Навигация сегодня – услуга простая, нужная и невероятно популярная. Мало того, что навигаторы – почти что самый ходовой товар на мобильном рынке (обгоняют их только вездесущие телефоны), так еще и множество смартфонов за последние пару лет обзавелись собственными GPS и A-GPS чипами – и пользователи так к этому привыкли, что «смартфон без навигации» вызывает у них теперь, по меньшей мере, удивление. Все это, конечно, весьма радует (прогресс! цивилизация!), да только есть одна беда: производители так стараются продать свой товар, что часто выдают желаемое за действительное, заманивая покупателей не спецификациями своих товаров, а громкими словами на коробочках. О том, что эти слова значат, и какая на самом деле бывает навигация, мы и расскажем вам в этой статье.
Технология: как это работает?
На сегодняшний день существуют, по сути, всего две технологии, позволяющие пользователям мобильной техники не заблудиться в каменных джунглях: спутниковая и сотовая навигация. Первая – это собственно GPS, глобальная спутниковая система позиционирования, придуманная американскими учеными для американских военных, а потом подаренная ко дню Благодарения всему остальному миру. Вторая – AGPS (не путать с A-GPS), технология сотовой связи, позволяющая определить ваше примерное местоположение (с точностью до 500 метров), если вы находитесь в зоне покрытия сотовой сети.
GPS хорош прежде всего тем, что он точный (определяет ваше положение с точностью до пяти метров) и абсолютно бесплатный (добрые американцы позволяют пользоваться своими спутниками всем желающим). За конкретные навигационные программы и карты, конечно, придется заплатить – но плата эта будет единовременной, и никакой подписки на GPS-услуги не существует в природе. Плох же GPS тем, что он работает только на улице, и в основном в ясную погоду – если на небе пасмурно, найти нужное для работы количество спутников довольно сложно. Для того, чтобы бороться с тучами, была придумана специальная технология A-GPS (Assisted GPS): по этой технологии вместо того, чтобы посылать сигналы в небеса, навигатор просто подключался к некоему серверу, где скачивал информацию о местоположении спутников, и, пользуясь этими координатами, находил их куда быстрее. Сегодня A-GPS – непременный спутник любого GPS-приемника автомобильного навигатора. Наиболее популярные карты, работающие с сервисом GPS: iGo, «Автоспутник», «Навител», Be-On-Road.
Сотовая система AGPS (Alternative Global Position System) дает, конечно, куда менее точное определение положения объекта на карте, но зато абсолютно никак не зависит от погоды и степени углубленности в здание. Главное, чтобы ваш смартфон ловил сеть, у вашего номера была подключена услуга GPRS, а на вашем счету еще оставались деньги. Принцип работы AGPS аналогичен принципу работы спутниковой системы навигации: смартфон принимает сигналы от нескольких (минимум трех) базовых станций и, основываясь на силе сигнала каждой из них и принимая в расчет их местоположение, рассчитывает ваши координаты. Дешево и сердито: доехать с AGPS вы, конечно, никуда не сможете, но зато на карте точно не потеряетесь. Наиболее популярные карты, работающие с сервисом AGPS: Google Maps, «Яндекс.Карты».
Устройства: что бывает?
Самое простое из всех существующих в природе навигационных GPS-устройств – это внешний GPS-приемник. Сам по себе он только общается со спутниками, и никакой навигации, собственно, не обеспечивает. Но подсоединить его можно практически к любому устройству – ноутбуку, карманному компьютеру, телефону или смартфону – и тогда, при наличии правильного программного обеспечения, вы сможете ориентироваться в пространстве и прокладывать маршруты до места назначения. Приемники особенно полезны туристам, предпочитающим наезженным дорогам узкие горные или лесные тропки: приемники, в отличие от большинства других устройств, к карте не привязаны, и при большом желании могут водить вас даже по отсканированной миллиметровке с наложенной на нее навигационной сеткой. Если вы, конечно, найдете таковую для нужного вам региона.
Самое популярное из навигационных устройств на сегодняшний день – это автомобильный GPS-навигатор. Это, по сути, небольшой компьютер с сенсорным экраном, работающий на базе закрытой операционной системы. В навигаторе уже установлена производителем навигационная программа, сменить которую, не нарушая лицензий, обычно нельзя. Помимо собственно навигации, автонавигаторы часто умеют много чего еще: играть музыку, показывать фильмы, работать с электронными книгами и изображениями, и даже подключаться к интернету.
