Как работает gps навигация

Система спутниковой навигации GPS – принцип, схема, применение

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.

История GPS

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:

• Мобильная связь;
• Тектоника плит – происходит слежение за колебаниями плит;
• Определение сейсмической активности;
• Спутниковое отслеживание транспорта – можно проводить мониторинг за положением, скоростью транспорта и контролировать их движение;
• Геодезия – определение точных границ земельных участков;
• Картография;
• Навигация;
• Игры, геотегинт и прочие развлекательные области.

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.

Навигация без GPS

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:

• Разные кодировки – американцы используют CDMA, для российской системы используется FDMA;
• Разные габариты устройств – ГЛОНАСС использует более сложную модель, поэтому повышается энергопотребление и размеры устройств;
• Расстановка и движение спутников на орбите – российская система обеспечивает более широкий охват территории и более точное определение координат и времени.
• Срок службы спутников – американские спутники делаются более качественными, поэтому они служат дольше.

Помимо ГЛОНАСС и GPS существуют и другие менее популярные навигационные системы – европейский Galileo и китайский Beidou.

Описание GPS

Принцип работы GPS

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:

• Погрешность в вычислении орбит;
• Ошибки, связанные с приемником;
• Ошибки, связанные с многократным отражением сигнала от препятствий;
• Ионосфера, тропосферные задержки сигнала;
• Геометрия расположения спутников.

Основные характеристики

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:

• Количество спутников – 26, 21 основной, 5 запасных;
• Количество орбитальных плоскостей – 6;
• Высота орбиты – 20000 км;
• Срок эксплуатации спутников – 7,5 лет;
• Рабочие частоты – L1=1575,42 МГц; L2=12275,6МГц, мощность 50 Вт и 8 Вт соответственно;
• Надежность навигационного определения – 95%.

Навигационные приемники бывают нескольких типов – портативные, стационарные и авиационные. Приемники также характеризуются рядом параметров:

• Количество каналов – в современных приемников используется от 12 до 20 каналов;
• Тип антенны;
• Наличие картографической поддержки;
• Тип дисплея;
• Дополнительные функции;
• Различные технические характеристики – материалы, прочность, защита от влаги, чувствительность, объем памяти и другие.

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.

Холодный, теплый и горячий старт GPS навигатора

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:

• Найти спутник и установить с ним связь;
• Получить альманах и сохранить его в памяти;
• Получить эфемериды от спутника и сохранить их;
• Найти еще три спутника и установить с ними связь, получить от них эфемериды;
• Вычислить координаты при помощи эфемерид и местоположения спутников.

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.

Ограничения на покупку и использование самодельных модулей GPS

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 работает GPS

Надо найти библиотеку в 3 часа ночи — пожалуйста, доехать до Рубинштейна «24» — нет проблем, найти север без фокусов с иголкой — запросто. Портативные гаджеты давно заменили бумажные карты и компасы благодаря GPS и ее аналогам. Система спутниковой навигации — популярная тема для споров, обросшая мифами и легендами, как исландское дерево мхом. Попытаемся разобраться во всем по порядку.

Маленький, но уже военный

В 1967 году руководство СССР задумалось о создании системы глобальной навигации. Спустя 9 лет родился «Циклон» — комплекс спутников, снабженных атомными часами, передатчиками и возобновляемым источником питания. Перспективный космический страж не долго сиял золотыми эполетами солнечных батарей. В начале 90-х прекратили выделять ассигнования, несколько спутников сломались и сошли с орбиты. Сменив в 1993 году военную форму на гражданский костюм, Циклон взял новое имя — ГЛОНАСС. В этом же году американцы запустили двадцать четвертый спутник, завершив девятнадцатилетнюю эпопею создания GPS. До этого момента СССР и США шли ноздря в ноздрю, создавая практически идентичные системы, но кризис 1998 года изменил расстановку сил навсегда.

Слухи и факты

Среди форумных забияк бытует мнение, что ГЛОНАСС — плохая система с очень низкой точностью позиционирования, ее работе может помешать даже дерево. Слухи начали распространяться в начале 2000 годов.
Десяток спутников отправились в космос полетать, один сошел с орбиты, их осталось девять.
Девять спутников, в космосе летая, ловили солнца луч, один не смог поймать, их осталось восемь.
Из-за недостатка финансирования в 2001 году количество летунов сократилось до шести. В те времена пациент был скорее мертв, чем жив. В 2007 аппаратов стало 18, в 2010 на орбиту вывели 26 штук. Космические скитальцы постоянно падают, срок жизни американского образчика технического искусства — 10 лет, у российского меньше.

