1. Трішки історії. Як нерідко буває з високотехнологічними проектами, ініціаторами розробки і реалізації...
2. Загальні принципи визначення координат за допомогою GPS.
3. Короткі суб'єктивні нотатки користувача GPS.
4. Висновок.

Трішки історії.

Як нерідко буває з високотехнологічними проектами, ініціаторами розробки і реалізації системи GPS (Global Positioning System - система глобального позиціонування) стали військові. Проект супутникової мережі для визначення координат в режимі реального часу в будь-якій точці земної кулі був названий Navstar (Navigation system with timing and ranging - навігаційна система визначення часу і дальності), тоді як абревіатура GPS з'явилася пізніше, коли система стала використовуватися не тільки в оборонних, але і в цивільних цілях.

Перші кроки по розгортанню навігаційної мережі були зроблені в середині сімдесятих, комерційна ж експлуатація системи в сьогоднішньому вигляді почалася з 1995 року. На даний момент в роботі знаходяться 28 супутників, рівномірно розподілених по орбітах з висотою 20350 км (для повнофункціональної роботи досить 24 супутників).

Кілька забігаючи вперед, скажу, що воістину ключовим моментом в історії GPS стало рішення президента США про скасування з 1 травня 2000 року режиму так званого селективного доступу (SA - selective availability) - похибки, штучно вноситься в супутникові сигнали для неточної роботи цивільних GPS-приймачів . З цього моменту аматорський термінал може визначати координати з точністю в кілька метрів (раніше похибка становила десятки метрів)! На рис.1 представлені помилки в навігації до і після відключення режиму селективного доступу (дані US Space Command ). Рис1.

Спробуємо розібратися в загальних рисах, як влаштована система глобального позиціонування, а потім торкнемося ряду користувальницьких аспектів. Розгляд же почнемо з принципу визначення дальності, що лежить в основі роботи космічної навігаційної системи.

Алгоритм вимірювання відстані від точки спостереження до супутника.

Дальнометрія заснована на обчисленні відстані з тимчасової затримки поширення радіосигналу від супутника до приймача. Якщо знати час поширення радіосигналу, то пройдений їм шлях легко обчислити, просто помноживши час на швидкість світла.

Кожен супутник системи GPS безперервно генерує радіохвилі двох частот - L1 = 1575.42МГц і L2 = 1227.60МГц. Потужність передавача становить 50 і 8 Ватт відповідно. Навігаційний сигнал являє собою фазовоманіпулірованний псевдовипадковий код PRN (Pseudo Random Number code). PRN буває двох типів: перший, C / A-код (Coarse Acquisition code - грубий код) використовується в цивільних приймачах, другий Р-код (Precision code - точний код), використовується у військових цілях, а також, іноді, для вирішення завдань геодезії і картографії. Частота L1 модулюється як С / А, так і Р-кодом, частота L2 існує тільки для передачі Р-коду. Крім описаних, існує ще і Y-код, який представляє собою зашифрований Р-код (у воєнний час система шифровки може змінюватися).

Період повторення коду досить великий (наприклад, для P-коду він дорівнює 267 дням). Кожен GPS-приймач має власний генератор, що працює на тій же частоті і модулюючий сигнал за тим же законом, що і генератор супутника. Таким чином, за часом затримки між однаковими ділянками коду, прийнятого з супутника і згенерованого самостійно, можна обчислити час поширення сигналу, а, отже, і відстань до супутника.

Однією з основних технічних складнощів описаного вище методу є синхронізація годин на супутнику і в приймачі. Навіть мізерна за звичайними мірками похибка може привести до величезної помилки у визначенні відстані. Кожен супутник несе на борту високоточні атомні годинники. Зрозуміло, що встановлювати подібну штуку в кожен приймач неможливо. Тому для корекції помилок у визначенні координат через похибки вбудованих в приймач годин використовується деяка надмірність в даних, необхідних для однозначної прив'язки до місцевості (детальніше про це трохи пізніше).

