Что такое GPS?

Ранним утром рыбак рассекал воды великой Волги, плывя на своей надувной лодке. Он заплыл уже достаточно далеко и решил забросить донки. Попал на хорошую яму: на глубине около двадцати метров брал крупный лещ. Рыбак остался доволен и на следующий день решил вернуться на то же место. Но не тут-то было. Как он ни пытался сориентироваться по находящимся на берегу домам и торчащим трубам заводов, все было безнадежно. Заветной ямы он не нашел. Рыбалка была обречена на провал. Что могло бы спасти рыбака? Нет, компас здесь бессилен, карта тоже не помощник. Вот если бы у него был GPS-приемник, он без труда вернулся бы на прежнее место. Что это за чудо техники? Чем полезно и где применяется?

Что такое GPS?

«GPS» — это первые буквы английских слов «Global Positioning System» — глобальная система местоопределения. GPS состоит из 24 искусственных спутников Земли, сети наземных станций слежения за ними и неограниченного количества пользовательских приемников-вычислителей. «GPS» предназначена для определения текущих координат пользователя на поверхности Земли или в околоземном пространстве. Спутники постоянно движутся со скоростью около 3 км/сек (два полных оборота вокруг планеты менее чем за сутки). Такая конфигурация системы позволяет принимать сигнал сразу от нескольких спутников практически в любом месте Земли (за исключением некоторых приполярных областей). Спутниковая система GPS известна также под другим названием — NAVSTAR (Navigation system with timing and ranging — Навигационная система с определением времени и дальности). Первый GPS спутник был запущен в феврале 1978 г. Вес каждого спутника около 800 кг, размер более 5 м, включая солнечные батареи. На борту каждого спутника установлены атомные часы, обеспечивающие точность 10–9 сек, вычислительно кодирующее устройство и передатчик мощностью 50 Вт, излучающий на частоте 1575.42 МГц. Каждый спутник рассчитан на работу примерно в течение 10 лет. Новые спутники изготавливаются и запускаются на орбиту по мере необходимости, например в случае выхода из строя или необходимости провести профилактические работы. Орбиты спутников располагаются примерно между 60 градусами северной и южной широты. Этим достигается то, что сигнал хотя бы от некоторых спутников может приниматься повсеместно в любое время. Даже на полюсах можно «увидеть» спутники.

Что такое GPS приёмник?

GPS приёмник или GPS навигатор — это прибор, позволяющий определить ваше местоположение в любой точке: на суше, на море и в околоземном пространстве. В зависимости от области применения, диапазон которой довольно широк, а также от стоимости, которая может колебаться от сотен до нескольких тысяч долларов, исполнение GPS-приемников также весьма разнообразно. 

В целом весь спектр моделей можно разделить на четыре большие группы:

• Портативные GPS приемники индивидуального применения. Эти модели отличаются малыми габаритами и широким набором сервисных функций: от базовых навигационных, включая возможность формирования и расчета маршрутов следования, до функции приема и передачи электронной почты.
• Автомобильные GPS приемники, которые предназначены для установки в любом наземном транспортном средстве и имеют возможность подключения внешней приемо-передающей аппаратуры для автоматической передачи параметров движения на диспетчерские пункты.
• Морские GPS приемники, оснащенные ультразвуковым эхолотом, а также дополнительными сменными картриджами с картографической и гидрографической информацией для конкретных береговых районов.
• Авиационные GPS приемники, используемые для пилотирования летательных аппаратов, включая коммерческую авиацию.

Какая информация содержится в сигнале GPS?

Сигнал, передаваемый каждым спутником, содержит «псевдослучайный код» (PRN — pseudo-random code), эфимерис (ephimeris) и альманах (almanach).
Псевдослучайный код PRN служит для идентификации передающего спутника. Все они пронумерованы от 1 до 32 и этот номер показывается на экране GPS-приемника во время его работы. Количество PRN-номеров больше, чем число спутников, т. к. это облегчает обслуживание GPS-сети: новый спутник может быть запущен, проверен и введен в эксплуатацию еще до того, как старый выйдет из строя. Такому спутнику просто будет присвоен новый номер (от 1 до 32).

Эфимерис содержит данные о состоянии спутника (рабочее или нерабочее) и текущей дате и времени, и эта часть сигнала крайне важна для определения местоположения, т. к. ошибка в синхронизации часов на спутнике и в приемнике может привести к большой погрешности. Расхождение даже в одну миллионную секунды дает погрешность в З00 м при определении расстояния. Высокая точность достигается за счет применения атомных часов, находящихся на борту спутника.