Как это работает?

Спутник в космосе — летающая радиостанция, посылающая приветственные сигналы приемникам. Роль приемников играют наши смартфоны и навигаторы. Вопреки расхожему заблуждению, телефон никуда и никакие сигналы не отправляет с помощью супермощной антенны. Для точного вычисления координат необходимо минимум 4 спутника — три передают данные о своем местоположении относительно земли и друг друга, четвертый фиксирует время прохождения сигнала от передатчика к приемнику. Местоположение устройства определяет процессор — он должен быть мощным. Флагманский вычислитель обрабатывает информацию практически мгновенно. Старенький же процессор, как Сусанин, будет долго водить по кустам, кочкам и болотам. Современные устройства умеют принимать сигналы от 12 летающих радиостанций, в скором времени научатся и от всех 24. Чем больше источников информации — тем лучше.
Кроме широко известной GPS и отечественного аналога, существует еще несколько похожих систем навигации — китайский Beidou, европейский Galileo, индийский IRNSS. Но чтобы точно определять координаты, достаточно только одной. Такое многообразие обуславливается лишь страхом пред отключением GPS и необходимостью координировать передвижение войск в случае войны.

Не такой, как все

У ГЛОНАСС, в отличии от GPS, отсутствует привязка к планете. Из-за этого спутники не видят краев и часто падают, сгорая в атмосфере. Точность тоже страдает — 4–8 метров против 2,5 метров у американцев. Зато в России можно пользоваться двумя системами одновременно, получая точность в 1,5 метра. В США такая опция доступна только в некоторых штатах, устройства просто не видят российские спутники. Для точного определения местоположения на территории РФ достаточно 18 спутников на орбите. ГЛОНАСС лучше всего ловит на севере, потому что изначально система создавалась для позиционирования войск в северных регионах страны. GPS info — приложение, помогающее ловить сигналы от двух систем одновременно. Узнать, сколько космических летунов видит конкретное устройство, можно с помощью софта GPS Test.

Почему тупит?

Спутники все время находятся в движении, их траекторию отслеживают наземные станции. Актуальная информация отправляется на гаджеты в альманахах — библиотеках с самыми точными сведениями о местоположении всех доступных спутников. Обновляются альманахи по воздуху через GPRS или Wi-Fi. Если скорость Интернет-соединения низкая, процедура поиска может затянутся на 5–10 минут. В нормальном режиме на обновление уйдет 30 секунд.

Для тех, у кого с интернетом все норм, придумали A-GPS — специальный софт, передающий данные о местоположении спутника с помощью всемирной сети. Используется там, куда не пробиться сигналу от крылатой радиостанции — горы, подвалы, низины. По сути A-GPS — это цифровой репитер, повторяющий сигналы от GPS по другим каналам.

Незаменимые помощники

Акселерометр приходит на помощь спутникам, показывая куда поворачивает телефон, с какой скоростью он движется.
Магнитометр помогает акселерометру понять, где север, чтобы сориентировать в пространстве. Чем больше всяких датчиков в гаджете, тем точнее будут определены координаты.
Датчик компаса помогает определить направление движения. Если он не настроен, точность позиционирования значительно снижается. Чтобы привести его в рабочее состояние, достаточно запустить приложение и откалибровать, следуя инструкции от производителя.

А что в целом?

ГЛОНАСС — ровесник GPS, идеален для северных регионов, об этом хорошо осведомлены Шведы, использующие именно эту систему спутниковой связи. Самый большой минус — низкая точность, компенсируется подключением GPS-спутников через специальное приложение для Android и iOS.
В смартфонах антенна не важна, главное процессор и вспомогательные датчики, топовые устройства не имеют проблем с навигацией. A-GPS и другой софт — отличные костыли, помогающие престарелым устройствам ориентироваться в условиях мегаполисов и бездорожий. Для быстрого и правильного позиционирования навигатор необходимо подключать к 4G или регулярно обновлять информацию с помощью ноутбука, смартфона по Bluetooth.

Путешествуйте чаще, не бойтесь открывать новые места, ведь современные технологии не стоят на месте и в ногу идут с желаниями человека, помогая и упрощая ему жизнь в исследовании неизведанного.

