Карманная геолокация - дело довольно распространенное и в последнее время привычное. Сейчас на всех моделях современных телефонов есть GPS-система. Но часто по поводу нее у пользователей возникают вопросы. Например, они интересуются, как улучшить GPS-прием на "Андроиде" или IOS, чтобы получать более точную информацию о местонахождении или удобнее играть в игры, которые требуют детальной геолокации. Разберем эту проблему и выясним, что можно сделать.

GPS - это система, которая позволяет смартфону использовать навигационные приложения и определять ваше местонахождение, чтобы построить наилучший вариант маршрута до точки назначения. Основывается на получении данных от спутников, находящихся в космическом пространстве.

Зачем он мне?

GPS-навигация используется навигационными приложениями. Вместе они помогают добраться до нужного места без детального изучения бумажных карт местности и опроса окружающих на тему "Куда ехать дальше и где повернуть?"

Самые известные бесплатные "Яндекс.Карты" или "Яндекс.Навигатор", GoogleMaps и MapsMe. Еще в интернете можно найти пиратскую версию "Навитела". Но программа может быть старого года выпуска. В этом случае она способна завести вас на несуществующие дороги и под "кирпич". Кроме того, программа может быть заражена вирусом. Тогда есть вероятность, что она "сломает" систему вашего смартфона, и вам придется менять не только навигатор, но и телефон или как минимум его прошивку.

Сейчас самые распространенные и современные модели телефонов - это IPhone на базе IOS и поддерживающие иную систему телефоны ("Андроид"). GPS в них используется в более усовершенствованном виде - A-GPS. Это функция, увеличивающая скорость работы приложения при холодном и горячем старте, за счет других каналов связи (WI-FI, сотовая), а также повышающая точность позиционирования.

Ситуация, когда телефон не может подключиться к новым спутникам при включении приложения. В этом случае он работает автономно по данным, переданным при предыдущем включении теми спутниками, к которым он подключался. Горячий старт - когда спутники сразу же включаются в работу. Они появляются на экране приложения или в специальной вкладке отслеживания их работы и приема данных.

Первый вариант улучшения сигнала

Способов, как улучшить GPS-прием на "Андроиде" или IOS, огромное количество. Разберем 3 самых известных. Первым и самым простым способом, как усилить сигнал GPS, является включение соответствующего режима в настройках телефона. Для этого проделываем следующие шаги:

• Включаем GPS (геолокацию) и заходим в настройки телефона.
• Находим раздел "Геоданные".
• Выбираем верхнюю кнопку "Режим".
• Открывается окно с названием "Метод обнаружения".
• Выбираем пункт "Высокая точность".

Производительность телефона благодаря включению точности повысится. Одновременно время его работы без подзарядки может уменьшиться в несколько раз. Все дело в том, что включенный навигатор будет просто "съедать" батарею.

Второй способ, как улучшить GPS-прием на "Андроиде"

Второй вариант является более сложным. Зато он помогает так же часто, как и первый. Необходимо скачать приложение для очистки данных GPS. После обновления информации о спутниках система навигации начнет работать лучше, чем прежде. Но этот вариант может не подойти для некоторых телефонов по причине несовместимости приложения и модели, нехватки места и т. п.

Самый сложный, но надежный метод

Существует и третий, самый сложный вариант решения проблемы, как улучшить GPS-прием на "Андроиде". Он больше подходит для компьютерных гениев. Его суть заключается в переделке системного файла, контролирующего работу GPS-системы телефона. Разберемся по порядку:

1. Необходимо извлечь файл GPS.CONF, находящийся в папке system/etc/gps/conf, через специальные программы, которые дают доступ к системным файлам. Затем перемещаем его во внутреннюю память телефона или на SD-карту, чтобы его можно было открыть на компьютере в дальнейшем.
2. Изменение настроек GPS.CONF проводится через программу Notepad++ на обычном ПК. А подключение телефона к компьютеру осуществляется через стандартный USB-провод.
3. Далее нужно изменить настройки NTP-сервера, с помощью которого происходит синхронизация времени. Обычно в них указано что-то вроде этого - north-america.pool.ntp.org. Запись необходимо переписать - ru.pool.ntp.org или europe.pool.ntp.org.В итоге должно получится вот так: NTP_SERVER=ru.pool.ntp.org.
4. Также не лишним будет вписать дополнительные сервера, не внося в них никаких изменений: XTRA_SERVER_1=http://xtra1.gpsonextra.net/xtra.bin, XTRA_SERVER_2=http://xtra2.gpsonextra.net/xtra.bin, XTRA_SERVER_3=http://xtra3.gpsonextra.net/xtra.bin.
5. Далее необходимо решить, будет ли GPS-приемник использовать WI-FI для усиления сигнала. При вписывании параметра ENABLE_WIPER= надо поставить цифру, которая будет разрешать (1) или запрещать (0) использование беспроводного подключения. Например, ENABLE_WIPER=1.
6. Следующий параметр - скорость подключения и точность данных. Там ваш выбор следующий: INTERMEDIATE_POS=0 <—— (точно, но медленно) или INTERMEDIATE_POS=1 <—— (не точно, но быстро).
7. В типе использования передачи данных знающие люди советуют ставить User Plane, который отвечает за широкую передачу абонентских данных. Тогда в строке программы пишется DEFAULT_USER_PLANE=TRUE.
8. Точность GPS-данных отслеживается через параметр INTERMEDIATE_POS=, в строке которого можно задать как учитывание всех без исключения данных, так и удаление погрешностей. Если поставить после знака "=" 0 (ноль), то геолокация будет учитывать все, что найдет, а если 100, 300, 1000, 5000 - она удалит погрешности. Программисты рекомендуют ставить 0. Но если вы хотите попробовать, то можно использовать удаление погрешностей.
9. Применение функции A-GPS, как уже говорилось выше, поддерживается или автоматически включается на всех современных устройствах. Но если вы все же хотите, чтоб функция точно работала, то в строке задействования A-GPS нужно поставить DEFAULT_AGPS_ENABLE=TRUE.
10. Итоговый вариант файла нужно сохранить и скинуть на телефон, после чего перезагрузить его.

Важный момент: если вы не хотите проделывать это все сами по различным причинам, например из-за лени, страха сломать что-то в системе и т. п., то можно найти файл GPS.CONF с нужными вам параметрами и просто скопировать его на свой смартфон. Остается только перезагрузить телефон и пользоваться улучшенным GPS.

Почему еще не работает GPS на "Андроиде"?

У проблемы имеются и другие причины. Бывает такое, что не работает GPS на "Андроиде" совсем (не включается, не ищет спутники и т. д.). С этой проблемой может помочь разобраться снос системы до заводских настроек. Это делается через настройки телефона. Кроме того, гаджет можно перепрошить или отдать его работникам сервисного центра, которые "покопаются" в электронике и исправят недочет.

GPS - спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположениe. Позволяет в любом месте Земли (не включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США.

Краткая характеристика GPS

Спутниковая навигационная система Министерства Обороны США — GPS, называется также NAVSTAR. Система состоит из 24 навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ) , наземного командно-измерительного комплекса и аппаратуры потребителей. Она является глобальной, всепогодной, навигационной системой, обеспечивающей определение координат объектов с высокой точностью в трехмерном околоземном пространстве. Спутники GPS помещены на шести средневысоких орбитах (высота 20183 км) и имеют период обращения 12 часов Плоскости орбит расположены через 60° и наклонены к экватору под углом 55°. На каждой орбите находится 4 спутника. 18 спутников — это минимальное количество для обеспечения видимости в каждой точке Земля не менее 4-х НИСЗ.

Основной принцип использования системы - определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами - спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно знать расстояние до трёх спутников и время GPS системы. Таким образом, для определения координат и высоты приёмника используются сигналы как минимум с четырёх спутников.

Система предназначена для обеспечения навигации воздушных и морских судов и определения времени с высокой точностью . Она может применяться в режиме двухмерной навигации – 2D определение навигационных параметров объектов на поверхности Земли) и в трехмерном режиме — ЗD (измерение навигационных параметров объектов над поверхностью Земли). Для нахождения трехмерного положения объекта требуется измерить навигационные параметры не менее 4-х НИСЗ, а при двухмерной навигации — не менее 3-х НИСЗ. В GPS используется псевдодальномерный способ определения позиции и псевдорадиально скоростной метод нахождения скорости объекта.

Для повышения точности результаты определений сглаживаются с помощью фильтра Калмана. Спутники GPS передают навигационные сигналы на двух частотах: F1 = 1575,42 и F2=1227,60 МГц. Режим излучения — непрерывный с псевдошумовой модуляцией. Навигационные сигналы представляют собой общедоступный С/А-код (course and acquisition), передаваемый только на частоте F1, и защищенный Р-код (precision code), излучаемый на частотах F1, F2.