Альманах говорит о том, где в течение дня должны находиться все GPS-спутники. Каждый из них передает альманах, содержащий параметры своей орбиты и коэффициенты поправок спутниковых часов, а также данные от всех других спутников системы.

Как GPS приёмник определяет координаты?

Для определения местоположения GPS приемник сравнивает время отправки сигнала со спутника со временем его получения на Земле. Эта разница во времени говорит приемнику о расстоянии до конкретного спутника. Если добавить к этому информацию о расстоянии, измеренном до нескольких других спутников, то можно триангулировать свое местоположение (т. е. вычислить координаты объекта путем измерения его удаленности от точек с заданными координатами). Имея сигналы от минимум трех спутников, он может определить широту и долготу — это называется двумерной фиксацией. Если же спутников четыре или более, то GPS приемник может определить положение в 3-х мерном пространстве, т. е. указать широту, долготу и высоту над уровнем моря. Постоянно отслеживая Ваше местоположение в течение некоторого времени, приемник также может рассчитать скорость и направление Вашего движения.

Как GPS-приемник определяет расстояние до спутников? Поскольку скорость распространения радиосигналов постоянна и равна скорости света, расстояние до спутников определяется по задержке времени приема сообщения GPS-приемником относительно времени отправки сообщения с борта спутника. Конечно, для точного определения этой задержки часы на спутниках и часы в GPS-приемнике должны быть синхронны, что обеспечивается синхронизацией часов приемника по информации, содержащейся, как указывалось выше, в сигналах спутников.

Что влияет на точность определения координат?

Одним из важнейших преимуществ GPS перед существовавшими ранее наземными системами является всепогодность. Независимо от того, для каких целей Вы используете навигацию, GPS приемник готов показать Ваше местоположение — и именно тогда, когда вам это надо.

В период становления NAVSTAR GPS Министерство Обороны США приняло решение о закрытии доступа к высокоточным навигационным данным гражданским пользователям. В начале 80-х годов Рональд Рейган заявил, что GPS будет доступна каждому, но наибольшая точность будет оставлена для военных. Был создан алгоритм Избирательного доступа (Selective Availability или SА). Избирательный доступ позволял искусственно вносить погрешность в координаты. Осуществлялось это двумя способами. Во-первых, искусственные ошибки вносились в навигационные данные, передаваемые со спутника. Во-вторых, намеренно искажали точность спутниковых часов. Все это приводило к ошибке в определении координат порядка 100 метров. С 1 мая 2000 года режим «избирательного доступа» был отключён.

Другим фактором, влияющим на точность GPS, является геометрия спутников, т. е. то, как они расположены относительно друг друга и GPS-приемника. Если приемник получает данные от спутников, которые расположены только в каком-либо одном направлении, например западном, то триангуляция будет плохой и погрешность в определении координат высокой — порядка 100 м. Если же эти четыре спутника будут находиться в разных направлениях, то точность значительно возрастет. Геометрия спутников становится особенно важной при использовании GPS приемника в автомобиле, среди высоких зданий, в горах или в глубоких ущельях. Если сигналы от некоторых спутников оказываются экранированы, то точность определения местоположения будет зависеть от оставшихся «видимыми» спутников (а от их количества — возможность провести расчеты вообще). Чем большая часть неба заслонена искусственными или естественными предметами, тем более сложно определить положение. Дело в том, что переотраженному сигналу требуется больше времени для достижения приемника, чем прямому. Приемнику «кажется», что спутник находится на большем расстоянии, чем на самом деле. Из-за большой скорости распространения радиоволн, которая равна скорости света, вносимая ошибка невелика — всего она составляет около 5 м.

10 лет назад вряд ли можно было поверить в то, что каждый человек сможет купить сравнительно недорогой карманный прибор, который на основе современных космических технологий точно указывает местоположение в любой точке земного шара. Думалось, что известные уже несколько столетий компас и карта останутся вечными спутниками тех, кто находится в пути. Сегодня же мы видим, как бытовые GPS-навигаторы используются не только практически всеми яхтсменами и летчиками-любителями, но также находят широкое применение в автомобильных навигационных системах и все чаще сопровождают любителей отдыха на природе в их разнообразных путешествиях. Здесь нельзя не упомянуть наиболее, пожалуй, перспективное направление GPS-навигации — т.н. компьютерные картографические системы, в которых информация о Вашем текущем местоположении и о расположении нужных Вам ориентиров отображается в графическом виде на экране прибора непосредственно на детальной карте местности. Это значительно повышает удобство и гибкость системы и открывает широчайшие возможности планирования своего маршрута непосредственно в полевых условиях.

По материалам сайта news.cqham.ru