Как на самом деле работает GPS и почему многие GPS-устройства могут переставать работать правильно

Большинство людей не осознают вездесущность системы GPS, которая разрабатывалась в течение десятилетий. Она используется не только для навигации. Предельная точность отсчёта времени GPS (+/- 10 миллиардных долей секунды) позволяет бесчисленным предприятиям со всего мира применять её в различных целях, начиная от помощи в управлении энергосистемой и заканчивая регулированием фондового рынка и проведением банковских операций. GPS позволяет компаниям достигать уровня точности атомных часов, включая лёгкую синхронизацию времени по всему земному шару, без необходимости иметь атомные часы или придумывать собственные системы для глобальной синхронизации. Проблема в том, что, ввиду причудливых оригинальных спецификаций, многие GPS-устройства могут перестать работать правильно, если оперативно не обновить их прошивку. Итак, что происходит, каким образом работает система GPS и кто первым придумал её?

4 октября 1957 года Советский Союз запустил «Спутник». Как вы можете себе представить, за этим крошечным спутником следили учёные со всего мира. Наиболее подходящими для рассматриваемой сегодня темы были два физика из Университета Джона Хопкинса – Уильям Гийер и Джордж Вайффенбах.

Изучая орбиты и сигналы, исходящие от спутников, пара осознала, что, благодаря скорости движения и характеру передач, мы можем точно определить их положения, используя эффект Доплера.

Вскоре после этого некий Фрэнк Макклюр, также из Университета Джона Хопкинса, попросил пару определить, возможно ли сделать это наоборот. Вскоре они обнаружили, что, действительно, используя известную орбиту спутника и изучая сигнал, поступающий от него, наблюдатель на Земле способен в относительно короткий промежуток времени установить собственное местоположение.

С этого всё и началось.

Были предложены и в некоторых случаях разработаны различные системы. Наиболее заметной в конечной эволюции GPS стала Transit (Navy’s Navigation Satellite System), которая была запущена к 1964 году. Эта система теоретически могла сообщить членам экипажа подводной лодки или корабля, где они находились, хотя местоположение можно было обновлять только один раз в час, и это занимало около 10-15 минут. Более того, если корабль двигался, страдала точность.

Ещё одной важной системой стала Timation, которая первоначально использовала кварцевые часы, синхронизированные на земле и на спутниках, в качестве ключевого компонента того, как система определяла местоположение наблюдателя на Земле. Однако часы не отличались высокой точностью, поэтому первые испытания показали большую погрешность (точность составляла всего 0,3 морских мили); более того, получение данных заняло около 15 минут. Последующая модернизация Timation привела к некоторым улучшениям, даже тестированию атомных часов для повышения точности. Однако далее дело не сдвинулось.

К началу 1970-х годов была предложена система Navigation System Using Timing and Ranging (Navstar), которая, по сути, объединяла элементы Transit, Timation и прочих.

Перенесёмся в 1983 год. На тот момент в США не было полноценно функционирующей системы GPS, однако были запущены первые прототипы спутников, и система постепенно тестировалась и внедрялась. Именно в этот момент самолёт «Корейских авиалиний», совершавший рейс 007, вылетел из Нью-Йорка, совершил дозаправку в Анкоридже (Аляска) и направился в Сеул (Южная Корея).

Какое отношение это имеет к вездесущей системе GPS, какой мы её знаем сегодня?

Экипаж не заметил сбой в работе автопилота, в результате чего он непреднамеренно заблудился в советском воздушном пространстве.

Подумав, что пассажирский самолёт был шпионом, советские власти приказали поднять в небо Су-15, чтобы перехватить его.

Были сделаны предупредительные выстрелы, хотя пилот, который совершил это действие, позднее заявил во время интервью: «Я выпустил четыре очереди, более 200 патронов. А толку было никакого. В конце концов, я был заряжен бронебойными снарядами, а не зажигательными. Маловероятно, чтобы их кто-то заметил».

Вскоре после этого члены экипажа самолёта 007 связались с токийским центром управления и попросили разрешения увеличить высоту полёта с 330 (около 10000 метров) до 350 (примерно 10700 метров). Это привело к тому, что самолёт замедлился ниже скорости, с которой обычно работали отслеживающие высокоскоростные перехватчики. Это было воспринято как уклончивый манёвр, хотя в действительности это было сделано из соображений экономии топлива.

Среди советских руководителей разгорелся жаркий спор о том, стоит ли тратить время на опознание самолёта, который мог быть просто пассажирским авиалайнером. Но поскольку он направлялся в международные воды или, возможно, уже достиг их, было принято решение сначала стрелять, а потом задавать вопросы.

Пилот, отвечавший за атаку, описал то, что произошло дальше, следующим образом: «“Уничтожить цель…!” Легко сказать. Но как? Снарядами? Я уже потратил 243 патрона. Протаранить его? Я всегда считал это дурным вкусом. Таран – последнее, к чему стоит прибегать. На всякий случай я развернулся и начал опускаться сверху на него. Затем мне в голову пришла идея. Я опустился ниже его на 2000 метров… форсажный режим. Приготовил запуск ракет и резко поднял нос. Успех! Он на крючке».