Крім самих навігаційних сигналів, супутник безперервно передає різного роду службову інформацію. Приймач отримує, наприклад, ефемериди (точні дані про орбіти супутника), прогноз затримки поширення радіосигналу в іоносфері (так як швидкість світла змінюється при проходженні різних шарів атмосфери), а також відомості про працездатність супутника (так званих "альманах", що містить оновлювані кожні 12.5 хвилин відомості про стан і орбітах всіх супутників). Ці дані передаються зі швидкістю 50 біт / с на частотах L1 або L2.

Загальні принципи визначення координат за допомогою GPS.

Основою ідеї визначення координат GPS-приймача є обчислення відстані від нього до декількох супутників, розташування яких вважається відомим (ці дані містяться в прийнятому з супутника альманасі). У геодезії метод обчислення положення об'єкта по вимірюванню його віддаленості від точок з заданими координатами називається трілатераціі. Рис2.

Якщо відома відстань А до одного супутника, то координати приймача визначити не можна (він може знаходиться в будь-якій точці сфери радіусом А, описаної навколо супутника). Нехай відома віддаленість У приймача від другого супутника. У цьому випадку визначення координат також не представляється можливим - об'єкт знаходиться десь на колі (вона показана синім кольором на рис.2), яка є перетином двох сфер. Відстань С до третього супутника скорочує невизначеність в координатах до двох точок (позначені двома жирними синіми крапками на рис.2). Цього вже достатньо для однозначного визначення координат - справа в тому, що з двох можливих точок розташування приймача лише одна знаходиться на поверхні Землі (або в безпосередній близькості від неї), а друга, помилкова, виявляється або глибоко всередині Землі, або дуже високо над її поверхнею. Таким чином, теоретично для тривимірної навігації досить знати відстані від приймача до трьох супутників.

Однак в житті все не так просто. Наведені вище міркування були зроблені для випадку, коли відстані від точки спостереження до супутників відомі з абсолютною точністю. Зрозуміло, як би не вправлялися інженери, деяка похибка завжди має місце (хоча б за вказаною в попередньому розділі неточною синхронізації годин приймача і супутника, залежно швидкості світла від стану атмосфери і т.п.). Тому для визначення тривимірних координат приймача залучаються не три, а мінімум чотири супутники.

Отримавши сигнал від чотирьох (або більше) супутників, приймач шукає точку перетину відповідних сфер. Якщо такої точки немає, процесор приймача починає методом послідовних наближень коригувати свій годинник до тих пір, поки не доб'ється перетину всіх сфер в одній точці.

Слід зазначити, що точність визначення координат пов'язана не тільки з прецизійним розрахунком відстані від приймача до супутників, а й з величиною похибки завдання розташування самих супутників. Для контролю орбіт і координат супутників існують чотири наземних станції стеження, системи зв'язку і центр управління, підконтрольні Міністерству Оборони США. Станції спостереження постійно ведуть спостереження за всіма супутниками системи і передають дані про їх орбітах в центр управління, де обчислюються уточнені елементи траєкторій і поправки супутникових годин. Зазначені параметри вносяться в альманах і передаються на супутники, а ті, в свою чергу, відсилають цю інформацію всім працюючим приймачів.

Крім перерахованих, існує ще маса спеціальних систем, що збільшують точність навігації, - наприклад, особливі схеми обробки сигналу знижують помилки від інтерференції (взаємодії прямого супутникового сигналу з відбитим, наприклад, від будівель). Ми не будемо заглиблюватися в особливості функціонування цих пристроїв, щоб надмірно не ускладнювати текст.

Після скасування описаного вище режиму селективного доступу цивільні приймачі "прив'язуються до місцевості" з похибкою 3-5 метрів (висота визначається з точністю близько 10 метрів). Наведені цифри відповідають одночасного прийому сигналу з 6-8 супутників (більшість сучасних апаратів мають 12-канальний приймач, що дозволяє одночасно обробляти інформацію від 12 супутників).

