Спутниковая навигация GPS давно уже является стандартом для создания систем позиционирования и активно применяется в различных трекерах и навигаторах. В проектах Arduino GPS интегрируется с помощью различных модулей, не требующих знания теоретических основ. Но настоящему инженеру должно быть интересно разобраться со принципом и схемой работы GPS, чтобы лучше понимать возможности и ограничения этой технологии.

Схема работы GPS

GPS – это спутниковая навигационная система, разработанная Министерством обороны США, которая определяет точные координаты и время. Работает в любой точке Земли в любых погодных условиях. GPS состоит из трех частей – спутников, станций на Земле и приемников сигнала.

Идея создания спутниковой навигационной системы зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. Американская группа ученых, наблюдающая за запуском советских спутников, заметила, что при приближении спутника частота сигнала увеличивается и уменьшается при его отдалении. Это позволило понять, что возможно измерить положение и скорость спутника, зная свои координаты на Земле, и наоборот. Огромную роль в развитии навигационной системы сыграл запуск спутников на низкую околоземную орбиту. А в 1973 году была создана программа «DNSS» («NavStar»), по этой программе спутники запускались на среднюю околоземную орбиту. Название GPS программа получила в том же 1973 году.

Система GPS на данный момент используется не только в военной области, но и в гражданских целях. Сфер применения GPS много:

• 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.

Начнем с того, что GPS или Global Positioning System является глобальной системой позиционирования. Если сказать совсем просто, то данная система представляет из себя виртуальную карту, с помощью которой пользователь может определить свое местоположение. Стоит отметить, что названная выше система не имеет ничего общего с GPRS (General Packet Radio Service), поскольку последняя представляет из себя так называемую надстройку GSM для пакетной передачи данных для доступа к мобильному Интернету.

Если все же вернуться к технологии GPS, то ею пользуются не только автомобилисты, как многие думают. Сфера использования системы GPS намного шире. К примеру, она очень популярна среди путешественников, охотников, рыбаков и прочих людей, предпочитающих активное времяпрепровождение и которым время от времени требуется информация о собственном нахождении или местоположении той или иной локации. Кроме того, если необходима информация по скорости передвижения транспортного средства и ориентировочного времени прибытия к пункту назначения – GPS может стать незаменимым средством.

Отметим, что GPS-приёмники отличаются скоростью, с которой они с момента включения могут вычислить координаты, а также чувствительностью и точностью позиционирования. Все эти параметры зависят от чипсета, который оснащен GPS-приёмник. На рынке представлены чипсеты для GPS-устройств от целого ряда производителей, однако, самыми востребованными считаются чипсеты SiRfstarIII, которые производит компания SiRf Technology. Приёмники, в оснащение которых входит чипсет SiRfstarIII, демонстрируют короткое время так называемого холодного старта, когда системой навигации не пользовались продолжительное время, оно насчитывает пару секунд. К тому же эти чипсеты дают возможность приёма сигналов сразу от 20 спутников. Более того, GPS-приёмники с чипсетами SiRfstarIII считаются самыми чувствительными и обладают высокоточной способностью определения координат.

В чем же состоит разница между GPS и A-GPS?

Для начала стоит упомянуть о том, что в технических спецификациях смартфонов фигурирует информация о разных модулях. Если в одних речь идет о GPS-модуле, то в других – о A-GPS. Та в чем же их отличие? Если в оснащение устройства входит обычный GPS-приёмник, то в ходе холодного старта (что это такое – читайте выше) поиск может затянуться поскольку навигатор не может быстро найти спутник, причем это может продолжаться не одну минуту. Причина долгого поиска спутника GPS-навигатором проста – отсутствие информации о фактическом местоположении спутника.

Если в устройстве применена технология A-GPS, то необходимая информация в оперативном режиме поступает при помощи сети GPRS, 3G или LTE (4G) (трафик не превышает 12 Кб). По своей сути, A-GPS – это программная надстройка для GPS-приёмника, с помощью которой в значительной степени может быть сокращено время поиска спутника в рамках холодного старта. Как уже было отмечено, ускорение достигается в основном за счет альтернативных каналов связи. По большому счету, чтобы технология A-GPS функционировала, требуется канал связи с удаленным сервером, от которого поступает необходимая для GPS-приёмника информация. Если вернуться к мобильным аппаратам, то в их случае это Интернет-соединение сотовой связи или с помощью Wi-Fi.