Были выпущены две ракеты, которые взорвались возле Boeing, причинив существенный ущерб, хотя в доказательство того, насколько безопасны коммерческие самолёты, пилоты смогли восстановить контроль над авиалайнером и даже на время сохранить ровный и стабильный полёт. Однако, в конце концов, они оказались в медленной спирали, что привело к крушению и гибели 269 человек на борту.

В результате этой трагедии президент Рональд Рейган заявил 16 сентября 1983 года, что система GPS, которая ранее предназначалась только для военного использования, теперь будет доступна для всех, причём первоначальная идея заключалась в многочисленных преимуществах безопасности, которые такая система предоставляла гражданской авиации, по сравнению с использованием доступных на тот момент навигационных инструментов.

Это подводит нас к тому, как именно работает система GPS в первую очередь. Она является удивительно сложной на некоторых уровнях, однако в действительности основы относительно просты для понимания.

Для начала рассмотрим, что происходит, когда вы стоите в неизвестном месте и спрашиваете кого-то, где вы находитесь. Этот человек отвечает просто: «Вы находитесь в 340 километрах от Сиэтла, штат Вашингтон».

Теперь вы можете нарисовать круг на карте с радиусом 340 километров от Сиэтла. Предполагая, что человек, предоставивший вам эту информацию, прав, вы знаете, что находитесь в пределах этой круговой линии.

Теперь, предположим, кто-то другой сказал вам, что вы находитесь в 240 километрах от Ванкувера (Канада). Теперь вы, наверное, начинаете понимать. Когда вы нарисуете второй круг на карте, вы поймёте, что он пересекается с первым в двух точках. Вы находитесь в одной из них.

Затем вы спрашиваете третьего человека, который говорит вам: «Вы находитесь в 800 километрах от Бойсе (штат Айдахо)». Вы рисуете третий круг, и теперь вы точно знаете, где вы находитесь в двумерном пространстве. Недалеко от Камлупса (Канада), оказывается.

Примерно по такому же принципу работает GPS, за исключением того, что в данном случае вам нужно мыслить в терминах 3D-сфер, а не 2D-кругов. Система сообщает вам точное расстояние от контрольной точки посредством передачи точного местоположения спутников на орбите и точного времени, когда была осуществлена эта передача. Это время синхронизируется между различными спутниками в группе GPS.

Затем, после получения данных, приёмник вычитает текущее известное время из предоставленного, чтобы определить время, которое ушло на то, чтобы сигнал был передан туда, где он находится, со спутников.

Объединяя это с известными местоположениями спутников и известной скоростью света, с которой распространяется радиосигнал, приёмник может затем обработать числа, чтобы определить с поразительной точностью своё местоположение, с учётом погрешностей ввиду таких вещей, как ионосфера, мешающая распространению сигнала, и прочих факторов реального мира.

Даже с такими потенциальными проблемами, однако, последнее поколение GPS-систем теоретически может определить ваше местоположение с точностью до фута (или около 30 сантиметров).

Однако, возможно, вы заметили кое-что. В то время как спутники GPS используют чрезвычайно точные и синхронизированные атомные часы, в GPS-системе вашего автомобиля их нет. Итак, каким же образом она точно определяет то, сколько времени нужно сигналу, чтобы дойти к ней от спутника?

В процессе просто задействуется четыре (вместо трёх) спутника, что позволяет приёмнику получить дополнительные данные, необходимые для того, чтобы решить уравнение и получить соответствующую пропущенную переменную времени. Короче говоря, есть только одна точка во времени, которая будет соответствовать краю всех четырёх сфер, пересекающихся в одной точке на Земле. Таким образом, как только переменные получены, приёмник может отрегулировать собственное время, чтобы достичь идеальной синхронизации с гораздо более точными атомными часами. В некотором смысле это делает GPS чем-то вроде 4D-системы: с её помощью вы можете узнать своё точное положение не только в пространстве, но и во времени.

Постоянно обновляя собственные внутренние часы таким образом, приёмник на Земле становится почти таким же точным, как атомные часы, и является хронометражным устройством, которое затем почти идеально синхронизируется с другими приёмниками по всему миру. Всё это практически бесплатно для конечных пользователей, потому что правительство США оплачивает дорогостоящие счета за поддержку системы.

