История создания Global Positioning System (GPS) ведёт своё начало с 1973 года, когда Управление совместных программ, входящее в состав Центра космических и ракетных исследований США, получило указание Министерства обороны США разработать, испытать и развернуть навигационную систему космического базирования. Результатом данной работы стала система, получившая первоначальное название NAVSTAR (NAVigation System with Time And Ranging), из которого прямо следовало, что система предназначена для решения двух главных задач – навигации, т. е. определения мгновенного положения и скорости потребителей, и синхронизации шкал времени.
Поскольку инициатором создания GPS являлось Министерство обороны США, то в качестве первоочередных задач предусматривалось решение задач обороны и национальной безопасности. Отсюда ещё одно раннее название системы – оборонительная система спутниковой навигации (Defense Navigation Satellite System – DNSS).
Разработка концепции построения и архитектуры GPS заняла примерно 5 лет, и уже в 1974 году фирма Rockwell получила заказ на изготовление первых восьми КА Block I для создания демонстрационной системы. Первый КА был запущен 22 февраля 1978 года, и в том же году Rockwell получила контракт на создание ещё четырёх КА . Первоначально предполагалось, что орбитальная группировка GPS будет насчитывать 24 КА в трёх орбитальных плоскостях высотой 20 200 км и наклонением 63°.
Принцип работы GPS и ГЛОНАСС. В чём их разница?
К моменту начала серийного производства в 1989 году КА модификации Block II было принято решение об изменении параметров орбиты GPS, в частности, наклонение было изменено на 55°, а количество орбитальных плоскостей увеличено до 6. Выделяют два важных этапа развёртывания системы GPS – фазу первоначальной работоспособности (IOC) и фазу полной работоспособности (FOC). Этап IOC начался в 1993 году, когда в составе ОГ насчитывалось 24 КА различных модификаций (Block I/II/IIA), готовых к использованию по целевому назначению.
Переход в режим FOC состоялся в июле 1995 года, после завершения всех лётных испытаний, хотя фактически система начала предоставлять услуги в полном объеме с марта 1994 года. Таким образом, GPS является полностью работоспособной уже в течение более чем двух 10-летий, при этом на протяжении всей своей истории GPS постоянно модернизировалась с целью удовлетворения требований различных категорий как гражданских, так и военных потребителей.
При проектировании GPS предполагалось, что точность навигационных определений при использовании C/A-кода будет в пределах 400 м. Реальная точность измерений по C/A-коду оказалась в 10 и более раз выше – 15…40 м ( СКО ) по координатам и доли метра в секунду по скорости. Возможность получения такой точности измерений с помощью несложной коммерческой АП вызвала в США опасения, что сигналы GPS могут быть использованы потенциальным противником, в том числе в системах высокоточного оружия.
В качестве защитной меры, начиная с КА Block II, в GPS были реализованы два метода преднамеренной деградации (загрубления) точности навигационно-временного обеспечения гражданских потребителей – селективный доступ и одновременно принятые меры по защите от так называемых уводящих помех. Деактивация режима селективного доступа была осуществлена 2 мая 2000 г. около 4:00 (UT). Точность автономной навигации возросла почти в 10 раз, что дало гигантский импульс к развитию прикладных навигационных технологий. Текущий этап модернизации GPS предполагает разработку и производство КА следующего поколения Block III, которые в сочетании с усовершенствованным наземным комплексом управления и НАП обеспечат улучшенные характеристики в части помехозащищённости, точности, доступности и целостности координатно-временного и навигационного обеспечения.
Просто о том, как устроена GPS
Услуги системы GPS
- услугу стандартного позиционирования (Standard Positioning Service – SPS) , доступную для всех потребителей;
- услугу точного позиционирования (Precise Positioning Service – PPS) , доступную для санкционированных потребителей.
Каждый КА излучает навигационные сигналы на нескольких несущих частотах. Квадратурные составляющие сигналов, передаваемых на каждой из несущих частот, подвергаются фазовой манипуляции различными дальномерными ПСП . Структура некоторых из этих ПСП опубликована, соответственно данный сигнал может приниматься всеми потребителями. Структура другой части ПСП закрыта, поэтому данный сигнал доступен для приёма только санкционированным потребителям, которым структура ПСП известна.
