоростью транспорта и контролировать их движение;
Геодезия – определение точных границ земельных участков;
Игры, геотегинт и прочие развлекательные области.
Важнейшим недостатком системы можно считать невозможность получения сигнала при определенных условиях. Рабочие частоты GPS лежат в дециметровом диапазоне волн. Это приводит к тому, что уровень сигнала может снизиться из-за высокой облачности, плотной листвы деревьев. Радиоисточники, глушилки, а в редких случаях даже магнитные бури также могут мешать нормальной передаче сигнала. Точность определения данных будет ухудшаться в приполярных районах, так как спутники невысоко поднимаются над Землей.
Навигация без GPS.
Основным конкурентом GPS является российская система ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система). Свою полноценную работу система начала с 2010 года, попытки активно использовать ее предпринимались с 1995 года. Существует несколько отличий между двумя системами:
Разные кодировки – американцы используют CDMA, для российской системы используется FDMA;
Разные габариты устройств – ГЛОНАСС использует более сложную модель, поэтому повышается энергопотребление и размеры устройств;
Расстановка и движение спутников на орбите – российская система обеспечивает более широкий охват территории и более точное определение координат и времени.
Срок службы спутников – американские спутники делаются более качественными, поэтому они служат дольше.
Помимо ГЛОНАСС и GPS существуют и другие менее популярные навигационные системы – европейский Galileo и китайский Beidou.
Принцип работы GPS
Работает система GPS следующим образом – приемник сигнала измеряет задержку распространения сигнала от спутника до приемника. Из полученного сигнала приемник получает данные о местонахождении спутника. Для определения расстояния от спутника до приемника задержка сигнала умножается на скорость света.
С точки зрения геометрии работу навигационной системы можно проиллюстрировать так: несколько сфер, в середине которых находятся спутники, пересекаются и в них находится пользователь. Радиус каждой из сфер соответственно равен расстоянию до этого видимого спутника. Сигналы от трех спутников позволяют получить данные о широте и долготе, четвертый спутник дает информацию о высоте объекта над поверхностью. Полученные значения можно свести в систему уравнений, из которых можно найти координату пользователя. Таким образом, для получения точного местоположения необходимо провести 4 измерения дальностей до спутника (если исключить неправдоподобные результаты, достаточно трех измерений).
Поправки в полученные уравнения вносит расхождение между расчетным и фактическим положением спутника. Погрешность, которая возникает в результате этого, называется эфемеридной и составляет от 1 до 5 метров. Также свой вклад вносят интерференция, атмосферное давление, влажность, температура, влияние ионосферы и атмосферы. Суммарно совокупность всех ошибок может довести погрешность до 100 метров. Некоторые ошибки можно устранить математически.
Чтобы уменьшить все погрешности, используют дифференциальный режим GPS. В нем приемник получает по радиоканалу все необходимые поправки к координатам от базовой станции. Итоговая точность измерения достигает 1-5 метров. При дифференциальном режиме существует 2 метода корректировки полученных данных – это коррекция самих координат и коррекция навигационных параметров. Первый метод использовать неудобно, так как все пользователи должны работать по одним и тем же спутникам. Во втором случае значительно увеличивается сложность самой аппаратуры для определения местоположения.
Существует новый класс систем, который увеличивает точность измерения до 1 см. Огромное влияние на точность оказывает угол между направлениями на спутники. При большом угле местоположение будет определяться с большей точностью.
Точность измерения может быть искусственно снижена Министерством обороны США. Для этого на устройствах навигации устанавливается специальный режим S/A – ограниченный доступ. Режим разработан в военных целях, чтобы не дать противнику преимущества в определении точных координат. С мая 2000 года режим ограниченного доступа был отменен.
Все источники ошибок можно разделить на несколько групп:
Погрешность в вычислении орбит;
Ошибки, связанные с приемником;
Ошибки, связанные с многократным отражением сигнала от препятствий;
Ионосфера, тропосферные задержки сигнала;
Геометрия расположения спутников.
В систему GPS входит 24 искусственных спутника Земли, сеть наземных станций слежения и навигационные приемники. Станции наблюдения требуются для определения и контроля параметров орбит, вычисления баллистических характеристик, регулировка отклонения от траекторий движения, контроль аппаратуры на бору космических аппаратов.
Характеристики навигационных систем GPS:
Количество спутников – 26, 21 основной, 5 запасных;
Количество орбитальных плоскостей – 6;
Высота орбиты – 20000 км;
Срок эксплуатации спутников – 7,5 лет;
Рабочие частоты – L1=1575,42 МГц; L2=12275,6МГц, мощность 50 Вт и 8 Вт соответственно;
Надежность навигационного определения – 95%.