Говоря об обслуживании, другая проблема, которую вы, возможно, заметили, заключается в том, что под влиянием различных факторов GPS-спутники могут постоянно сдвигаться с первоначальных орбит. Как решается эта проблема?

Специальные станции на Земле постоянно отслеживают точные орбиты различных GPS-спутников. Данные используются для хранения информации о статусе и местоположении спутников. Они регулярно передаются приёмникам, благодаря чему они знают точное положение спутников, в первую очередь.

Сами спутники также могут при необходимости корректировать свои орбиты. В процессе спутник помечается как «нездоровый», чтобы приёмники могли игнорировать его. Затем он перемещается на новое положение, орбита отслеживается, после чего информация обновляется, и спутник снова помечается как «здоровый».

Вот как примерно работает навигатор на высоком уровне. Как насчёт того, что мы сказали, что многие GPS-устройства могут потенциально перестать работать, если их не обновлять?

На рубеже веков произошло то, чего прежде никогда не случалось в мире – «генеральная репетиция ошибки Y2K». Видите ли, существует такое понятие, как «Номер Недели» – буквально количество недель, прошедших с начала эпохи, 6 января 1980 года. Вместе с этим Номером Недели отправляется количество секунд, прошедших с предыдущего субботнего вечера, что позволяет GPS-приёмнику вычислять точную дату.

Так в чём же проблема? Оказывается, каждые 1024 недели (примерно каждые 19 лет и 8 месяцев) с начала эпохи число откатывается до 0 из-за того, что эта целочисленная информация находится в 10-битном формате.

Таким образом, когда это происходит, любой GPS-приёмник, не учитывающий этот фактор, перестаёт функционировать правильно, хотя характер неисправной работы варьируется от поставщика к поставщику. Всё зависит от того, ка поставщик реализовал свою систему.

В некоторых случаях неисправность может быть связана с неправильным определением даты, что может привести к разным последствиям, начиная от неправильной выдачи местоположения и заканчивая полным сбоем системы.

Если у вас всё хорошо с математикой, то наверняка вы пришли к выводу, что данная проблема впервые возникла в августе 1999 года, всего через четыре года после того, как GPS-система стала полностью функциональной.

На тот момент, конечно же, GPS не был столь вездесущим и популярным, как сегодня. Согласно отчёту Управления телекоммуникаций Министерства торговли США, по состоянию на 1999-й год, во всём мире насчитывалось всего 10-15 миллионов GPS-приёмников. Сегодня число устройств, естественно, исчисляется миллиардами.

Очередной сброс Номера Недель пришёлся на 6-е апреля 2019 года. И, к счастью, большинство компаний, которые полагаются на GPS в плане критических систем, такие как авиакомпании, банковские учреждения, сотовые сети, электросети и прочие, заранее приняли необходимые меры для решения этой проблемы.

Тем не менее, сброс Номера Недели больше всего касается потребительского уровня, поскольку большинство людей вообще не знают о проблеме.

Если вы недавно обновили прошивку своего GPS-устройства или просто являетесь владельцем GPS-устройства, приобретённого пару лет назад, то всё нормально.

Однако если вы владеете GPS-устройством, которому несколько лет, то существует проблема, и вам определённо нужно перейти на сайт производителя и загрузить соответствующие обновления.

Если вы сейчас задаётесь вопросом, почему нельзя просто изменить спецификацию, чтобы перестать зависеть от 10-битного Номера Недели, то вы не первый, кто об этом думает. В соответствии с последними спецификациями интерфейса GPS, теперь используется 13-битный Номер Недели. Это значит, что в новейших устройствах, поддерживающих его, проблема не возникнет в течение 150 лет точно.

• Вы когда-нибудь замечали, что ваш мобильный телефон, в отличие от других GPS-устройств, имеет тенденцию максимально быстро определять ваше местоположение, даже если он был выключен в течение долгого времени? Оказывается, мобильные телефоны используют технологию Assisted GPS, которая получает информацию не от орбитальных спутников, а от центрального сервера. Конечно, Assisted GPS не работает, если отсутствует сигнал сотовой связи.

• Непосредственно перед войной в Персидском заливе военные ухудшили сигнал GPS для гражданского использования, чтобы сохранить полную точность системы в качестве военного преимущества США. Однако в мае 2000 года президент Билл Клинтон отменил эту политику, и гражданский GPS стал в десять раз точнее за ночь.

Экспедитура

Как работает навигатор

Современный путешественник уже не мыслит себя без навигаторов. Раньше необходимые для навигации вещи представляли собой несколько предметов: компас, карты, и ориентирование все равно не было предельно точным. Сейчас все эти функции умещаются в одном-единственном приборе – навигаторе, о принципах работы которого мы сегодня и поговорим. Итак, как работает навигатор.