Якісно зменшити помилку (до декількох сантиметрів) у вимірі координат дозволяє режим так званої диференціальної корекції (DGPS - Differential GPS). Диференціальний режим полягає у використанні двох приймачів - один нерухомо знаходиться в точці з відомими координатами і називається "базовим", а другий, як і раніше, є мобільним. Дані, отримані базовим приймачем, використовуються для корекції інформації, зібраної пересувним апаратом. Коригування можна виконувати як в режимі реального часу, так і при "оффлайновой" обробці даних, наприклад, на комп'ютері.

Зазвичай в якості базового використовується професійний приймач, що належить будь-якої компанії, що спеціалізується на наданні послуг навігації або займається геодезією. Наприклад, в лютому 1998 року недалеко від Санкт-Петербурга компанія "НавГеоКом" встановила першу в Росії наземну станцію диференціального GPS. Потужність передавача станції - 100 Ватт (частота 298,5 кГц), що дозволяє користуватися DGPS при видаленні від станції на відстані до 300 км по морю і до 150 км по суші. Крім наземних базових приймачів, для диференціальної корекції GPS-даних можна використовувати супутникову систему диференціального сервісу компанії OmniStar. Дані для корекції передаються з декількох геостаціонарних супутників компанії.

Слід зауважити, що основними замовниками диференціальної корекції є геодезичні та топографічні служби - для приватного користувача DGPS не представляє інтересу через високу вартість (пакет послуг OmniStar на території Європи коштує понад 1500 доларів на рік) і громіздкість устаткування. Та й навряд чи в повсякденному житті виникають ситуації, коли треба знати свої абсолютні географічні координати з похибкою 10-30 см.

На закінчення частини, що оповідає про "теоретичних" аспектах функціонування GPS, скажу, що Росія і в разі з космічної навігацією пішла своїм шляхом і розвиває власну систему ГЛОНАСС (Глобальна Навігаційна Супутникова Система). Але через відсутність належних інвестицій в даний час на орбіті знаходяться лише сім супутників з двадцяти чотирьох, необхідних для нормального функціонування системи ...

Короткі суб'єктивні нотатки користувача GPS.

Так вже вийшло, що про можливість визначати своє місце розташування за допомогою переносного приборчика розмірами з стільниковий телефон я дізнався році в дев'яносто сьомому з якогось журналу. Однак чудові перспективи, намальовані авторами статті, були безжально розбиті заявленої в тексті ціною навігаційного апарату - майже 400 доларів!

Років через півтора (в серпні 1998) доля занесла мене в маленький спортивний магазинчик в американському місті Бостон. Якого ж було моє здивування і радість, коли на одній з вітрин я випадково помітив кілька різних навігаторів, найдорожчий з яких коштував 250 доларів (простенькі ж моделі пропонувалися за $ 99). Звичайно, піти з магазину без приладу я вже не міг, тому почав катувати продавців про характеристики, переваги та недоліки кожної моделі. Нічого зрозумілого від них я не почув (і аж ніяк не через те, що погано знаю англійську), так що довелося розбиратися в усьому самому. І в результаті, як це нерідко буває, була придбана сама просунута і дорога модель - Garmin GPS II +, а також спеціальний чохол до неї і шнур для живлення від гнізда прикурювача автомобіля. У магазині було ще два аксесуари для тепер уже мого апарату - пристрій для кріплення навігатора на велосипедному кермі і шнур для з'єднання з РС. Останній я довго крутив у руках, але, врешті-решт, все ж вирішив не купувати через чималої ціни (трохи більше 30 доларів). Як потім виявилося, шнур я не купив зовсім правильно, бо все взаємодія приладу з комп'ютером зводиться до "Сливка" в ЕОМ пройденого маршруту (а також, думаю, координат в режимі реального часу, але щодо цього є певні сумніви), та й то при умови покупки софта від Garmin. Можливість завантажувати в прилад карти, на жаль, відсутня.