В последнее время на рынке появился новый класс устройств – смартфоны со встроенным GPS-приемником. С одной стороны, это устройства крайне удобные: и позвонить могут, и дорогу подскажут, и много чего еще умеют. С другой – программная составляющая у таких устройств пока еще очень слабая: в основном в качестве навигационных программ используются «онлайн-решения» вроде Nokia Maps или Google Maps, для работы с которыми нужно постоянное подключение к интернету (хотя на некоторые смартфоны можно поставить и настоящий навигационный софт). Да и подходят такие смартфоны скорее для пешеходной, нежели для автомобильной навигации – экранчик у них маленький, карту видно плохо, да и с картами нашей обширной родины все, мягко говоря, плохо. Только по городу и поездишь.
Последний тип навигационных устройств – смартфоны с сотовой навигацией (AGPS). У них нет встроенного GPS-чипа. Подходят они только тем, кто не хочет носить с собой бумажную карту – ни ведения по маршруту, ни даже точного определения вашего местоположения они не дают. Зато отлично помогают сориентироваться в пространстве во время длительной поездки или найти какой-нибудь особо незаметный переулок, про который слухом не слыхивал ни один из опрошенных вами прохожих.
К сожалению, идеальной карты в природе не существует (хотя бы просто потому, что у каждого свои представления об идеале), поэтому для начала придется понять, зачем вам в принципе нужен навигатор и что вы с ним будете делать: для туристических походов подойдет один тип устройств и карт, для автомобильной навигации – другой, для пешеходной навигации – третий. Кроме того, нужно обратить внимание на саму картографическую базу: у самой симпатичной на вид программы может вдруг не оказаться карты вашего города, а самая «городская» из карт будет показывать вам белые пятна сразу за окружной автодорогой. В общем, как ни крути, а придется все-таки уделить некоторое время процессу выбора. О том, как выбрать карту для навигатора, вы можете прочитать в статье «Какие бывают навигационные карты?»
Понравилось?
Расскажите друзьям!
Система слежения очень может пригодиться на охоте, особенно, если происходит она в незнакомых местах или в крупных лесных и горных массивах. Кроме того, возможности GPS-слежения позволят контролировать передвижения вашего четвероногого помощника и не потерять его в угодьях.
Если сильно не углубляться в специальные термины и детали, то глобальная система позиционирования Global Positioning System – GPS оказывается очень простой. Помните школьную задачку – из пункта А в пункт Б выехал автомобиль со скоростью 100 км/час…Вот GPS и является тем способом, который простым измерением расстояния и времени, потраченного на его преодоление, может определить точное местонахождение передвигающегося предмета или человека.
Для точного определения своих координат не человеку достаточно знать расстояние до трех каких-либо пунктов. В Случае GPS эти три пункта-ориентира – космические спутники.
Первые спутники системы Вооруженные силы США начали размещать на орбите в 1974 году. От Земли они на расстоянии почти 1900 километров. Изначальное количество их было 6 и возросло до 24 в 1994 году. Этого оказалось достаточно, чтобы можно было вычислить местоположение чего-либо или кого-либо в любой точке планеты, включая Антарктиду. Первая система имела аббревиатуру DNSS. Сейчас группа этих спутников носит название NAVSTAR (акроним Navigation Timing and Ranging), а сама система переименована в GPS (не путать с GPRS, которая работает только через Интернет). На 2015 год она включает 29 спутников, 5 из которых – запасные. Они подключаются, когда какой-нибудь из основных выходит из строя или на время замены устаревших новыми, более современными технологически моделями.
Спутники не очень большие – от 1 до 2 тонн каждый, размеры не более 5 метров с развернутыми солнечными батареями, движутся они по 4 штуки на 6 орбитах. Скорость их такова, что за сутки каждый облетает Землю по 2 раза. Орбиты расположены таким образом, что 4 из спутников постоянно могут принимать сигналы из любой точки на планете.
В систему входит также единый центр управления в американском городе Колорадо Спрингс и еще 5 подчиненных пунктов по всему миру, предназначенных только для приема сигналов и мониторинга работы системы GPS. Задача центра управления – проверка соответствия передвижения спутников заданной им орбите. Если какой-то из них отклоняется – то через радиосвязь подается сигнал и с помощью ракетных двигателей, установленных на каждом из спутников, его отправляют на место.
Бесконечно вращаясь вокруг Земли, спутники в унисон ведут радиопередачу на одной частоте – 1,57542 Ггц, к которой подключаются ежесекундно сотни миллионов GPS-приемников в машинах, на кораблях, в карманах пользователей и даже на собачьих и кошачьих ошейниках.