В GPS для каждого НИСЗ определен свой уникальный С/А-код и уникальный Р-код. Такой вид разделения сигналов спутников называется кодовым. Он позволяет бортовой аппаратуре распознавать, какому спутнику принадлежит сигнал, когда все они осуществляют передачу на одной частоте GPS предоставляет два уровня обслуживания потребителей точные определения (РРS Precise positioning Service) и стандаршые данные (SPS Standart Positioning Service) PPS основывается на точном коде, а SPS — на общедоступном. Уровень обслуживания РРS предоставляется военным и федеральным службам США, а SPS — массовому гражданскому потребителю.Кроме навигационных сигналов, спутник регулярно передает сообщения, которые содержат информацию о состоянии спутника, его эфемеридах, системном времени, прогнозе ионосферной задержки, показателях работоспособности. Бортовая аппаратура GPS состоит из антенны и приемоиндикатора. ПИ включает в себя приемник, вычислитель, блоки памяти, устройства управления и индикации. В блоках памяти хранятся необходимые данные, программы решения задач и управления работой приемоиндикатора. В зависимости от назначения используется два вида бортовой аппаратуры: специальная и для массового потребителя.Специальная аппаратура предназначена для определения кинематических параметров ракет, военных самолетов, кораблей и специальных судов. При нахождении параметров объектов в ней используются Р и С/А коды. Эта аппаратура обеспечивает практически непрерывные определения с точностью: местоположения объекта — 5+7 м, скорости — 0.05+0.15 м/с, времени — 5+15 нс

Основное применение навигационных спутниковой системы GPS:

• Геодезия: с помощью GPS определяются точные координаты точек и границы земельных участков
• Картография: GPS используется в гражданской и военной картографии
• Навигация: с применением GPS осуществляется как морская, так и дорожная навигация
• Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью GPS ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением
• Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах, например США это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911.
• Тектоника, Тектоника плит: с помощью GPS ведутся наблюдения движений и колебаний плит
• Активный отдых: есть разные игры, где применяется GPS, например, Геокэшинг и др.
• Геотегинг: информация, например фотографии «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам.

Определение координат потребителя

Местоопределение по расстояниям до спутников

Координаты местоположения вычисляются на основе измеренных дальностей до спутников. Для определения местоположения необходимо провести четыре измерения. Трех измерений достаточно, если уметь исключать неправдоподобные решения какими-то другими доступными способами. Еще одно измерение требуется по техническим причинам.

Измерение расстояния до спутника

Расстояние до спутника определяется путем измерения промежутка времени, который требуется радиосигналу, чтобы дойти от спутника до нас. Как спутник, так и приемник генерируют один и тот же псевдослучайный код строго одновременно в общей шкале времени. Определим, сколько времени потребовалось сигналу со спутника, чтобы дойти до нас, путем сравнения запаздывания его псевдослучайного кода по отношению коду приемника.

Обеспечение совершенной временной привязки

Точная временная привязка — ключ к измерению расстояний до спутников. Спутники точны по времени, поскольку на борту у них — атомные часы. Часы приемника могут и не быть совершенными, так как их уход можно исключить при помощи тригонометрических вычислений. Для получения этой возможности необходимо произвести измерение расстояния до четвертого спутника. Необходимость в проведении четырех измерений определяет устройство приемника.

Определение положения спутника в космическом пространстве.

Для вычисления своих координат нам необходимо знать как расстояния до спутников, так и местонахождение каждого в космическом пространстве. Спутники GPS движутся настолько высоко, что их орбиты очень стабильны и их можно прогнозировать с большой точностью. Станции слежения постоянно измеряют незначительные изменения в орбитах, и данные об этих изменениях передаются со спутников.

Ионосферные и атмосферные задержки сигналов.

Существуют два метода, которые можно использовать, чтобы сделать ошибку минимальной. Во-первых, можно предсказать, каково будет типичное изменение скорости в обычный день, при средних ионосферных условиях, а затем ввести поправку во все наши измерения. Но, к сожалению, не каждый день является обычным. Другой способ состоит в сравнении скоростей распространения двух сигналов, имеющих разные частоты несущих колебаний. Если сравнить время распространения двух разночастотных компонентов сигнала GPS, то сможем выяснить, какое замедление имело место. Этот метод корректировки достаточно сложен и используется только в наиболее совершенных, так называемых «двухчастотных» приемниках GPS.