Навигатор – это прибор, который показывает ваше местоположение на карте, транслируемой на его экране. Делает он это при помощи спутников, с которыми постоянно находится «на связи». Навигатор – это приемник, и принимает он сигналы со спутников глобальной системы позиционирования (сокращенно по-английски GPS). Эта система состоит из 24 спутников, и была запущена американцами еще в конце прошлого века.

Как работает GPS навигатор

Суть работы вашего персонального «ориентировщика» заключается в следующем. Вокруг земной орбиты на высоте около 18 километров постоянно курсируют спутники, на борту которых расположены атомные часы, позволяющие с высочайшей точностью определять время. Траектории и скорость спутников жестко заданы, и постоянно мониторятся единой системой управления. Ваше местоположение вычисляется на основе вашего расстояния до 3-4 определенных спутников в конкретное время. Местоположение этих спутников в любую секунду доподлинно известно, поэтому их данные о расстоянии до вас позволяют точно определить ваше местоположение, а количество спутников в виде 3-4 штук позволяет определить точность вашего местоположения вплоть до 1-2 метров.

Но, разумеется, сам навигатор – не простой прибор, и состоит из довольно большого количества составных частей. Он принимает сигналы со спутников, и за обработку этих сигналов отвечает его внутренняя начинка, которая состоит из материнской платы, процессора, памяти, GPS-модуля, приемщика сигналов спутника, БИОСа, операционной системы, специальной оболочки, собственно навигационной программы и карт, которые закачаны в прибор. Давайте подробнее рассмотрим компоненты.

Из чего состоит навигатор

На материнскую плату устанавливается «железо» (процессор, джипиэс-модуль и т.д.). Она является как бы каркасом, сердцевиной и основой всего прибора.

«Материнка» соединяется шлейфом с экраном. Практически все современные экраны навигаторов – сенсорные, т.е. управление прибором идет путем нажатия клавиш на самом экране. Раньше практически все навигаторы имели TFT-экран, сегодня же почти все новинки выпускаются с экраном, сделанным по IPS-технологии. Данная технология уменьшает блики и увеличивает качество передачи картинки.

Разумеется, у навигатора есть свой аккумулятор. И если для автомобильных устройств он не так принципиален, так как идет постоянная подзарядка от автомобиля, то для туристических вариантов он жизненно необходим, так как режим отслеживания спутников очень энергозатратный. В будущих статьях мы разберем, как и какие выбирать туристические навигаторы, обращая внимание в том числе на емкость аккумулятора.

Всё описанное железо упаковывается в корпус, который для туристических навигаторов выполняется в защитном варианте – пыле- и влагонепроницаемом. Автомобильные навигаторы часто имеют обычный пластиковый корпус.

Выше мы разобрали лишь железную начинку наших помощников в ориентировании. Она абсолютно бесполезна, если не будет «мозгов» — программного обеспечения.

На навигаторы устанавливается операционная система, подобная той, что можно встретить на компьютерах и смартфонах. Самой популярной в последнее время становится Андроид, но достойную конкуренцию ему составляет Windows CE. Множество брендов-производителей используют эти операционки, но есть и такие, кто имеет собственные разработки – например, бренд Garmin. О правильном выборе навигатора мы поговорим в следующих статьях.

Теперь перейдем непосредственно к тем вещам, которые делают навигатор навигатором. Прежде всего, это сама навигационная программа – т.е. программа, которая обрабатывает сигналы позиционирования и предоставляет их на экран вашего прибора. Таких программ тоже множество, и даже гораздо больше, чем операционных систем, но самая популярная на сегодняшний день, особенно в России, — Navitel. Эта программа передает на экран прибора ваше местоположение. И остается завершающая часть – карты.

Если бы не было карт, то навигационная программа передавала бы просто ваши координаты на черном экране. Какой в этом смысл? Никакого. Поэтому карты являются важнейшей частью навигации, завершающим слоем, на котором и отображается в понятном вам виде информация о вашем местоположении. Карты привязаны к системе координат. Таким образом, когда навигационная программа показывает координаты вашего положения, то они просто накладываются на карту, которая также связана с системой координат. В итоге у современных приборов навигации точность составляет до одного метра.

Какой навигатор работает без интернета

В первую очередь, надо понять тот момент, что навигатор работает исключительно через свой GPS-модуль (либо через глонасс, но об этом мы поговорим чуть позже). Соответственно, ему не нужны ни вышки сотовой связи, ни интернет. Но, разумеется, в этом случае в него должны быть закачаны карты местности, по которой вы будете перемещаться. Это значит, что навигаторы работают абсолютно в любой точке земного шара, вне зависимости от того, как близко «цивилизация».