Услуга стандартного позиционирования SPS и временной синхронизации доступна для всех категорий потребителей безвозмездно и глобально и реализуется посредством излучения всеми КА GPS навигационных радиосигналов, модулированных дальномерным кодом C/A (Coarse/Acquisition – грубый приём). Код C/A представляет собой ПСП Голда длительностью 1 023 символа с тактовой частотой 1,023 МГц. Таким образом, ПСП C/A-кода имеет период повторения T = 1 мс, что соответствует интервалу однозначного измерения псевдодальности около 300 км. Программа развития GPS предусматривает предоставление гражданским потребителям услуги SPS с помощью сигналов L2C, L5 и L1C.
Услуга точного позиционирования PPS реализуется посредством излучения всеми КА ОГ GPS навигационных радиосигналов в диапазонах L1 и L2, модулированных дальномерным P(Y)-кодом. Услуга PPS предназначена для использования исключительно вооружёнными силами США, федеральными агентствами США и вооружёнными силами некоторых союзников.
ОГ
Штатная ОГ GPS состоит из 32 основных КА , расположенных на шести круговых орбитах, обозначаемых латинскими буквами от A до F. Дополнительно на некоторых орбитах может находиться один или два резервных КА , предназначенных для сохранения параметров системы при выходе из строя основных КА . Наклонение орбитальных плоскостей 55°, долготы восходящих узлов различаются на 60°. Высоте орбит 20 200 км соответствует период обращения 11 ч 58 мин, т. е. орбиты КА GPS являются синхронными.
| КОЛИЧЕСТВО ШТАТНЫХ КА | 24+ |
| ВЫСОТА ОРБИТЫ | 20 200 км |
| КОЛИЧЕСТВО ПЛОСКОСТЕЙ | 6 |
| БОЛЬШАЯ ПОЛУОСЬ | 26 560 км |
| ПЕРИОД | 11 ч 58 мин |
| НАКЛОНЕНИЕ | 55° |
Типы КА
Текущий этап модернизации GPS предполагает разработку и производство НКА GPS следующего поколения, имеющих условное обозначение НКА GPS III, которые в сочетании с усовершенствованными НКУ и НАП обеспечат улучшенные характеристики в части помехозащищённости, точности, доступности и целостности в соответствии с требованиями 2025 года и на дальнейшую перспективу.
Уникальные особенности GPS III, которые отличают ее от системы GPS на основе предыдущих поколений НКА :
- Четвертый гражданский навигационный радиосигнал L1С, изначально разработанный для обеспечения взаимодополняемости с гражданским сигналом E1 системы Galileo (ЕС) и внедряемыми в системах Beidou (КНР), QZSS (Япония) и NavIC (Индия) гражданскими сигналами.
- Высокоскоростная командно-измерительная и телеметрическая радиолиния (TThttps://glonass-iac.ru/guide/gnss/gps.php» target=»_blank»]glonass-iac.ru[/mask_link]
Сферы применения GPS-навигации
Global Positioning System (GPS) – система глобального позиционирования через спутниковую навигацию – сегодня одна из самых развивающихся технологий, которая находит применение в разных сферах. При этом технология GPS давно выросла из узкоспециализированного направления и некогда доступная лишь ученым и военным теперь используется как в бизнесе и производстве, так и обычными людьми для вполне обыденных целей.
Как это работает
Разработанная еще в 1950-е годы Министерством обороны США, система GPS являет собой очень сложную структуру, разобраться в которой может разве что специалист в этой области. Тем не менее, общие принципы работы доступны для понимания и обычному человеку.
В основе GPS лежит три основных сегмента:
— космический;
— управляющий;
— пользовательский.Космический сегмент в настоящее время представлен 32 спутниками, находящимися на средней по удаленности орбите. Спутники транслируют радиосигнал, который перехватывается передатчиками на Земле. Сигнал позволяет определять в реальном времени местоположение объекта, оснащенного GPS-приемником (пользовательский сегмент), по трем координатам.
