GPS: принцип работы, какие есть альтернативы

GPS

МОСКВА, 27 дек — РИА Новости. Технология глобального позиционирования благодаря своему удобству прочно вошла в жизнь практически каждого человека. GPS — что это такое, как и по какому принципу работает GPS-сигнал, а также суть и история создания спутниковой навигации и сферы ее применения, — в материале РИА Новости.

GPS

GPS (Global Positioning System — система глобального позиционирования) — спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение во всемирной системе координат WGS 84.

«Если говорить просто и прямо, то это система спутниковой навигации, которая обеспечивает определение местоположения объекта на поверхности Земли», — отмечает Кирилл Ситнов, эксперт по компьютерным сетям, преподаватель в Московской школе программистов (МШП).

Описание системы

— GPS позволяет почти при любой погоде определять местоположение в любом месте Земли (исключая приполярные области) и околоземного космического пространства. Система разработана, реализована и эксплуатируется министерством обороны США, при этом в настоящее время доступна для использования в гражданских целях — нужен только навигатор или другой прибор (смартфон) с GPS-приёмником, — объясняет Андрей Макаров, профессор кафедры эксплуатации и управления аэрокосмическими системами ГУАП, доктор технических наук.

История системы

По словам Андрея Макарова, важной вехой на пути к созданию межвидовой спутниковой навигационной системы вооружённых сил США стал запуск спутников по программе Timation на низкую околоземную орбиту. Работы по программе Timation были начаты в Центральной военно-морской лаборатории в 1964 году. Инициатором программы выступил флот для собственных нужд, и на том этапе о создании единой системы для всех видов вооруженных сил речи не шло. В 1973 году была инициирована программа «DNSS», позже переименованная в «NavSTaR» (Navigation Satellite Timing and Ranging — Время и дальность действия навигационного спутника). Спутники по программе NavStar выводились значительно выше, на среднюю околоземную орбиту. Современное название «GPS» программа получила в декабре 1973 года.

Характеристики системы

На околоземных орбитах находятся спутники, которые постоянно передают сигналы привязки, таких аппаратов не менее 24, но обычно больше, причем некоторые находятся в резерве. По мере необходимости они заменяются новыми, срок службы оборудования не менее 10 лет. Каждый спутник весит около тонны и имеет размах солнечных батарей порядка 5 метров. Спутники вращаются по 6 орбитам на высоте 18 тыс. км, период обращения вокруг земли — 12 часов. Управление происходит через наземные станции слежения. Местоположение спутника вычисляется при помощи измерения задержки прохождения радиосигналов от нескольких спутников, сигнал каждого из них содержит:

—псевдослучайный код (для идентификации конкретного спутника);
—эфемериды (координаты его в околоземном пространстве);
—альманах (сведения о том, где находятся спутники и в каком состоянии).

GPS Глонасс

Теоретически для определения местонахождения какого либо объекта необходим сигнал не менее 4 спутников, но чем их больше, тем точнее координаты. На сегодняшний день GPS широко используется во всем мире из-за своей стабильности, но ведутся активные разработки альтернативных систем навигации.

Сегменты GPS

По словам Андрея Макарова, GPS состоит из трех основных сегментов: космического, управляющего (контрольного) и пользовательского.

Спутники GPS транслируют сигнал из космоса, все приёмники GPS используют этот сигнал для вычисления своего положения в пространстве по трем координатам в режиме реального времени.

Космический сегмент

Космический сегмент состоит из 32 спутников, вращающихся на средней орбите Земли.

Контрольный сегмент

Управляющий (контрольный) сегмент представляет собой главную управляющую станцию и несколько дополнительных станций, а также наземные антенны и станции мониторинга, ресурсы некоторых из упомянутых являются общими с другими проектами.

GPS-трекер

Пользовательский сегмент

Пользовательский сегмент представлен приемниками GPS, находящимися в ведении государственных институтов, и сотнями миллионов приемных устройств, владельцами которых являются обычные пользователи.

Принцип работы GPS

По словам Кирилла Ситнова, принцип работы системы можно описать в несколько шагов:

1Система спутниковой навигации насчитывает 24 устройства, которые равноудалены друг от друга и покрывают всю поверхность Земного шара.
2Сами спутники постоянно подают сигналы своего местоположения в сторону Земли, а настроенный на их стандарт приемник ловит четыре ближайших спутника и пытается сориентироваться относительно них.
3Устройство производит перерасчеты, учитывая время, необходимое на отправку данных, скорость света и т.д.

Определение местоположения и времени

Местоопределение вычисляется по расстояниям до спутников. Теоретически достаточно данных от 4 спутников, чтобы определить месторасположение объекта.

Свет движется со скоростью около 300 000 км/с, если происходит рассинхронизация спутника и приемника уже на 0,01 с, измерение расстояния будет произведено с ошибкой в 3 тыс. км. Поэтому на каждом спутнике установлены исключительно точные атомные часы (по 4 штуки на каждом), которые и определяют время.

Точность геопозиционирования

В задачу GPS-приемника входит расчет своего положения относительно видимых спутников и чем больше их будет, тем точнее координаты. До 2000 года в расчеты вносилась умышленная ошибка, снижающая точность определения до 100 метров, по требованию военного ведомства США. Сейчас ограничения отменены и погрешность равна 10-15 метрам. Современные устройства способны принимать сигнал от 6-8 спутников, а более продвинутые — до 12, в результате погрешность привязки к местности сводится к 5-3 метрам.

Трилатерация

— Трилатерация — метод определения положения геодезических пунктов путем построения на местности системы смежных треугольников, в которых измеряются длины их сторон. Является одним из методов определения координат на местности наряду с триангуляцией (в которой измеряются углы соответствующих треугольников) и полигонометрией (производится измерение как углов, так и расстояний). В основе трилатерации лежит линейная засечка, — объясняет Андрей Макаров.