Навигационные приемники бывают нескольких типов – портативные, стационарные и авиационные. Приемники также характеризуются рядом параметров:
Количество каналов – в современных приемников используется от 12 до 20 каналов;
Наличие картографической поддержки;
Различные технические характеристики – материалы, прочность, защита от влаги, чувствительность, объем памяти и другие.
Принцип действия самого навигатора – в первую очередь устройство пытается связаться с навигационным спутником. Как только связь будет установлена, происходит передача альманаха, то есть информации об орбитах спутников, находящихся в рамках одной навигационной системы. Связи с одним только спутником недостаточно для получения точного местоположения, поэтому оставшиеся спутники передают навигатору свои эфемериды, необходимые для определения отклонений, коэффициентов возмущения и других параметров.
Холодный, теплый и горячий старт GPS навигатора
Включив навигатор впервые или после долгого перерыва, начинается долгое ожидание для получения данных. Долгое время ожидания связано с тем, что в памяти навигатора отсутствуют либо устарели альманах и эфемериды, поэтому устройство должно выполнить ряд действий по получению или обновлению данных. Время ожидания, или так называемое время холодного старта, зависит от различных показателей – качество приемника, состояние атмосферы, шумы, количество спутников в зоне видимости.
Чтобы начать свою работу, навигатор должен:
Найти спутник и установить с ним связь;
Получить альманах и сохранить его в памяти;
Получить эфемериды от спутника и сохранить их;
Найти еще три спутника и установить с ними связь, получить от них эфемериды;
Вычислить координаты при помощи эфемерид и местоположения спутников.
Только пройдя весь этот цикл, устройство начнет работать. Такой запуск и называется холодным стартом.
Горячий старт значительно отличается от холодного. В памяти навигатора уже имеется актуальный на данный момент альманах и эфемериды. Данные для альманаха действительны в течение 30 дней, эфемерид – в течение 30 минут. Из этого следует, что устройство выключалось на непродолжительное время. При горячем старте алгоритм будет проще – устройство устанавливает связь со спутником, при необходимости обновляет эфемериды и вычисляет местоположение.
Существует теплый старт – в этом случае альманах является актуальным, а эфемериды нужно обновить. Времени на это затрачивается немного больше, чем на горячий старт, но значительно меньше, чем на холодный.
Ограничения на покупку и использование самодельных модулей GPS
Российское законодательство требует от производителей уменьшать точность определения приемников. Работать с незагрубленной точностью может производиться только при наличии у пользователя специализированной лицензии.
Под запретом в Российской Федерации находятся специальные технические средства, предназначенные для негласного получения информации (СТС НПИ). К таковым относятся GPS трекеры, которые используются для негласного контроля над перемещением транспорта и прочих объектов. Основной признак незаконного технического средства – его скрытность. Поэтому перед приобретением устройства нужно внимательно изучить его характеристики, внешний вид, на наличие скрытых функций, а также просмотреть необходимые сертификаты соответствия.
Также важно, в каком виде продается устройство. В разобранном виде прибор может не относиться к СТС НПИ. Но при сборе готовое устройство уже может относиться к запрещенным.
Что такое GPS-система и как она работает
Мы уже привыкли, что найти дорогу до любой точки города можно буквально за пару секунд: открываешь на телефоне карты и вбиваешь адрес или название пункта назначения. Навигатор сразу просчитывает время в пути и даже предлагает несколько вариантов: дойти пешком, доехать на машине или общественном транспорте. Но как программа вычисляет ваше местоположение, да еще и с такой феноменальной точностью? Все благодаря спутниковой системе GPS. В этом материале расскажем, как работает gps, разберем принцип работы gps и ответим на другие вопросы, связанные с технологией gps.
Содержание
- Какие еще есть технологии
- Какие недостатки у системы GPS
Что такое GPS
GPS — это сокращение от аббревиатуры Global Positioning System — система глобального позиционирования. Она нужна для удобства навигации: чтобы, выйдя из метро, вы смогли дойти до ближайшего магазина или аптеки, а следуя на машине в незнакомом городе, не были привязаны к огромной бумажной карте с необходимостью чертить себе маршрут карандашом на бумаге. Эти примеры уместны в повседневно-бытовом плане, но GPS также активно используется в логистике (как морской, так и на суше) и других сферах бизнеса.
История возникновения GPS
Как и многие другие достижения человеческого гения, система gps изначально разрабатывалась исключительно для военных целей. После запуска Советским Союзом первого искусственного спутника Земли «Спутник-1» в 1957 году американские ученые обратили внимание, что частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении.
Запуск первого искусственного спутника Земли. Источник: Роскосмос
Благодаря этому наблюдению исследователям стало понятно, что при знании своих точных координат на Земле можно измерить положение и скорость спутника, что также работает и в обратную сторону: точно зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты.