Отметим, что надстройка A-GPS имеет как преимущества, так и недостатки. Если начать с преимуществ, то стоит отметить очень быстрое определение координат непосредственно после включения. Кроме того, технология усиливает чувствительность приёма слабого сигнала в так называемых мертвых зонах – тоннелях, в помещении, в долинах т.д. Тем не менее, существенным минусом в A-GPS невозможность работать там, где нет покрытия сотовой сети. Кроме того, применение A-GPS не может быть абсолютно бесплатным, как, к примеру, GPS. Это обусловлено потреблением интернет-трафика надстройкой A-GPS, которые необходимо оплачивать в зависимости от тарификации конкретного интернет-провайдера.

Глобальная система позиционирования – Global Positioning System – появилась в 50-е благодаря запуску спутника. Когда первый советский спутник вышел на орбиту, американцы обратили внимание: при отдалении он равномерно меняет частоту сигнала. Ученые проанализировали данные и поняли, что спутниковый сигнал позволяет точно определить координаты объектов на земле, а также скорость их передвижения. Первыми систему GPS взяли на вооружение военные: Министерство обороны запустило спутниковую навигацию в своих целях, но уже через несколько лет она стала доступна гражданским.

Сейчас на околоземной орбите находятся 24 спутника, которые передают сигналы привязки. Число спутников периодически меняется, но всегда остается достаточным, чтобы поддерживать бесперебойную работу Global Positioning System. На случай форс-мажора предусмотрены запасные спутники, и каждое десятилетие на орбиту выходят новые, модернизированные космические аппараты, потому что ничто не должно нарушить режим работы GPS.

Спутники вращаются по шести орбитам, образуя взаимосвязанную сеть. Ею управляют специальные станции GPS, которые расположены в тропиках, но связаны с координационным центром в Соединенных Штатах. Благодаря этой сети вы можете узнать точные координаты человека, машины или самолета со скоростью прохождения сигнала от спутников, то есть практически мгновенно, а точность показаний не зависит от погодных условий и времени суток. При этом само по себе использование Global Positioning System – бесплатное, и единственное, что нужно, чтобы пользоваться этой навигационной системой, – навигатор или другое устройство, поддерживающее функцию джипиэс.

Принцип работы GPS

В основе технологии – простой навигационный принцип маркерных объектов, который использовался задолго до появления GPS. Маркерный объект – это ориентир, координаты которого точно известны. Для определения координат объекта нужно знать также расстояние от него до маркерного объекта, тогда можно провести на карте линии в сторону маркеров от возможного местоположения: точка пересечения этих линий и будет координатами.

Спутники на околоземной орбите играют в GPS роль маркерных объектов. Они быстро вращаются, но их местоположение постоянно отслеживается, а в каждом навигаторе есть приемник, настроенный на нужную частоту. Спутники посылают сигналы, в которых закодирован большой объем информации, включая точное время. Данные точного времени – одни из самых важных для определения географических координат: ориентируясь на разницу между отдачей и приемом радиосигнала, спутники вычисляют расстояние между собой и навигатором.

Как работает GPS в смартфонах

Навигаторы – один из самых востребованных товаров на рынке гаджетов, по популярности их обгоняют только смартфоны. Но и в смартфоны производители встраивают чипы GPS, чтобы устройство могло выполнять функции навигатора. Однако здесь пользователя может подстерегать ловушка, потому что в погоне за прибылью производители допускают умышленные или случайные неточности в описании своего товара, позволяя покупателям перепутать технологии GPS и AGPS.

Джипиэс – бесплатная навигационная система высокой точности. Подписки на нее нет и быть не может, потому что американцы позволяют пользоваться своими спутниками для навигации безвозмездно. Владельцы смартфонов если и оплачивают, то только приложения или карты. У приемников GPS есть небольшие минусы: они работают только на улице, а из-за плохой погоды могут возникнуть проблемы с приемом сигнала от спутника, но эти недостатки решили с помощью технологии A-GPS (не путать с AGPS). Суть в том, что сигнал от приемника перенаправляют на сервер, на котором содержится вся информация о положении спутников, поэтому трудностей с приемом сигнала не существует. A-GPS используют все современные автомобильные навигаторы.

Но существует также сотовая навигация AGPS – она работает только в зоне покрытия сотовой сети и определяет местоположение с точностью до 500 м. Она менее точная в сравнении с GPS, дает общее представление о месте, где вы находитесь, зато предлагает спутниковую карту окрестностей. Важно, чтобы была подключена услуга мобильного интернета, а на счету оставались деньги. С сервисом AGPS работают Google Maps. Зачастую возможностей сотовой навигации достаточно, но ее все равно не стоит путать с точной и бесплатной системой GPS.