Управляющий сегмент включает в себя станции мониторинга, главную станцию управления и антенны, которые объединены в общую сеть на Земле.
Сферы применения GPS
Хотя проект изначально был разработан сугубо для военных целей, сегодня подавляющее большинство пользователей – гражданские лица. Практически любое современное мобильное устройство оснащено GPS-навигатором, не говоря уже о профессиональном оборудовании моряков, летчиков, спасателей, врачей, ученых и, конечно же, военных.
Основные сферы применения GPS:
— картография. При помощи GPS составляются подробные карты и планы местностей с рельефом любой сложности. В дальнейшем эти карты могут также использоваться по самым разным направлениям – от туризма до разработки военных стратегий;
— геодезия. Очерчиваются точные границы земельных участков и координаты каких-либо конкретных объектов;
— транспортный мониторинг. Всем известные «карты пробок». Без помощи GPS отслеживание транспортного потока было бы непозволительной роскошью с применением воздушного слежения;
— сотовая связь. Применяется для определения точного местоположения абонента, звонящего в службу спасения, поскольку пострадавший не всегда может точно указать свои координаты или просто не успевает этого сделать;
— мониторинг тектоники. При помощи GPS ведутся наблюдения за перемещениями тектонических плит. Это позволяет, в частности, спрогнозировать землетрясения и извержения вулканов;
— даже компьютерные игры не обошлись без GPS. Существует целый игровой жанр, который использует местонахождение игрока на реальной местности;
— при прогнозировании погоды. Сотни метеорологических станций по всему свету передают данные по погодным условиям и при этом связывают их со своим местоположением;
— в авиации и мореходстве передатчики GPS позволяют отслеживать курсы самолетов или судов в реальном времени и при необходимости быстро среагировать на сигнал бедствия;
— геотаргегинг – те или иные события, фотоснимки можно привязать к конкретному месту на Земле. Этим часто пользуются посетители социальных сетей;
— навигация. Пожалуй, самая распространенная сфера применения GPS на сегодня. Капитан корабля может быстро определить свое положение на карте, а командир – на поле боя. Дальнобойщик не заблудится на многочисленных развязках трассы, а путешественник — в горах или в лесу.Да и обычному горожанину легко определить свое местоположение в незнакомом районе и быстро проложить маршрут до нужного адреса. Кроме того, в карты загружены координаты кафе, ресторанов и гостиниц. Так что поиск нужного места с появлением GPS занимает считанные секунды.
Преимущества GPS
Технология глобального позиционирования прочно внедряется в повседневную жизнь благодаря своим преимуществам:
— простота для конечного пользователя. Не требуется быть экспертом, чтобы начать пользоваться приложением для смартфона с поддержкой GPS;
— дешевизна. Само обслуживание и запуски спутников, конечно, обходятся недешево, но большая распространенность технологии позволила удешевить услуги GPS. Практически все, что требуется сегодня, — приобрести устройство с GPS-приемником, себестоимость которого крайне невысока. Их встраивают в компьютеры и банкоматы, в телефоны и даже фотоаппараты;
— глобальный охват. Весь Земной шар, за исключением полюсов, охвачен сетью GPS;
— высокая точность. Сегодня усовершенствованные технологии позволяют определить место нахождения приемника или передатчика с точностью до одного метра;
— всепогодность. Качество работы GPS практически не зависит от погодных условий.Источник: www.vspcenter.ru
Как работает GPS
GPS — это аббревиатура от Global Positioning System (система глобального позиционирования). Её придумали в США в 1970-х годах, чтобы военные могли получать точные координаты объектов на Земле. В 2000 году этой системой разрешили пользоваться всем. Сейчас благодаря GPS-модулям мы пользуемся картами в телефонах и указываем место доставки даже не вводя свой адрес. Рассказываем, как работает эта технология и что для этого нужно.
В этой статье мы говорим об американской GPS, но аналогичная была в СССР и есть в России — ГЛОНАСС. Принцип действия такой же, поэтому в современных навигационных чипах используется одновременно и GPS, и ГЛОНАСС.