Практическое применение эти знания начали обретать только через 10 лет, в 1967 году. Тогда вооруженные силы США запустили на низкую околоземную орбиту собственные военные спутники, эта космическая программа получила название Timation. Далее концепция подверглась серии ребрендингов — система спутников переименовывалась в DNS, позже в NavSTaR, а современное название GPS получила только в 1973 году.
Космический корабль TIMATION-1 на пусковой установке. Источник: NRL
За последующие два десятилетия на орбиту было выведено 24 спутника, последний встал на вооружение в 1993 году. С этого момента стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле.
О гражданском применении GPS речи тогда даже не шло, так как бизнес-сектор не видел потенциала для заработка на этой технологии. Использование GPS до сих пор является бесплатным.
Как работает система GPS
Для того чтобы понять, как устроена работа GPS, надо разобраться, из чего состоит GPS-система.
GPS включает три главные составляющие: космическую, управляющую и пользовательскую.
Для функционирования всей системы в космосе должны находиться минимум 24 спутника. На данный момент их больше 30, и США с различной регулярностью выводят на орбиту новые модули.
Вычисление координат и определение местоположения происходит следующим образом. Пользовательское устройство подсчитывает, сколько gps сигнал идет от спутника до него, приемника. В этом сигнале также содержится массив данных, среди которых — координаты спутника в космосе.
Получить данные о широте и долготе позволяют сигналы сразу от трех спутников. Устройство-приемник проводит вычисления с помощью геометрических формул и находит координаты пользователя с погрешностью 1–5 метров. А если нужно вычислить еще и высоту над поверхностью Земли, достаточно получить сигнал с четвертого спутника.
Управляющий сегмент — это станции обслуживания, расположенные преимущественно в тропических регионах Земли. К ним также можно отнести наземные антенны и станции мониторинга. Они нужны для того, чтобы избежать сбоев программного обеспечения спутников и по мере необходимости вносить коррективы в их прошивки.
Для чего используется и зачем нужен GPS
Для чего нужен GPS? На первый взгляд может показаться, что на этот вопрос без труда ответит даже школьник без интернета. Но на самом деле тема не такая простая (но довольно интересная).
Нетривиальных способов использования технологии предостаточно. Различаются они в первую очередь в зависимости от того, на каком устройстве используется GPS. Разберем на конкретных примерах. Но для начала разрушим один из мифов, созданных преимущественно голливудскими блокбастерами о том, что «любого человека можно найти через GPS». Это действительно очень эффектно выглядит в кино, когда очередной подражатель Джеймса Бонда на своем лэптопе увеличивает изображение со спутника, чтобы рассмотреть пароль от сейфа, напечатанный на карточке, лежащей в кармашке злодея.
В действительности все несколько иначе. Конечно же, спецслужбы различных стран могут использовать в оперативных целях в качестве вспомогательных методов современные технологические достижения, но чаще им хватает других, более традиционных способов. GPS для этих целей подойдет далеко не всегда: разыскиваемому человеку достаточно спуститься в подземку, чтобы избавиться от такого рода преследования.
Виды GPS-устройств
GPS-модули сегодня есть во всех, даже самых ультрабюджетных моделях смартфонов. И их вполне хватает для того, чтобы не заблудиться в незнакомой местности, найти нужный адрес или добраться на машине в другой город. Но есть и более узкоспециализированные устройства, которые заточены под определенные цели и задачи. О них и пойдет речь далее.
Навигаторы
Это самый популярный класс устройств, использующий GPS. Приложения для навигации также есть и в смартфонах, но в них задействована технология A-GPS (англ. Assisted GPS), работа которой показывает лучший результат при постоянном соединении с интернетом. Автомобильные навигаторы чаще не нуждаются в дополнительном подключении ко всемирной паутине, поэтому больше подходят дальнобойщикам или водителям, которые чаще передвигаются по трассам без покрытия мобильных сетей.
Ранее мы рассказывали:
Топ-12 лучших навигаторов для пешеходов
Трекеры
Устройства для отслеживания чего-либо или кого-либо в пространстве. Как правило, в самом минималистичном исполнении у трекеров отсутствует дисплей и какие-либо органы управления. По беспроводному соединению GPS трекер коннектится к приложению на смартфоне или компьютеру, после чего можно получить с него данные о перемещении или актуальном местоположении.
Трекер может быть установлен в детские часы, чтобы вы всегда были в курсе, где в данный момент времени находится ваше чадо. Есть аналогичные трекеры, которые устанавливаются в ошейники домашних питомцев, чтобы, например, знать, где сама по себе гуляет ваша кошка, ушедшая с дачного участка.