Вообще-то спутники GPS транслируют два сигнала – L1 и L2. Изначально они имели разное назначение. Сигнал L1 предназначался только для гражданского пользования, и в намеренно была заложена погрешность на точность определения координат с разбросом в 100 метров. Сигнал L2 имеет назначения высокоточной навигации авиации и флота, а также, для применения в военных целях. Но с развитием технологий и потребностями гражданских пользователей в более высокой точности в 2002 году было принято решение дать доступ к L2 и гражданским лицам. Хотя в системе предусмотрена возможность в случае надобности моментально поменять код и закрыть доступ к военной системе GPS.
Что примечательно, этой высокоточной навигацией абоненты могут пользоваться бесплатно, а оплачивать надо только стоимость самих устройств.
Как и в стандарте цифровой беспроводной связи CDMA, которую изначально американцы также разработали для военных нужд, в GPS используется принцип «псевдослучайной последовательности», или еще одно название – псведошумовой сигнал. Он отличается такими характеристиками как защита от естественных и искусственных помех, возможность мгновенного оправления и принятия огромных объемов информации от множества объектов. А еще, эти сигналы не требуют большой мощности передаточных и приемных устройств ни на спутниках, ни на аппаратах абонентов.
Скорость, с которой распространяется сигнал, равна скорости света. То есть, если спутник находится прямо над головой, то сигнал с орбиты дойдет чуть меньше чем за 0,06 секунды. При такой скорости погрешность в вычислении координат будет составлять почти 3 километра. Конечно, такая точность не интересует ни гражданских, ни военных, поэтому на каждый спутник установлены и синхронизированы с другими высокоточные атомные часы, дающие погрешность всего в одну наносекунду (0,000000001 секунды) против 0,0001 секунды в обычных электронных часах. На каждом спутнике установлены по 4 такие атомные часы (про запас) и такая точность позволяет допускать погрешность в координатах 3-5 метров.
Это высокотехнологичное устройство, размером не больше мобильного телефона – приемник и компьютер в одном корпусе. Приемник принимает сигналы с орбиты, а программа его расшифровывает и производит все нужные вычисления, выдавая пользователю нужную информацию.
В GPS-навигатор встроены также высокоточные часы, но не атомные (их стоимость – 75 тысяч долларов), а кварцевые, погрешность которых учитывается при компьютерных расчетах, и производится их корректировка.
Все модели навигаторов GPS отображают на экране текущее его место положения, географические координаты точки, а также траекторию пройденного пути от предыдущей отмеченной точки (все эти данные сохраняются в памяти компьютера). Кроме того, все приборы двух последних поколений имеют несколько страниц, на которых отображается разная информация: положение спутников относительно точки расположения прибора, карту с пройденным путем, страничку навигации с указанием самого короткого и удобного пути к выбранной точке. Это может быть сделано различными способами: стрелочкой на экране путевого компьютера или голосовыми предупреждениями. При этом программа учитывает скорость передвижения и отмечает уже пройденное расстояние.
В программе уже заложена часть совместимых с ним карт, но производители рекомендуют загружать более точные в стране использования прибора, что позволяет получать не только географические координаты, но и отметку на карте конкретной местности, что гораздо удобнее и нагляднее.
По принципу действия они практически ничем не отличаются, просто оснащены дополнительным оборудованием: креплением для передней панели автомобиля, шнуром питания в прикуривателе и разъемом для выносной антенны. Последний момент очень важен, так как в салоне часть неба закрыта крышей — и сигнал от части спутников не достигает приемного устройства. Кроме того, именно в автомобильных навигаторах чаще всего предусмотрена функция голосовых подсказок, а также, возможность прокладывания и расчета маршрута только по заданной конечной точке, в автоматическом режиме, без участия человека.
Эта функция удобная и необходимая в условиях передвижения на незнакомой местности и позволяет сгенерировать весь маршрут, конечной точкой которого может быть конкретный город, улица и даже дом.
Но эта функция поддерживается только при загрузке определенных карт с подробной информацией о дорогах, развязках, знаках. При этом программа сама выбирает из всех возможных вариантов маршрута тот, который будет самым коротким, комфортным для автомобиля и максимально пролегающим по качественным дорогам.