Триангуляция
В основе GPS лежит идея триангуляции точки в пространстве. Чтобы было проще, начнём издалека.
Чтобы определить положение точки в пространстве, достаточно знать расстояние от неё до трёх других точек с заранее известными координатами. В геодезии и радиосвязи это называется триангуляция — когда мы по координатам трёх точек можем вычислить, где находится четвёртая (наша). В сотовых телефонах без GPS-модуля это работает так:
- Сотовый телефон ловит сигналы от трёх вышек радиосвязи.
- В этих сигналах передаются, в числе прочего, координаты самих вышек.
- Телефон замеряет время, за которое проходит сигнал до каждой вышки.
- На основе этого времени высчитывает координаты своего местоположения с точностью 10–20 метров.
Теперь, когда мы знаем основную идею, переходим к спутникам.
Как работает GPS
В GPS-позиционировании вместо вышек связи спутники. Задача такого спутника — постоянно передавать на землю свои координаты, информацию о времени и другие служебные данные. Всё это отправляется со спутника в виде радиосигналов на частоте примерно 1,5 гигагерца со скоростью 50 бит в секунду. Постоянно. Круглосуточно.
Вот прямо сейчас у вас над головой висит спутник и говорит: я вот тут, время такое-то; я вот тут, время такое-то; я вот тут, время такое-то.
Чтобы рассчитать точное расстояние до спутника, нужно очень точно измерять время прохождения сигнала. Для этого в каждый спутник ставят атомные часы, которые передают время с точностью 10 −11 секунды. Это позволяет вычислить положение каждого спутника с точностью до нескольких метров.
За работу GPS в телефонах отвечает отдельный радиомодуль — он настроен на частоты спутников, и в нём есть все нужные алгоритмы расчётов. И вот теперь нам пригодится логика триангуляции, которая в случае со спутниками называется трилатерацией:
- Телефон получает сигнал от первого спутника, но это ему ничего не даёт.
- После получения сигнала от второго спутника телефон понимает примерную окружность, в которой он находится. При этом окружность может иметь сотню километров в диаметре, поэтому точных координат пока нет.
- После сигнала от третьего спутника телефон может посчитать примерное местоположение с точностью около 10 метров.
- А вот после сигнала от четвёртого и всех последующих спутников — с точностью до метра.
Технически можно определить местоположение и по трём спутникам, только оно будет неточным и нужно долго стоять на одном месте. Четвёртый спутник сильно упрощает вычисления и даёт как раз нужную точность. Все остальные найденные спутники помогают уточнить позицию и служат для подстраховки — если один уйдёт из зоны видимости, телефон пересчитает местоположение по оставшимся.
Наземные станции GPS
Чтобы спутники всегда знали свои координаты и были синхронизированы по времени, они поддерживают связь с наземными станциями. Там установлены большие антенны, которые передают на спутники уточнённые данные об их местоположении, о соседних спутниках, параметрах движения и прочую информацию, нужную для работы системы. Эти данные наземные станции рассчитывают на основе информации от всех спутников в режиме реального времени.
Если бы не было этих станций, из-за постоянного смещения орбиты, влияния атмосферы и космических помех спутники бы начали давать неверные данные. В итоге со временем точность позиционирования падала бы всё сильнее, пока не испортилась бы окончательно. Чтобы этого не произошло, каждые несколько часов на спутники отправляется новая порция данных.
Глонасс, Бэйдоу и Галилео
GPS — первая, но не единственная система глобального позиционирования. Сейчас в мире работают ещё три подобные системы такого уровня. У них разные рабочие частоты, но одинаковый принцип действия:
- ГЛОНАСС — российская система, в которой 27 спутников (у GPS — 32). У неё выше точность, чем у GPS;
- Бэйдоу — принадлежит Китаю, сейчас туда входит 15 спутников — это минимальное количество для стабильной работы навигации;
- Галилео — европейская система, 23 спутника.
С какой системой работать — зависит от того, какой модуль стоит в приёмнике (в телефоне или навигаторе). Сейчас большинство смартфонов поддерживают работу всех систем, кроме Галилео, — это значит, что для позиционирования могут использоваться сразу 20–30 спутников. Это не даёт прироста к точности, зато даёт надёжность — если спутники одной системы будут недоступны, можно сориентироваться по другим.