Как работает GPS в смартфонах

Поддержка этого стандарта стоит на уровне чипсета самого устройства.»В данном случае смартфон — это приёмник. В силу высокой энергозатратности данной процедуры определение местоположения происходит не постоянно, а короткими временными отрезками, плавное передвижение в навигаторе человека или транспорта осуществляется за счет предугадывания их направления и скорости на основании предыдущих данных», — рассказывает Кирилл Ситнов.

По словам Андрея Макарова, спутник GPS — летающая радиостанция, посылающая приветственные сигналы приемникам. Роль приемников играют смартфоны и навигаторы. Вопреки расхожему заблуждению, телефон никуда и никакие сигналы не отправляет. Местоположение устройства определяет процессор — он должен быть мощным. Флагманский вычислитель обрабатывает информацию практически мгновенно, современные устройства умеют принимать сигналы от 12 летающих радиостанций, в скором времени научатся и от всех 24.

Типы GPS-приемников и виды GPS-устройств

GPS-устройства могут быть различных типов.

По словам Андрея Макарова, выделяют несколько типов GPS-приемников: стационарный, портативный, CFIO-модуль, SDIO-модуль, внешний модуль.

Для работы GPS-приемника, который выполнен в виде дополнительного модуля, необходимо головное устройство: бортовой компьютер, КПК или ноутбук, на котором будет отображаться информация, касающаяся местоположения. Данные принимаются GPS-модулем со спутников. На основании этих данных он вычисляет свои координаты, которые отправляются на головное устройство. Посредством COM, USB или Bluetooth-интерфейса внешний модуль способен соединяться с компьютером.

GPS-приемника в виде CFIO- или SDIO-модуля устанавливается в соответствующем слоте в КПК или ноутбук. При наличии КПК или ноутбука, можно купить GPS-модуль и превратить мобильный компьютер в настоящий GPS-навигатор. К преимуществам подобного подхода относится большой выбор карт, в отличие от самостоятельных GPS-навигаторов, к тому же возможность использования различных программ для навигации и большого экрана мобильного компьютера.

Для функционирования самостоятельных GPS-навигаторов не понадобится использование компьютера. Зачастую такие устройства оснащены встроенным экраном, на котором отображается информация о местоположении. Подобные GPS могут быть портативными или стационарными. Портативные устройства способны работать от аккумулятора или встроенной батареи в автономном режиме. Кроме того, их можно носить с собой. Внешний источник питания необходим при работе стационарных устройств. Предназначением подобных устройств является установка на корабле или в машине.

Применение GPS

Хотя изначально проект разрабатывался для военных целей, на сегодняшний день большинство его пользователей — гражданские лица. Практически любое мобильное устройство оснащено GPS-навигатором, не говоря об оборудовании моряков, летчиков, спасателей, врачей и т.д. На данный момент к сферам применения технологии относятся:

—картография;
—геодезия;
—сотовая связь;
—транспортный мониторинг;
—геотаргетинг;
—прогнозирование погоды;
—мониторинг тектоники;
—навигация;
—компьютерные игры и прочее.

Преимущества и недостатки технологии

По словам Андрея Макарова, к плюсам GPS можно отнести:

—меньшую погрешность определения координат;
—стабильный сигнал без крупных затрат энергии;
—система первой разработана и приведена в полную готовность;
—надежность работы обеспечивается большим количеством спутников.

Недостатки GPS:

—синхронное вращение относительно орбиты Земли требует внесения поправок от корректирующих станций;
—уровень сигнала падает в северных областях из-за угла наклона;
—на качество сигнала влияют погодные условия и процессы в атмосфере.

Альтернативы GPS

— GPS фактически стал средой и почти синонимом Глобальной спутниковой навигационной системы (GNSS). Частично причина в том, что это самая старая навигационная система, однако есть и другие, такие как ГЛОНАСС (Россия), BeiDou (Китай), Galileo (Европа), Quasi-Zenith (Япония) и недавно анонсированная Индией NavIC, — отмечает эксперт.

GPS или ГЛОНАСС

— Принцип работы у обеих систем одинаковый, но GPS может обладать чуть более высокой точностью в плохих погодных условиях, а его спутники в среднем на орбите имеют вдвое большее эксплуатационное время, т.е. их необходимо в два раза реже менять. Также GPS является более распространенной системой, поэтому аппаратная и программная поддержка более широкая, — говорит Кирилл Ситнов.

Последствия отключения GPS

— Больше всего проблем возникнет у самолётов иностранного производства в российском небе. Все Boeing и Airbus поддерживают только GPS. ГЛОНАСС в России поддерживают только «Суперджеты», причём опционально, а в штатный навигационный комплекс поддержка ГЛОНАСС входит только на МС-21, которые пока коммерческих рейсов не выполняют. А вот самолётам малой авиации придётся тяжелее: на «Сесснах» и «Пайперах» штатного ГЛОНАССа нет, радиомаяков под каждым кустом тоже, хоть на телефон карты скачивай. На смартфонах как раз проблем никаких – уже лет десять чипсеты для массовых мобильных устройств поддерживают одновременно GPS, ГЛОНАСС, европейскую Galileo и китайскую BeiDou, так что «Яндекс.Карты» будут работать прекрасно, приемник смартфона вычисляет координаты по всем доступным данным сразу. На морских судах аппаратура АИС с обязательной поддержкой ГЛОНАСС ставится по требованию Российского морского регистра ещё с 2002 года, — говорит Андрей Макаров.

GPS