На карте при этом фиксируются путевые точки (отправная и конечная) а также точки POI – точки интереса. Они хранятся в памяти устройства и недоступны для редактирования пользователем. Точки POI – это координаты АЗС, полицейские посты, СТО, магазины, кафе и рестораны, отели, кемпинги, развлекательные заведения и пр. Библиотеку POI можно пополнять, но только с фирменных CD, с информацией о конкретных регионах и городах. Последние версии с библиотеками точек интереса содержат не только точный адрес и название, но и номер телефона заведения или учреждения.
Система слежения очень может пригодиться на охоте, особенно, если происходит она в незнакомых местах или в крупных лесных и горных массивах. В азарте поиска и преследования дичи охотник может потерять ориентиры и заблудиться. Или же охотник получил ранение и не имеет возможность самостоятельно передвигаться. Сколько раз уже находили останки охотников (даже промысловиков), которые так и не нашли выход из тайги. Часто в таких диких местах мобильная связь недоступна, зато поисковые службы могут определить местонахождение потерявшегося или раненого человека по сигналу GPS-трекера (более простой, бюджетный вариант, работающий через сотовую связь) или навигатора (независимое устройство). Кроме того, навигатор поможет найти кратчайший путь до нужной точки: например, до охотничьей базы или ближайшей дороги.
Еще одно, наверное, чаще всего используемый функционал системы позиционирование – контроль за местоположением собаки на охоте.
Она может убежать за дичью и потерять любую связь с охотником, а может стать в крепкую стойку и найти ее в высокой траве или зарослях будет крайне сложно. Каждый охотник наверняка вспомнит такой случай в своей практике, когда приходится по несколько часов рыскать по угодьям, свистя и срывая голос, в поисках пропавшего помощника. Специальный ошейник с трекером раз и навсегда избавит от этой проблемы. Мы не будет описывать все системы – а их более 10-ти от разных производителей, просто предоставляем советы охотников, которые уже испытали несколько доступных в нашей стране вариантов и рекомендуют выбирать модели:
в которых есть двухсторонняя связь;
встроено устройство экономии энергии;
зарядка аккумулятора действует больше 24 часов;
корпус устройства должен быть водонепроницаем;
есть возможность слежения в режиме реального времени;
есть кнопка подачи тревожного сигнала (дай Бог, чтобы никогда не пригодилась).
Такие модели незначительно дороже, но они того стоят, особенно если вы собираетесь на серьезную охоту.
Чтобы 100%-но найти утку, надо ее поймать и прикрепить навигатор — теперь трофей точно будет ваш
Возможности устройства — обнаружены 8 белых грибов и 1 лисица
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:
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.
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:
Помимо ГЛОНАСС и GPS существуют и другие менее популярные навигационные системы – европейский Galileo и китайский Beidou.
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:
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 :
Навигационные приемники бывают нескольких типов – портативные, стационарные и авиационные. Приемники также характеризуются рядом параметров:
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.
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:
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.
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.
Как нередко бывает с высокотехнологичными проектами, инициаторами разработки и реализации системы GPS (Global Positioning System - система глобального позиционирования) стали военные. Проект спутниковой сети для определения координат в режиме реального времени в любой точке земного шара был назван Navstar (Navigation system with timing and ranging - навигационная система определения времени и дальности), тогда как аббревиатура GPS появилась позднее, когда система стала использоваться не только в оборонных, но и в гражданских целях.
Первые шаги по развертыванию навигационной сети были предприняты в середине семидесятых, коммерческая же эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась с 1995 года. В настоящий момент в работе находятся 28 спутников, равномерно распределенных по орбитам с высотой 20350 км (для полнофункциональной работы достаточно 24 спутников).
Несколько забегая вперед, скажу, что поистине ключевым моментом в истории GPS стало решение президента США об отмене с 1 мая 2000 года режима так называемого селективного доступа (SA - selective availability) - погрешности, искусственно вносимой в спутниковые сигналы для неточной работы гражданских GPS-приемников. С этого момента любительский терминал может определять координаты с точностью в несколько метров (ранее погрешность составляла десятки метров)! На рис.1 представлены ошибки в навигации до и после отключения режима селективного доступа (данные ).Рис1.
Попробуем разобраться в общих чертах, как устроена система глобального позиционирования, а потом коснемся ряда пользовательских аспектов. Рассмотрение же начнем с принципа определения дальности, лежащего в основе работы космической навигационной системы.
Дальнометрия основана на вычислении расстояния по временной задержке распространения радиосигнала от спутника к приемнику. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить, просто умножив время на скорость света.