Виды GPS-устройств

Самое простое навигационное устройство – внешний приемник. Он обращается к спутникам и принимает от них сигнал, но чтобы вы могли воспользоваться информацией, приемник нужно подключить к другому устройству – например, смартфону или ноутбуку, благо, он совместим со всеми востребованными гаджетами и программами. В крайнем случае вам потребуется карта. Приемники GPS используют пешеходные туристы: устройство недорогое, а для расшифровки информации, которую оно принимает, можно пользоваться даже обычной туристической картой местности. Нужно лишь, чтобы на нее была наложена навигационная сетка.

Но самое востребованное сегодня GPS-устройство – это автомобильный навигатор. Он намного сложнее и функциональнее приемника: навигатор больше похож на уменьшенную версию компьютера. Весь необходимый софт уже установлен производителем, операционная система закрытая. К навигации прибавляют много дополнительных функций, включая выход в интернет.

Отдельный класс устройств – смартфоны со встроенными приемниками GPS. Не путайте их с моделями, использующими сотовую навигацию! Система работает на смартфонах не так гладко, как на самостоятельных устройствах. Не все модели позволяют поставить полноценный навигационный софт, а если пользоваться онлайн-решениями, то функция станет недоступна при отключении интернета, и тогда исчезнет одно из преимуществ технологии: постоянный доступ. Однако смартфоны со спутниковой навигацией подходят для пешеходов – ориентироваться удобно и данные точные, поэтому вы не заблудитесь даже в непроходимой чаще.

2 года назад

Одна из двух крупнейших глобальных систем позиционирования через спутник - GPS - может быть задействована в стандартном формате или же в виде сервиса A-GPS. В чем основные особенности данных технологий?

Факты о GPS

Система GPS предназначена для определения географических координат объекта, на котором размещены приемник, навигатор или иное устройство, способное принимать сигналы GPS со спутника. Данная система предполагает использование стандарта WGS 84, позволяющего в трехмерном измерении определять координаты объекта на поверхности Земли с точностью до 2 см. Кроме того, навигация по технологии GPS позволяет также измерять скорость перемещения приемника или аналогичного ему девайса по поверхности Земли.

Факты об A-GPS

Технология A-GPS дополняет стандарт GPS сразу в нескольких аспектах. В первую очередь - в части ускорения работы используемых в навигации приемников. Дело в том, что определение координат только через спутники предполагает значительную нагрузку на аппаратные ресурсы данного устройства. Но если дать приемнику возможность задействовать вспомогательные источники определения своего месторасположения (те, что применяются в инфраструктуре A-GPS), то он будет работать заметно быстрее.

GPS-навигатор, поддерживающий технологию A-GPS, загружается значительно быстрее тех девайсов, что не совместимы с соответствующим стандартом. Кроме того, A-GPS позволяет ощутимо улучшить стабильность непрерывного отслеживания координат приемника: сигнал со спутника не всегда устойчив (особенно в условиях города), и задействование вспомогательных каналов определения месторасположения навигатора в этом смысле может стать критическим условием выполнения приемником своих пользовательских функций.

Какие конкретно вспомогательные каналы для определения координат навигатора задействуются при использовании технологии A-GPS? Как правило, это мобильный интернет - по технологии 3G или 4G. В ряде случаев подойдет связь и через Wi-Fi.

Если 3G, 4G или Wi-Fi-каналы недоступны, то определение координат может осуществляться через базовые станции сотовых операторов. Правда, такой метод имеет сравнительно небольшую точность - до 20 метров, часто - в несколько сотен метров.

Сравнение

Главное отличие GPS от A-GPS в том, что первая технология предполагает определение географических координат навигатора через спутник, вторая - через альтернативные каналы (3G, 4G, Wi-Fi, базовые станции операторов).

Приемник, поддерживающий стандарт A-GPS, как правило, загружается намного быстрее, чем девайс, поддерживающий только «классические» GPS-каналы. Это возможно за счет оперативного получения координат, а в некоторых случаях - также обновления карт через интернет или сотовые каналы.

Кроме того, навигатор, совместимый с технологией A-GPS, может выполнять свои функции в тех случаях, когда сигнал со спутника очень слабый или отсутствует вовсе. Разумеется, только если альтернативные каналы получения координат девайса работают.

Определив, в чем разница между GPS и A-GPS, зафиксируем выводы в таблице.