Холодный и горячий запуск
При первом поиске точных координат телефон может потратить на это около минуты, обычно — секунд 30–40. За это время телефон находит сигналы от спутников, рассчитывает расстояние, вычисляет своё местоположение и уточняет его по другим спутникам. Параллельно с этим, если есть интернет или мобильная связь, телефон вычисляет своё примерное местоположение — это ускоряет получение более точных координат. Такой запуск называется холодным — когда связи со спутниками не было долгое время. В приложении это выглядит как точка, которая постоянно движется по карте, пока не замирает в одном месте.
Горячий запуск — это когда с момента последнего определения координат по спутникам прошло не больше 10–15 минут. Телефон уже помнит свои последние координаты и на основе старых данных и схеме движения спутников примерно рассчитывает своё местоположение. В это же время он связывается со спутниками, получает данные и уточняет свои координаты. При горячем запуске на это уходит 5–10 секунд.
Почему в помещении GPS работает плохо (или не работает совсем)
Многие думают, что для работы GPS-приёмника нужно находиться на открытом воздухе, чтобы было видно небо (или чтобы не было преград между телефоном и небом). На самом деле радиоволнам всё равно, видите вы небо или нет: они распространяются по законам физики и могут доходить до приёмника сквозь стёкла машин, листву, навес сарая или даже стены.
На этих частотах работает правило, что чем толще препятствие, тем сложнее радиосигналу проникнуть внутрь. Проще говоря, чем толще стены и чем глубже вы находитесь внутри, тем хуже будет GPS-позиционирование (или его не будет вообще). Но даже в помещении недалеко от окна вполне реально поймать несколько спутников и точно определить свои координаты.
Другое дело — спутниковая телефонная связь. Там на самом деле нужно быть на открытом месте, потому что требования к частотам и качеству связи там совсем другие.
Источник: thecode.media
Самое главное о GPS-навигации: что такое GPS и зачем он нужен?
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.
Система GPS точно определяет ваше местоположение. На основе этих данных навигационные программы могут прокладывать маршруты до места назначения.
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».
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.
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.
GPS-приемник подключается к ноутбуку, телефону, смартфону или КПК. Без дополнительного программного обеспечения ценность его сомнительна.
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.
Автомобильный навигатор – самое популярное на сегодняшний день GPS-устройство.
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.
Смартфоны со встроенным GPS-модулем отличаются меньшей навигационной функциональностью, но работать с ними порой даже удобнее. Только вот карту видно плохо.
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.
Смартфоны без GPS-модуля, использующие сотовую навигацию, собственно навигационными устройствами не являются. Но, тем не менее, все равно смогут помочь вам сориентироваться на местности.
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?»
Источник: xn--l1a.xn—-8sb1bezcm.xn--p1ai
GPS: Система навигации будущего — Разбор
Сегодня мы вам расскажем о принципах работы геолокации и геопозиционирования. Как работает GPS, что такое A-GPS и какое будущее нас ждёт?
Валерий Истишев 12 декабря 2020 в 06:44
Спутниковая навигация прошла довольно большой путь эволюции. По мере своего развития навигация преодолела много проблем, пока не стала чем-то таким же привычным и удобным как интернет. Поэтому сегодня мы сначала поговорим о том, как работает спутниковая навигация сейчас и немного заглянем в будущее.
Узнаем как работает GPS?
Зачем внутри смартфона нужны атомные часы?
Как Эйнштейн испортил всю навигационную малину своей теорией относительности?
И возможна ли навигация с точностью до 1 см?
Военная технология
Проблема первая. Поначалу это просто была технология “не для всех”. Как и многие привычные сегодня в быту технологии, типа компьютерной мыши, телефона или интернета, спутниковая навигация изначально была военной разработкой. И пользоваться ей могли только военные.
Всё началось в 50-х, когда СССР запустили первый искусственный спутник Земли. Это стало очень раздражать американских военных. И тогда они придумали первую систему глобальной спутниковой навигации — GPS или Global Positioning System.