Каждый спутник системы GPS непрерывно генерирует радиоволны двух частот - L1=1575.42МГц и L2=1227.60МГц. Мощность передатчика составляет 50 и 8 Ватт соответственно. Навигационный сигнал представляет собой фазовоманипулированный псевдослучайный код PRN (Pseudo Random Number code). PRN бывает двух типов: первый, C/A-код (Coarse Acquisition code - грубый код) используется в гражданских приемниках, второй Р-код (Precision code - точный код), используется в военных целях, а также, иногда, для решения задач геодезии и картографии. Частота L1 модулируется как С/А, так и Р-кодом, частота L2 существует только для передачи Р-кода. Кроме описанных, существует еще и Y-код, представляющий собой зашифрованный Р-код (в военное время система шифровки может меняться).
Период повторения кода довольно велик (например, для P-кода он равен 267 дням). Каждый GPS-приемник имеет собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, по времени задержки между одинаковыми участками кода, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние до спутника.
Одной из основных технических сложностей описанного выше метода является синхронизация часов на спутнике и в приемнике. Даже мизерная по обычным меркам погрешность может привести к огромной ошибке в определении расстояния. Каждый спутник несет на борту высокоточные атомные часы. Понятно, что устанавливать подобную штуку в каждый приемник невозможно. Поэтому для коррекции ошибок в определении координат из-за погрешностей встроенных в приемник часов используется некоторая избыточность в данных, необходимых для однозначной привязки к местности (подробней об этом чуть позже).
Кроме самих навигационных сигналов, спутник непрерывно передает разного рода служебную информацию. Приемник получает, например, эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере (так как скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), а также сведения о работоспособности спутника (так называемых "альманах", содержащий обновляемые каждые 12.5 минут сведения о состоянии и орбитах всех спутников). Эти данные передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.
Основой идеи определения координат GPS-приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным (эти данные содержатся в принятом со спутника альманахе). В геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами называется трилатерацией. 
Рис2.
Если известно расстояние А до одного спутника, то координаты приемника определить нельзя (он может находится в любой точке сферы радиусом А, описанной вокруг спутника). Пусть известна удаленность В приемника от второго спутника. В этом случае определение координат также не представляется возможным - объект находится где-то на окружности (она показана синим цветом на рис.2), которая является пересечением двух сфер. Расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек (обозначены двумя жирными синими точками на рис.2). Этого уже достаточно для однозначного определения координат - дело в том, что из двух возможных точек расположения приемника лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близи от нее), а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, теоретически для трехмерной навигации достаточно знать расстояния от приемника до трех спутников.
Однако в жизни все не так просто. Приведенные выше рассуждения были сделаны для случая, когда расстояния от точки наблюдения до спутников известны с абсолютной точностью. Разумеется, как бы ни изощрялись инженеры, некоторая погрешность всегда имеет место (хотя бы по указанной в предыдущем разделе неточной синхронизации часов приемника и спутника, зависимости скорости света от состояния атмосферы и т.п.). Поэтому для определения трехмерных координат приемника привлекаются не три, а минимум четыре спутника.
Получив сигнал от четырех (или больше) спутников, приемник ищет точку пересечения соответствующих сфер. Если такой точки нет, процессор приемника начинает методом последовательных приближений корректировать свои часы до тех пор, пока не добьется пересечения всех сфер в одной точке.
Следует отметить, что точность определения координат связана не только с прецизионным расчетом расстояния от приемника до спутников, но и с величиной погрешности задания местоположения самих спутников. Для контроля орбит и координат спутников существуют четыре наземных станции слежения, системы связи и центр управления, подконтрольные Министерству Обороны США. Станции слежения постоянно ведут наблюдения за всеми спутниками системы и передают данные об их орбитах в центр управления, где вычисляются уточнённые элементы траекторий и поправки спутниковых часов. Указанные параметры вносятся в альманах и передаются на спутники, а те, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим приемникам.
Кроме перечисленных, существует еще масса специальных систем, увеличивающих точность навигации, - например, особые схемы обработки сигнала снижают ошибки от интерференции (взаимодействия прямого спутникового сигнала с отраженным, например, от зданий). Мы не будем углубляться в особенности функционирования этих устройств, чтобы излишне не осложнять текст.
После отмены описанного выше режима селективного доступа гражданские приемники "привязываются к местности" с погрешностью 3-5 метров (высота определяется с точностью около 10 метров). Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников (большинство современных аппаратов имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников).