Давати докладний опис свого приладу я не буду хоча б тому, що він вже знятий з виробництва (бажаючі ознайомитися з докладною технічною характеристикою можуть зробити це тут ). Зауважу лише, що вага навігатора - 255 гр., Розміри - 59х127х41 мм. Завдяки своєму трикутному перетину апарат виключно стійко розташовується на столі або панелі приладів автомобіля (для більш міцної фіксації в комплект входить липучка Velcro). Харчування здійснюється від чотирьох пальчикових батарейок АА (їх вистачає лише на 24 години безперервної роботи) або зовнішнього джерела. Спробую розповісти про основні можливості мого приладу, які, думаю, має переважна більшість присутніх на ринку навігаторів.

З першого погляду GPS II + можна прийняти за мобільний телефон, випущений пару років назад. Лише тільки придивившись, помічаєш незвично товсту антену, величезний дисплей (56х38 мм!) І мале, по телефонних мірками, кількість клавіш.

При включенні приладу починається процес збору інформації з супутників, а на екрані з'являється простенька мультиплікація (обертається земна куля). Після початкової ініціалізації (яка у відкритому місці займає пару хвилин) на дисплеї виникає примітивна карта неба з номерами видимих ​​супутників, а поруч - гістограма, яка свідчить про рівень сигналу від кожного супутника. Крім того, вказується похибка навігації (в метрах) - чим більше супутників бачить прилад, тим, зрозуміло, точніше буде визначення координат.

Інтерфейс GPS II + побудований за принципом "перегортати" сторінок (для цього навіть є спеціальна кнопка PAGE). Вище була описана "сторінка супутників", а крім неї, є "сторінка навігації", "карта", "сторінка повернення", "сторінка меню" і ряд інших. Слід зауважити, що описуваний апарат не русифікований, проте навіть з поганим знанням англійської можна зрозуміти його роботу.

На сторінці навігації відображаються: абсолютні географічні координати, пройдений шлях, миттєва і середня швидкість руху, висота над рівнем моря, час руху і, в верхній частині екрану, електронний компас. Треба сказати, що висота визначається з набагато більшою похибкою, ніж дві горизонтальні координати (на цей рахунок є навіть спеціальна ремарка в керівництві користувача), що не дозволяє використовувати GPS, наприклад, для визначення висоти парапланеристів. Зате миттєва швидкість обчислюється виключно точно (особливо для об'єктів, що рухаються), що дає можливість використовувати прилад для визначення швидкості снігоходів (спідометри яких мають звичай значно брехати). Можу дати "шкідливий рада" - взявши напрокат автомобіль, вимкніть його спідометр (щоб він нарахував поменше кілометрів - адже оплата часто пропорційна пробігу), а швидкість і пройдену відстань визначайте по GPS (благо він може вести вимірювання як в милях, так і в кілометрах ).

Середня швидкість руху визначається по кілька дивним алгоритмом - час простою (коли миттєва швидкість дорівнює нулю) в обчисленнях не враховується (більш логічно, на мій погляд, було б просто ділити пройдену відстань на загальний час поїздки, але творці GPS II + керувалися якимось іншими міркуваннями).

Пройдений шлях відображається на "карті" (пам'яті апарату вистачає кілометрів на 800 - при більшому пробігу автоматично стираються найстаріші мітки), так що при бажанні можна подивитися схему своїх блукань. Масштаб карти змінюється від десятків метрів до сотень кілометрів, що, безсумнівно, виключно зручно. Саме ж чудове полягає в тому, що в пам'яті приладу є координати основних населених пункти усього світу! США, звичайно, представлено більш детально (наприклад, всі райони Бостона присутні на карті з назвами), ніж Росія (тут вказано розташування лише таких міст як Москва, Твер, Подольск і т.п.). Уявіть, наприклад, що Ви прямуєте з Москви до Бреста. Знаходьте в пам'яті навігатора "Брест", тиснете спеціальну кнопку "GO TO", і на екрані з'являється локальне напрямок Вашого руху; глобальне напрямок на Брест; кількість кілометрів (по прямій, зрозуміло), що залишився до точки призначення; середня швидкість і розрахунковий час прибуття. І так в будь-якій точці світу - хоч в Чехії, хоч в Австралії, хоч в Таїланді ...