Первый GPS-спутник запустили аж в 1974 году. Но только к 83 году систему GPS открыли для гражданский нужд. Но чтобы гражданским не было слишком сладко, военные стали использовать режим селективного доступа, то есть искусственно угрубляли сигнал, что снижало точность определения координат до 100 метров. Такой вариант навигации тоже подходил не всем.
И только к 2000 году все искусственные ограничения были сняты, и точность повысилась со 100 до 20 метров. С тех пор спутниковая навигация не стояла на месте. Например, в машинах она прошла путь от встроенных блоках в начинку авто, до крохотной микросхемы в вашем смартфоне или часах.
Да и вообще, сегодня сложно представить жизни без карты по рукой! Но, тем не менее, прежде чем говорить о следующих этапах развития. Давайте разберемся как вообще работает GPS. Тем более, что и другие системы работают по тому же принципу.
Орбиты
Итак, спутники системы GPS обращаются вокруг Земли по круговым орбитам в шести разных плоскостях. Сейчас вращается всего 32 спутника: 31 из них рабочий и один запасной. Хотя для корректной работы системы достаточно всего 24 спутника, именно столько спутников нужно чтобы в любой точке Земли в любой время наблюдалось хотя бы 4 спутника GPS.
Все спутники находятся на одной высоте 200 км над уровнем моря. Это так называемая орбита суточной кратности. Дело в том, что период обращения тел на этой орбите 11 часов 58 минут, а это значит, что спутник совершает за одни звездные сутки ровно два витка вокруг Земли. Всё потому что звездные сутки длятся 23 часа 56 минут, а не ровно 24 часа, как мы тут все думаем.
Принцип работы
Окей, с этим всё понятно. Но как спутники где-то далеко в космосе помогают определить твоё положение на Земле?
Неужели, когда мы открываем навигационное приложение, телефон посылает какой-то сигнал до спутника и спутник ему отвечает, присылая координаты?
Не совсем так. Во-первых, любое навигационное устройство ничего в космос не посылает, оно только принимает сигнал, поэтому и называется приемником.
А спутник — это вообще по большому счёту космическое радио, которое вместо музыки транслирует время и координаты. Только не ваши, а свои.
Да-да. Спутник буквально говорит приемнику: «Приветики, а у меня тут 14:21! Пролетаю над Тихим Океаном. До связи.»
А приёмник просто ловит этот сигнал.
Мы конечно рады что спутник знает где и сколько у него там времени. Но как это может помочь нам на Земле? И вот тут начинается самое интересное.
Дело в том, что радиосигнал распространяется со скоростью света. А значит, посчитав разницу между временем, когда нам был отправлен сигнал и временем, когда мы его получили, мы можем вычислить на каком расстоянии от спутника мы находимся.
Уже что-то. Теперь мы можем нарисовать сферу вокруг спутника. В одной из точек этой сферы мы и находимся. Но если поймать сигнал от второго спутника, мы можем нарисовать вторую сферу. Теперь мы находимся где-то на границе пересечения этих сфер. А поймав третий спутник, мы уже точно узнаем где мы!
Ведь так?
Не совсем. Дело в том, что спутники для определения времени используют очень точные атомные часы. А в наших смартфонах часы не такие точные. А в данном случае, даже ошибка в одну микросекунду даёт погрешность в районе 300 метров.
Из этой ситуации есть два выхода:
- Либо использовать в смартфонах такие атомные часы. Это решает проблему со спутниками, но слегка утяжеляет и удорожает смартфоны.
- Либо нам понадобится 4-й спутник.
При наличии четвертого спутника, мы можем вычислить погрешность наших часов чисто математически. И готово. Теперь мы знаем свои координаты.
Проблема с Эйнштейном
А точнее знали бы, если бы не вмешалась теория относительности Эйнштейна, которая на практике оказалась совсем даже не теорией. Дело в том, что спутники по орбите движутся с достаточно приличной скоростью. Примерно 4 км/с. А на такой скорости согласно релятивистским эффектам время на спутнике замедляется относительно нас. То есть на Земле время бежит быстрее.