Качественно уменьшить ошибку (до нескольких сантиметров) в измерении координат позволяет режим так называемой дифференциальной коррекции (DGPS - Differential GPS). Дифференциальный режим состоит в использовании двух приемников - один неподвижно находится в точке с известными координатами и называется "базовым", а второй, как и раньше, является мобильным. Данные, полученные базовым приемником, используются для коррекции информации, собранной передвижным аппаратом. Коррекция может осуществляться как в режиме реального времени, так и при "оффлайновой" обработке данных, например, на компьютере.
Обычно в качестве базового используется профессиональный приемник, принадлежащий какой-либо компании, специализирующейся на оказании услуг навигации или занимающейся геодезией. Например, в феврале 1998 года недалеко от Санкт-Петербурга компания "НавГеоКом" установила первую в России наземную станцию дифференциального GPS. Мощность передатчика станции - 100 Ватт (частота 298,5 кГц), что позволяет пользоваться DGPS при удалении от станции на расстояния до 300 км по морю и до 150 км по суше. Кроме наземных базовых приемников, для дифференциальной коррекции GPS-данных можно использовать спутниковую систему дифференциального сервиса компании OmniStar. Данные для коррекции передаются с нескольких геостационарных спутников компании.
Следует заметить, что основными заказчиками дифференциальной коррекции являются геодезические и топографические службы - для частного пользователя DGPS не представляет интереса из-за высокой стоимости (пакет услуг OmniStar на территории Европы стоит более 1500 долларов в год) и громоздкости оборудования. Да и вряд ли в повседневной жизни возникают ситуации, когда надо знать свои абсолютные географические координаты с погрешностью 10-30 см.
В заключение части, повествующей о "теоретических" аспектах функционирования GPS, скажу, что Россия и в случае с космической навигацией пошла своим путем и развивает собственную систему ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Но из-за отсутствия должных инвестиций в настоящее время на орбите находятся лишь семь спутников из двадцати четырех, необходимых для нормального функционирования системы…
Так уж получилось, что о возможности определять свое местоположение с помощью носимого приборчика размерами с сотовый телефон я узнал году в девяносто седьмом из какого-то журнала. Однако замечательные перспективы, нарисованные авторами статьи, были безжалостно разбиты заявленной в тексте ценой навигационного аппарата - почти 400 долларов!
Года через полтора (в августе 1998) судьба занесла меня в маленький спортивный магазинчик в американском городе Бостон. Какого же было мое удивление и радость, когда на одной из витрин я случайно заметил несколько разных навигаторов, самый дорогой из которых стоил 250 долларов (простенькие же модели предлагались за $99). Конечно, уйти из магазина без прибора я уже не мог, поэтому принялся пытать продавцов о характеристиках, преимуществах и недостатках каждой модели. Ничего вразумительного от них я не услышал (и отнюдь не из-за того, что плохо знаю английский), так что пришлось разбираться во всем самому. И в результате, как это нередко бывает, была приобретена самая продвинутая и дорогая модель - Garmin GPS II+, а также специальный чехол к ней и шнур для питания от гнезда прикуривателя автомобиля. В магазине имелось еще два аксессуара для теперь уже моего аппарата - устройство для крепления навигатора на велосипедном руле и шнур для соединения с РС. Последний я долго крутил в руках, но, в конце концов, все же решил не покупать из-за немалой цены (немногим более 30 долларов). Как потом оказалось, шнур я не купил совершенно правильно, ибо все взаимодействие прибора с компьютером сводится к "сливке" в ЭВМ пройденного маршрута (а также, думаю, координат в режиме реального времени, но насчет этого есть определенные сомнения), да и то при условии покупки софта от Garmin. Возможность загружать в прибор карты, к сожалению, отсутствует.
Давать подробное описание своего прибора я не буду хотя бы потому, что он уже снят с производства (желающие ознакомиться с подробной технической характеристикой могут сделать это ). Замечу лишь, что вес навигатора - 255 гр., размеры - 59х127х41 мм. Благодаря своему треугольному сечению аппарат исключительно устойчиво располагается на столе или панели приборов автомобиля (для более прочной фиксации в комплект входит липучка Velcro). Питание осуществляется от четырех пальчиковых батареек АА (их хватает лишь на 24 часа непрерывной работы) или внешнего источника. Попробую рассказать об основных возможностях моего прибора, которые, думаю, имеет подавляющее большинство присутствующих на рынке навигаторов.
С первого взгляда GPS II+ можно принять за мобильный телефон, выпущенный пару лет назад. Лишь только присмотревшись, замечаешь необычно толстую антенну, огромный дисплей (56х38 мм!) и малое, по телефонным меркам, количество клавиш.