Существуют и такие типы навигаторов, которые работают только при наличии интернета, но там ориентирование и позиционирование ведется по вышкам сотовой связи либо в смешанном режиме, а карты местности подгружаются из интернета. Но даже такие навигаторы можно «заставить» работать офлайн – просто заранее загрузив карты и воспользовавшись встроенным модулем GPS в этих приборах. Как вы, наверное, поняли, речь идет прежде всего о сотовых телефонах и смартфонах, в которых есть джипиэс-модули и в которые можно установить навигационные программы. О выборе навигатора мы поговорим в следующих статьях этого блока.

GPS и Глонасс

Теперь давайте разберем еще один момент. До последнего времени слова «навигатор» и «gps-навигатор» значили одно и то же. Но ведь это не синонимы. GPS – это конкретная система позиционирования, разработанная американцами в прошлом веке. Собственно, именно так она и переводится. Но сегодня у GPS есть серьезнейший конкурент, и он отечественного производства – система Глонасс. Позиционирование и навигация осуществляются по тому же принципу, что и GPS, но уже – через наши спутники и наше оборудование. В каких-то вопросах Глонасс еще не достиг уровня GPS, но в целом является уже полноценным конкурентом. В России идет активное развитие нашего детища, и многие выпускаемые навигационные приборы имеют встроенный модуль Глонасса.

Как работает навигатор в различных условиях

Это очень важный вопрос, потому что навигатор непосредственно взаимодействует с сигналами спутников, и его работа чувствительно нарушается, когда нарушается этот контакт. Например, вы вряд ли успешно определите свое местоположение, находясь внутри большого помещения вдали от окон, и уж точно не сможете сделать этого в тоннеле или где-нибудь под землей. Нужно иметь это в виду при планировании собственных перемещений.

Для качественного определения координат навигатор должен соединиться хотя бы с 4 спутниками. Если небо закрыто тучами или мешают какие-то физические препятствия, то прибор может неточно определить ваше местоположение, а то и вовсе отказаться работать, требуя больше спутников.

Вот мы и разобрали основные принципы работы навигатора. Это достаточно сложный прибор, который сильно упрощает жизнь путешественнику и любому человеку, чья деятельность связана с перемещением по поверхности земли. В следующих статьях нашего блока читайте о том, какие выбрать навигаторы для разных условий, чем руководствоваться, и другую интересную информацию по теме навигации.

Как работает и используется GPS?

В последний раз, когда вы использовали свой телефон, чтобы Карты Google точно определяли ваше точное местоположение на карте, вы когда-нибудь останавливались и задавались вопросом, как GPS работает и используется так точно?

Глобальная Система Позиционирования (GPS) была фактически запущена Министерством обороны США в 1973 году (известная как NAVSTAR). К 1993 году на Земле было 24 спутника GPS, которые передавали орбитальные и позиционные данные, которые военные могли использовать для навигационных и других военных целей. Сегодня на момент написания статьи их было 28.

В 1980-х годах данные, передаваемые со спутников GPS, были открыты для общественности, что открыло целый рынок для широкого ассортимента навигационных устройств GPS, которые мы имеем сегодня.

На момент написания этой статьи Россия, Китай, Европа и Индия имеют свои собственные активные системы GPS. Япония разрабатывает собственную систему GPS, которую планируется ввести в эксплуатацию в 2023 году.

Как работает GPS?

Несмотря на то, что спутниковая технология GPS основана на самых передовых технологиях, система работает впечатляюще просто. Есть три компонента любой отдельной навигационной системы GPS.

Спутники: спутники GPS вращаются вокруг Земли и передают свое текущее время и положение на орбите всем приемникам GPS на своей стороне планеты.

Командный центр: Командный центр передает орбитальные данные, временные поправки и орбитальную позицию других спутников вплоть до спутников на орбите.

Приемники GPS: Приемник GPS на Земле получает орбитальные времена от как можно большего числа спутников в пределах диапазона и вычисляет свое собственное положение на Земле на основе положений по крайней мере четырех спутников GPS.

Приемники GPS используют математический принцип, известный как триангуляция, для расчета своего местоположения.

Как работает триангуляция GPS

В любой точке планеты, если вы держите GPS-приемник (например, в своем телефоне), GPS-приемник получает отметки времени от синхронизированных часов на каждом из спутников GPS.