Поэтому, чтобы не сожалеть об упущенном времени, как Мэтью Макконахи, атомные часы на борту спутника замедляют.
Атомы вибрируют не на положенной частоте 10,23 МГц, а на вот такой некрасивой: 10,229 999 995 43 МГц
Холодный старт
Ну всё. Четыре спутника поймали, теорию Эйнштейна учли. Теперь то мы сможем определить свои координаты? Верно, сможем! Через 12,5 минут.
И вот тут мы плавно переходим ко второй проблеме спутниковой навигации. Она очень долго была тормозной. На самом деле спутники передают чуть больше данных, чем я до этого сказал:
- Нужно передать так называемый альманах — это общие параметры орбит всех спутников.
- Нужно передать эфемериды — так называются координаты текущего спутника.
- Всякие данные о коррекции времени и прочее. Вот весь пакет данных и передается 12,5 минут.
Естественно, 12 минут никто ждать не станет. Поэтому данные передаются блоками и первую полезную информацию можно получить за 30 секунд.
Так называемый “холодный старт” навигатора раньше длился от 30 до 60 секунд, смотря в какую фазу вы попали. Все старики помнят, как это было мучительно. Поэтому, чтобы мы больше не страдали, пришла технология A-GPS.
Эта штука одновременно очень проста и гениальна. Зачем грузить огромный альманах и прочие данные с тормознутого спутника, если тоже самое можно скачать из сети? Именно это и позволила делать технология A-GPS.
Такой небольшой хак, позволил сократить время холодного старта с 30 секунд до 1 секунды. Представляете, как круто!
Причем появилась технология давно, аж в 2001 году. Но широкого распространения долго не получала, использовалась только экстренными службами типа 911.
И так продолжалось года до 2010, пока не наступила эра смартфонов и сетей 3G.
Карты
И вот в начале 2010-х у всех в руках появилось по гаджету с достойным GPS приёмником. Но на самом деле пользоваться GPS мы стали гораздо позже. Почему?
Откровенно говоря, долгое время качество картографических сервисов оставляло желать лучшего. Все карты были офлайновые, а поэтому обновлялись они не часто, как правило раз в год. А за год много чего происходит. Да и такой роскоши, как показ пробок — все этого не было.
Пока в 2012 году не появились онлайн-карты типа Яндекс.Навигатора. Это время совпало с появлением 4G в России и других странах.
Ошибки
Но не будем забегать далеко вперед. Дальше начался период работы над ошибками. Вы наверняка замечали, что в GPS есть проблемы с точностью. И в этом нет ничего удивительного. Ведь когда ты посылаешь сигнал на расстояние 20 тысяч километров многое может пойти не так.
Во-первых, свои корректировки вносит атмосфера Земли.
Радиосигнал просто преломляется и из-за этого точность падает. Например, точность GPS в идеальных условиях составляет 70 сантиметров. Но только тропосфера ионосфера земли докладывает 4-5 метров искажений. А с учетом других факторов погрешностет может достигать 13 метров.
Кроме того не стоит забывать, что высокие здания города часто портят сигнал, а под мостом или в тоннеле он вообще теряется.
Умный софт
А вот теперь смотрите. Навигатору нужно точно знать, на какой дороге находится автомобиль. Он должен понимать, с какой скоростью движется автомобиль, сколько осталось до следующего поворота, ушел человек с маршрута или нет. И всё это надо делать в реальном времени. Поэтому, если бы навигаторы пользовались сырыми данными GPS со всеми погрешностями, то навигация не работала бы совсем.
Как же эту проблему решают? Естественно, при помощи умного софта!
Например, в Яндекс.Картах или Яндекс.Навигаторе, работает алгоритм, рассчитывающий вероятности!
Когда сигнал так себе, софт предполагает, что машина может находиться сразу в нескольких точках! Для каждой из точек, незаметно для вас, навигатор стоит свой маршрут, но вы видите только один маршрут. Вы спросите какой? Правильно, наиболее вероятный!