При включении прибора начинается процесс сбора информации со спутников, а на экране появляется простенькая мультипликация (вращающийся земной шар). После первоначальной инициализации (которая в открытом месте занимает пару минут) на дисплее возникает примитивная карта неба с номерами видимых спутников, а рядом - гистограмма, свидетельствующая об уровне сигнала от каждого спутника. Кроме того, указывается погрешность навигации (в метрах) - чем больше спутников видит прибор, тем, разумеется, точнее будет определение координат.
Интерфейс GPS II+ построен по принципу "перелистываемых" страниц (для этого даже есть специальная кнопка PAGE). Выше была описана "страница спутников", а кроме нее, есть "страница навигации", "карта", "страница возврата", "страница меню" и ряд других. Следует заметить, что описываемый аппарат не русифицирован, однако даже с плохим знанием английского можно понять его работу.
На странице навигации отображаются: абсолютные географические координаты, пройденный путь, мгновенная и средняя скорости движения, высота над уровнем моря, время движения и, в верхней части экрана, электронный компас. Надо сказать, что высота определяется с гораздо большей погрешностью, чем две горизонтальные координаты (на этот счет есть даже специальная ремарка в руководстве пользователя), что не позволяет использовать GPS, например, для определения высоты парапланеристами. Зато мгновенная скорость вычисляется исключительно точно (особенно для быстродвижущихся объектов), что дает возможность использовать прибор для определения скорости снегоходов (спидометры которых имеют обыкновение значительно врать). Могу дать "вредный совет" - взяв напрокат автомобиль, отключите его спидометр (чтобы он насчитал поменьше километров - ведь оплата зачастую пропорциональна пробегу), а скорость и пройденное расстояние определяйте по GPS (благо он может вести измерения как в милях, так и в километрах).
Средняя скорость движения определяется по несколько странному алгоритму - время простоя (когда мгновенная скорость равна нулю) в вычислениях не учитывается (более логично, на мой взгляд, было бы просто делить пройденное расстояние на общее время поездки, но создатели GPS II+ руководствовались каким-то иными соображениями).
Пройденный путь отображается на "карте" (памяти аппарата хватает километров на 800 - при большем пробеге автоматически стираются самые старые метки), так что при желании можно посмотреть схему своих блужданий. Масштаб карты меняется от десятков метров до сотен километров, что, несомненно, исключительно удобно. Самое же замечательное состоит в том, что в памяти прибора имеются координаты основных населенных пункты всего мира! США, конечно, представлено более подробно (например, все районы Бостона присутствуют на карте с названиями), чем Россия (тут указано расположение лишь таких городов как Москва, Тверь, Подольск и т.п.). Представьте, например, что Вы направляетесь из Москвы в Брест. Находите в памяти навигатора "Брест", жмете специальную кнопку "GO TO", и на экране появляется локальное направление Вашего движения; глобальное направление на Брест; количество километров (по прямой, разумеется), оставшееся до точки назначения; средняя скорость и расчетное время прибытия. И так в любой точке мира - хоть в Чехии, хоть в Австралии, хоть в Таиланде…
Не менее полезной является так называемая функция возврата. Память аппарата позволяет записывать до 500 ключевых точек (waypoints). Каждую точку пользователь может называть по своему усмотрению (например, DOM, DACHA и т.п.), также предусмотрены различные пиктрограммки для отображения информации на дисплее. Включив функцию возврата к точке (любой из заранее записанных), владелец навигатора получает те же возможности, что и в описанном выше случае с Брестом (т.е. расстояние до точки, расчетное время прибытия и все остальное). У меня, например, был такой случай. Приехав в Прагу на автомобиле и устроившись в гостинице, мы с приятелем отправились в центр города. Оставив машину на стоянке, пошли побродить. После бесцельной трехчасовой прогулки и ужина в ресторане мы поняли, что совершенно не помним, где оставили машину. На улице ночь, мы - на одной из маленьких улочек незнакомого города… К счастью, прежде чем покинуть автомобиль, я записал его местоположение в навигатор. Теперь же, нажав пару кнопок на аппарате, я узнал, что машина стоит в 500 метрах от нас и через 15 минут мы уже слушали тихую музыку, направляясь на автомобиле в гостиницу.