Чи не Менш корисний є так кличуть входити функція повернення. Пам'ять апарату дозволяє запісуваті до 500 ключовими точок (waypoints). Шкірні точку користувач может назіваті на свой розсуд (например, DOM, DACHA и т.п.), такоже передбачені Різні піктрограммкі для відображення информации на дисплеї. Включивши функцію повернення до точки (будь-який з заздалегідь записаних), власник навігатора отримує ті ж можливості, що і в описаному вище випадку з Брестом (тобто відстань до точки, розрахунковий час прибуття і все інше). У мене, наприклад, був такий випадок. Приїхавши в Прагу на автомобілі і влаштувавшись в готелі, ми з приятелем вирушили в центр міста. Залишивши машину на стоянці, пішли побродити. Після безцільної тригодинної прогулянки і вечері в ресторані ми зрозуміли, що зовсім не пам'ятаємо, де залишили машину. На вулиці ніч, ми - на одній з маленьких вуличок незнайомого міста ... На щастя, перш ніж покинути автомобіль, я записав його місце розташування в навігатор. Тепер же, натиснувши пару кнопок на апараті, я дізнався, що машина стоїть в 500 метрах від нас і через 15 хвилин ми вже слухали тиху музику, прямуючи на автомобілі в готель.

Крім руху до записаної мітці по прямій, що не завжди зручно в умовах міста, Garmin пропонує функцію TrackBack - повернення своїм шляхом. Грубо кажучи, крива руху апроксимується рядом прямолінійних ділянок, а в точках зламу ставляться позначки. На кожному прямолінійній ділянці навігатор веде користувача до найближчої мітці, по досягненні ж її здійснюється автоматичне перемикання на наступну позначку. Виключно зручна функція при їзді на автомобілі по незнайомій місцевості (сигнал із супутників крізь будівлі, звичайно, не проходить, тому, щоб отримати дані про своїх координатах в умовах щільної забудови, доводиться шукати більш-менш відкрите місце).

Я не буду далі заглиблюватися в опис можливостей приладу - повірте, що крім описаних, у ньому є ще маса приємних і потрібних примочок. Одна зміна орієнтації дисплея чого варто - можна використовувати апарат як в горизонтальному (автомобільному), так і у вертикальному (пішохідному) положенні (див. Рис.3).

Однією з основних же принад GPS для користувача я вважаю відсутність будь-якої плати за користування системою. Купив один раз прилад - і насолоджуйся!

Висновок.

Я думаю, немає потреби перераховувати області застосування розглянутої системи глобального позиціонування. GPS-приймачі вбудовують в автомобілі, стільнікові телефони і навіть наручний годинник! Нещодавно я зустрів повідомлення про розробку чіпа, який поєднує в собі мініатюрний GPS-приймач і модуль GSM - пристроями на його базі пропонується оснащувати собачі нашийники, щоб господар міг без зусиль виявити загубився пса за допомогою мережі.

Але в будь-якій бочці меду є ложка дьогтю. В даному випадку в ролі останнього виступають російські закони. Я не буду детально розмірковувати про юридичні аспекти використання GPS-навігаторів в Росії (дещо про це можна знайти тут ), Зауважу лише, що теоретично високоточні навігаційні прилади (якими, без сумніву є навіть аматорські GPS-приймачі) у нас заборонені, а їх власників чекає конфіскація апарату і чималий штраф.

На щастя для користувачів, в Росії суворість законів компенсується необов'язковістю їх виконання - наприклад, по Москві роз'їжджає величезна кількість лімузинів з шайбою-антеною GPS-приймачів на кришці багажника. Все більш-менш серйозні морські судна обладнані GPS (і вже виросло ціле покоління яхтсменів, насилу орієнтуються в просторі по компасу і іншим традиційним засобам навігації). Сподіваюся, влада не буде вставляти палки в колеса технічному прогресу і найближчим часом легалізують користування GPS-приймачами в нашій країні (скасували ж дозволу на стільникові телефони), а також дадуть добро на розсекречення та тиражування докладних карт місцевості, необхідних для повноцінного використання автомобільних навігаційних систем.