Для каждого из возможных положений пользователя, просчитывается вероятность, с учетом погрешности сигнала, угла и направления движения. Поэтому софт всегда выбирает наиболее вероятный вариант. На самом деле, Яндекс всегда считает несколько вариантов, и не только когда сигнал плохой.
Но если другой вариант становится более вероятным, перестраивание маршрута происходит мгновенно, потому как у навигатора всегда несколько вариантов наготове.
Глушилки
Но существует ещё одна проблема: спутниковый сигнал можно легко заглушить, при помощи специальных устройств.
Москвичи хорошо знают, что по городу периодически встречаются аномальные GPS зоны, в которых тебя резко телепортирует куда-нибудь во Внуково.
Но такая проблема была раньше. Сейчас в Яндекс.Навигаторе или Яндекс.Картах научились определять аномалии в GPS, вызванные глушилками. Хотя полноценная навигация с заглушенным GPS невозможна, сейчас ваша карта не перепрыгнет в неверную позицию, вы просто увидите сообщение «Защита от телепортации включена» или «GPS нет, но вы держитесь».
Дифференциальная коррекция
Но не только, софт решает эти проблемы. Сейчас по всему миру развертывают системы дифференциальной коррекции ошибок спутниковой навигации. На территории стран СНГ работает система СДКМ, которая которые позволяет увеличить точность определения координат с нескольких метров, до нескольких сантиметров! Это очень хорошая штука.
На Земле ставится специальная станция-приёмник, которая очень точно знает свои координаты. Она также принимает сигнал от спутников и соответственно, может вычислить насколько в данной конкретной точке косячит навигация.
Дальше дифференциал ошибки передается на геостационарный спутник. Это такой спутник, который летает на далёкой орбите и вращается одновременно с Землей, поэтому он всегда находится на одном месте с точки зрения землян. А дальше это спутник посылает корректировку на ваш приёмник.
Также, параллельно с системой GPS, развивались и другие глобальные системы навигации. В 2015 году запустилась российская система ГЛОНАСС. А в этом году стартовала китайская система Бэйдоу (Beidou). И буквально в шаге от старта находится европейская GALILEO, обещали запуск 2020-м, но всё никак не запустятся. Есть ещё и японская QZSS.
И современные смартфоны уже поддерживают все эти системы. Поэтому и навигация на них работает еще быстрее и точнее. А значит и вариантов использования навигации появляется еще больше. поэтому пологим про будущее навигации.
Навигация везде
Навигация стремится быть повсеместной. Сейчас в больших городах люди используют вообще все виды транспорта: такси, каршеринг, метро, самокаты и, естественно, на своей ласточке тоже рассекают. Поэтому логично, что приложения для навигации должны подходить для всех типов помещений.
Смотрите сами, в последнем обновлении Яндекс.Карт есть весь функционал Навигатора. По сути, теперь нет необходимости ставить два приложения. Раньше она была урезанная, но теперь Карты, также как Навигатор, предупреждают о камерах, скоростных ограничениях, авариях, ремонте дороги и прочем. Есть парковки или же заправки, которые позволяют оплачивать бензин не выходя из машины в приложении.
Прокладка маршрута такая же, даже “разговорчики” подвесили.
Но в отличие от Навигатора, когда выходишь из машины, теперь не надо переключаться на другое приложение.
Сразу под рукой крутые пешие маршруты, крутейший AR-режим и схемы торговых центров.
Можно просто удалять остальные приложения и пользоваться только картами.
Будущее
Поэтому, на мой взгляд, в будущее уже совсем не будем отдавать себе отчет как работает навигация.
На улице смартфон будет ловить спутники, заходя в торговый центр, твои координаты будут определяться через общественный Wi-Fi. И всё это будет работать бесшовно и в одном приложении.
Сервисы будут постоянно улучшаться с помощью Big Data, ведь за точность пробок надо сказать спасибо 27 миллионам пользователей Яндекс Навигатора, и 20 миллионов пользователей Яндекс Карт на мобильных девайсах.
А если говорить о беспилотных автомобилях, то они уже смогут использовать не только GPS, но и камеры и лидары, также данные о скорости и руле серьезно повысят точность позиционирования.
Источник: droider.ru