Кроме движения к записанной метке по прямой, что не всегда удобно в условиях города, Garmin предлагает функцию TrackBack - возврат по своему пути. Грубо говоря, кривая движения аппроксимируется рядом прямолинейных участков, а в точках излома ставятся метки. На каждом прямолинейном участке навигатор ведет пользователя к ближайшей метке, по достижении же ее осуществляется автоматическое переключение на следующую метку. Исключительно удобная функция при езде на автомобиле по незнакомой местности (сигнал со спутников сквозь здания, конечно, не проходит, поэтому, чтобы получить данные о своих координатах в условиях плотной застройки, приходится искать более-менее открытое место).
Я не буду дальше углубляться в описание возможностей прибора - поверьте, что кроме описанных, в нем есть еще масса приятных и нужных примочек. Одна смена ориентации дисплея чего стоит - можно использовать аппарат как в горизонтальном (автомобильном), так и в вертикальном (пешеходном) положении (см. рис.3).
Одной из основных же прелестей GPS для пользователя я считаю отсутствие какой-либо платы за пользование системой. Купил один раз прибор - и наслаждайся!
Я думаю, нет нужды перечислять области применения рассмотренной системы глобального позиционирования. GPS-приемники встраивают в автомобили, сотовые телефоны и даже наручные часы! Недавно я встретил сообщение о разработке чипа, совмещающего в себе миниатюрный GPS-приемник и модуль GSM - устройствами на его базе предлагается оснащать собачьи ошейники, чтобы хозяин мог без труда обнаружить потерявшегося пса посредством сотовой сети.
Но в любой бочке меда есть ложка дегтя. В данном случае в роли последнего выступают российские законы. Я не буду подробно рассуждать о юридических аспектах использования GPS-навигаторов в России (кое-что об этом можно найти ), замечу лишь, что теоретически высокоточные навигационные приборы (коими, без сомнения являются даже любительские GPS-приемники) у нас запрещены, а их владельцев ждет конфискация аппарата и немалый штраф.
К счастью для пользователей, в России строгость законов компенсируется необязательностью их выполнения - например, по Москве разъезжает огромное количество лимузинов с шайбой-антенной GPS-приемников на крышке багажника. Все более-менее серьезные морские суда оборудованы GPS (и уже выросло целое поколение яхтсменов, с трудом ориентирующихся в пространстве по компасу и прочим традиционным средствам навигации). Надеюсь, власти не будут вставлять палки в колеса техническому прогрессу и в ближайшее время легализуют пользование GPS-приемниками в нашей стране (отменили же разрешения на сотовые телефоны), а также дадут добро на рассекречивание и тиражирование подробных карт местности, необходимых для полноценного использования автомобильных навигационных систем.
Прежде всего, необходимо уяснить принцип работы GPS-навигатора . Приемник, встроенный в навигатор, принимает сигнал со спутника. После чего сигнал дешифруется устройством и определяется место нахождения объекта. Стоит отметить, что устройство работает практически везде, даже в массивных зданиях и пещерах.
Итак, как начать работу с навигатором. Естественно, для этого потребуется инструкция. Возьмите устройство в руки таким образом, чтобы его антенна была направлена вверх. Сегодня существуют модели, антенна которых может вращаться в любую сторону, независимо от того как лежит устройство в руке. В этом случае можно просто повернуть антенну.
Перед тем, как начать использование, не забудьте включить навигатор. На экране устройства должно появиться окно поиска спутников. Спустя некоторое время GPS-навигатор получит информацию, которая обязательно отразится на экране. Обычно такая настройка длится от одной до трех минут. Устройство определяет положение быстрее, если вы находитесь на открытом участке.
После того как навигатор готов к работе, и все данные получены, можно приступить к изучению функций. Намного удобнее изучать устройство, сверяя с инструкцией расположение элементов управления . Некоторые кнопки могут выполнять несколько функций. Конечно, вам нужно запомнить основные. Естественно, со временем вы все запомните, и инструкция при работе с навигатором уже не понадобится.
В экранном меню можно настроить вид отображаемых данных. Конечно, определенные настройки зависят от модели устройства. Конкретнее все настройки описываются в инструкции . Очень важно правильно настроить часовой пояс, задать единицы измерения расстояния, выбрать систему координат.
По мере прохождения маршрута следует периодически сверять получаемые данные, которые отображаются на дисплее. Обычно на экране устройства отображается траектория пройденного пути, координаты нахождения устройства, положение прибора и пр.
Чтобы сохранить необходимые координаты точки, нужно нажать и удержать несколько секунд соответствующую кнопку. GPS-навигатор по умолчанию сохраняет в своей памяти весь путь. Поэтому можно включить режим, позволяющий отразить обратный путь. Работа с навигатором напоминает работу с переносным карманным компьютером.