Используя разницу во временных метках и постоянную скорость света, на которой распространяются радиоволны, приемник GPS может определять расстояние между тем, где вы находитесь, и каждым спутником. Это обеспечивает приемнику GPS радиус сфер со спутниками в центре и ваше местоположение на краю сферы.

Поскольку каждый спутник движется по предсказуемой орбите над землей, приемник может использовать сохраненный альманах текущего известного положения всех спутников GPS, чтобы определить, где, приблизительно, эти спутники в настоящее время расположены над землей.

С известным местоположением каждого спутника и измеренным расстоянием между этими спутниками и вашим положением ваш GPS-приемник может рассчитать ваше приблизительное местоположение, определяя, где пересечение этих трех сфер сходится на поверхности Земли. Затем получатель отобразит это местоположение на карте.

Три спутника обеспечивают приблизительное местоположение, а приемникам GPS требуется четвертый сигнал от другого спутника GPS, чтобы определить текущую высоту над поверхностью Земли, используя другой математический принцип, известный как трилатерация.

Как работает GPS-датчик вашего телефона

Большинство современных смартфонов сегодня оснащены чипом GPS-приемника. Этот чип может принимать радиосигналы от спутников GPS. Часы вашего телефона не являются атомными, поэтому их время не синхронизируется с атомными часами спутников на орбите. Тем не менее, это не имеет значения, когда дело доходит до расчета местоположения с использованием сигналов от этих спутников.

Это связано с тем, что GPS-приемник вашего телефона фокусируется на данных, которые он получает от спутников, и на базе данных известных местоположений спутников над Землей. Поскольку все спутники имеют атомные часы, текущее время на каждом спутнике в любой момент времени точно одинаковое.

Однако из-за расстояния от спутника и того факта, что радиосигналы распространяются со скоростью света, различия между каждой полученной отметкой времени показывают расстояние между вашим телефоном и каждым из спутников.

Вот как работает процесс GPS:

– Все пять спутников передают одну и ту же метку времени на ваш телефон в 17:12:14.

– Ваш телефон получает эту метку времени в 5:12:15 со спутника 1.

– Он получает метку времени в 5:12:16 со спутника 2.

– Наконец, в 5:12:17 он получает метку времени от спутника 3.

Это сообщает вашему GPS-приемнику, что радиосигнал достиг 1 секунды от спутника 1, 2 секунды от спутника 2 и 3 секунды от спутника 3. Скорость света – известная постоянная 299 792 458 метров в секунду.

Используя простую математику, получатель может рассчитать, что его расстояние составляет примерно 300 тысяч метров от спутника 1, 600 тысяч метров от спутника 2 и 900 тысяч метров от спутника 3.

Используя справочную таблицу из базы данных спутников GPS, приемник GPS вашего телефона знает примерное текущее местоположение над землей всех трех спутников, которое обеспечивает координаты долготы и широты всех трех. С помощью этой информации ваш телефон может рассчитать ваши собственные координаты долготы и широты на Земле.

Используя ваши известные координаты, ваш GPS-приемник может затем использовать расстояние, измеренное между собой и четвертым спутником, чтобы определить, на какой высоте над Землей вы находитесь.

Что такое вспомогательная система глобального позиционирования?

До того, как смартфоны начали интегрировать GPS-схемы, люди обычно использовали портативные GPS-приемники, работающие от батареек АА. Или они будут устанавливать GPS-модули в автомобили, которые подключены к аккумулятору телефона. Это произошло потому, что радиосвязь требует больше энергии. Ограничением этого является то, что вам часто приходилось ждать несколько минут, чтобы ваш GPS-приемник «захватил» достаточное количество спутников GPS для расчета вашего местоположения.

Производители смартфонов обошли это ограничение батареи, объединив существующую технологию сотовой триангуляции. Задолго до того, как телефоны были включены GPS, они могли использовать сигналы, поступающие от вышек сотовой связи, для триангуляции вашего местоположения, используя те же метки времени и расстояния для триангуляции, что и для спутников GPS.

К сожалению, поскольку вышки сотовой связи находятся на уровне земли, этот навигационный расчет гораздо менее точен. Таким образом, программное обеспечение GPS вашего смартфона сначала использует триангуляцию сигнала сотовой связи для определения приблизительного местоположения, а затем обновляет это положение, как только данные спутникового GPS будут готовы.

Это позволяет современным смартфонам резервировать заряд батареи, используя только данные GPS, когда требуются обновления местоположения. Вот почему вы можете часто видеть свое местоположение на Картах Google, иногда переходя на новое местоположение, когда доступны более точные данные.