Особенно полезную службу GPS трекеры сослужат заядлым путешественникам. Если авиакомпания потеряет ваш багаж, внутри которого находился трекер, вам легче будет предоставить данные о его местоположении, и вы быстрее его разыщите.
Используются трекеры и правоохранительными органами. При избрании меры пресечения в виде домашнего ареста подозреваемым на ногу надевается специальный браслет, который фиксирует попытки покинуть помещение, а в случае побега — указывает местоположение злоумышленника.
GPS-приемники
К GPS-приемникам относится уже профессиональное оборудование. От обычных навигаторов и трекеров оно отличается повышенной точностью определения местоположения — они изготовляются из более качественных компонентов. Особенно это касается принимающих антенн, из-за чего, соответственно, и стоимость их значительно отличается в большую сторону относительно бытовых устройств. GPS-приемники используются для проведения геодезических работ при составлении карт местности, а также в военных целях.
Картплоттеры-эхолоты
Для современных моряков и рыбаков картплоттер-эхолот — это обязательный гаджет. Основная фишка — в сочетании доступной картографии надводной и подводной местности. Наиболее продвинутые модели обладают множеством техник эхолокации и имеют инструменты для создания собственных карт, на которых можно отмечать для себя наиболее рыбные места. Девайс будет полезен как в открытом море, так и в походе по реке.
Какие еще есть технологии
Учитывая, что GPS — технология исключительно американская и контролируемая Министерством обороны США, трудно представить, что другие страны, имея свои космические программы, сидели бы сложа руки и не пытались запустить аналогичные по функциям и назначению системы. Вот какие альтернативы технологии GPS существуют в настоящее время.
Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС)
Также изначально разрабатывалась исключительно для военных целей. Российская ГЛОНАСС запущена в 1982 году, в настоящее время предоставляет навигационные услуги на безвозмездной основе и без ограничений. В гражданском применении с отечественной навигационной системой взаимодействуют устройства, работающие на чипсетах от следующих производителей: Mediatek, Qualcomm, Apple, Samsung и HiSilicon.
«Бэйдоу» (BeiDou)
Китайская глобальная спутниковая система навигации. Ее разработка стартовала в 1994 году, первая версия системы получила название «Бэйдоу-1», затем функционировала промежуточная система «Бэйдоу-2», после чего в 2020 году полномасштабно развернулась версия «Бэйдоу-3», которая функционирует и сейчас. В настоящее время производители техники в Поднебесной переживают небывалый подъем, поэтому практически каждый новый выпускаемый смартфон или другой носимый гаджет совместим с системой «Бэйдоу» для навигации и определения местоположения.
«Галилео» (Galileo)
Плод совместных усилий Европейского союза и Европейского космического агентства. Система разработана в первую очередь для решения геодезических и навигационных задач. Она наиболее молодая из представленных — запуск первого спутника состоялся в 2011 году, а ее стоимость оценивается в 4,9 млрд евро.
В отличие от GPS и ГЛОНАСС, «Галилео» изначально разрабатывалась как система для точной навигации для применения в гражданской сфере. Так, например, в протоколах «Галилео» предусмотрена «Коммерческая служба» предоставления доступа к спутникам — с ее помощью на совместимые устройства посылается специальный кодированный сигнал, позволяющий обеспечить повышенную точность позиционирования. Дополнительная опция, соответственно, предоставляется заинтересованным юзерам за отдельную плату.
Ранее мы рассказывали:
Как доказать свою правоту на дороге? Топ-12 лучших видеорегистраторов в 2022 году
Какие недостатки у системы GPS
Исходя из вышеописанного, один из самых явных недостатков — контроль за GPS лишь одной организацией, то есть Министерством обороны США. Сценарий, в котором спутники GPS перестанут быть доступными для жителей одной конкретной страны, трудноосуществим: для реализации такой задумки также понадобится потратить определенное количество ресурсов и человеческих усилий. Но все же такая вероятность не равна нулю. Примеров в наше время хватает, когда невидимая рука отключает, как рубильником, технологические решения, казалось бы, такие обыденные и плотно вошедшие в повседневную жизнь.
При этом сама технология GPS не лишена и других, чисто технических недостатков. Например, на качество передаваемого сигнала негативно влияют погодные условия и электромагнитные помехи.
Также и в городской обстановке — за высотными зданиями, в туннелях — GPS-сигнал может проходить с помехами, в связи с чем местоположение будет определяться с сильной погрешностью. Аналогичная ситуация возможна и в гористой местности или, наоборот, в ущельях или долинах.
Хотите стать автором «Эльдоблога»? Тогда присылайте нам свои обзоры и видео техники и получайте до 1000 бонусов на новые покупки!