Многолучевость.

Еще один тип погрешностей — это ошибки «многолучевости». Они возникают, когда сигналы, передаваемые со спутника, многократно переотражаются от окружающих предметов и поверхностей до того, как попадают в приемник.

Геометрический фактор уменьшения точности.

Хорошие приемники снабжают вычислительными процедурами, которые анализируют относительные положения всех доступных для наблюдения спутников и выбирают из них четырех кандидатов, т.е. наилучшим образом расположенные четыре спутника.

Результирующая точность GPS.

Результирующая погрешность GPS определяется суммой погрешностей от различных источников. Вклад каждого из них варьируется в зависимости от атмосферных условий и качества оборудования. Кроме того, точность может быть целенаправленно снижена Министерством обороны США в результате установки на спутниках GPS так называемого режима S/A («Selective Availability»- ограниченный доступ). Этот режим разработан для того, чтобы не дать возможному противнику тактического преимущества в определении местоположения с помощью GPS. Когда и если этот режим установлен, он создает наиболее существенную компоненту суммарной погрешности GPS.

Вывод:

Точность измерений с помощью GPS зависит от конструкции и класса приёмника, числа и расположения спутников (в реальном времени), состояния ионосферы и атмосферы Земли (сильной облачности и т.д.), наличия помех и других факторов. «Бытовые» GPS-приборы, для «гражданских» пользователей, имеют погрешность измерения в диапазоне от ±3-5м до ±50м и больше (в среднем, реальная точность, при минимальной помехе, если новые модели, составляет ±5–15 метров в плане). Максимально возможная точность достигает +/- 2-3 метра на горизонтали. По высоте – от ±10-50м до ±100-150 метров. Высотомер будет точнее, если проводить калибровку цифрового барометра по ближайшей точке с известной точной высотой, (из обычного атласа, например) на ровном рельефе местности или по известному атмосферному давлению (если оно не слишком быстро меняется, при перемене погоды). Измерители высокой точности «геодезического класса» – точнее на два-три порядка (до сантиметра, в плане и по высоте). Реальная точность измерений обусловлена различными факторами, например – удаленностью от ближайшей базовой (корректирующей) станции в зоне обслуживания системы, кратностью (числом повторных измерений / накоплений на точке), соответствующим контролем качества работ, уровнем подготовки и практическим опытом специалиста. Такое высокоточное оборудование — может применяться только специализированными организациями, специальными службами и военными.

Для повышения точности навигации рекомендуется использовать GPS-приёмник – на открытом пространстве (нет рядом зданий или нависающих деревьев) с достаточно ровным рельефом местности, и подключать дополнительную внешнюю антенну. Для целей маркетинга, таким аппаратам приписывают «двойную надёжность и точность» (ссылаясь на, одновременно используемые, две спутниковые системы, Глонасс и Джипиэс), но реальное фактическое, улучшение параметров (повышение точности определения координат) может составлять величины — лишь до нескольких десятков процентов. Возможно только заметное сокращение времени горячего-тёплого старта и продолжительности измерений

Качество измерений джипиэс ухудшается, если спутники располагаются на небе плотным пучком или на одной линии и «далеко» – у линии горизонта (всё это называется «плохая геометрия») и есть помехи сигналу (закрывающие, отражающие сигнал высотные здания, деревья, крутые горы поблизости). На дневной стороне Земли (освещённой, в данный момент, Солнцем) — после прохождения через ионосферную плазму, радиосигналы ослабляются и искажаются на порядок сильнее, чем на ночной. Во время геомагнитной бури, после мощных солнечных вспышек — возможны перебои и длительные перерывы в работе спутникового навигационного оборудования.

Фактическая точность джипиэски зависит от типа GPS-приемника и особенностей сбора и обработки данных. Чем больше каналов (их должно быть не меньше 8) в навигаторе, тем точнее и быстрее определяются верные параметры. При получении «вспомогательных данных A-GPS сервера местоположения» по сети Интернет (путём пакетной передачи данных, в телефонах и смартфонах) — увеличивается скорость определения координат и расположения на карте

WAAS (Wide Area Augmentation System, на американском континенте) и EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Services, в Европе) – дифференциальные подсистемы, передающие через геостационарные (на высоте от 36 тыс.км в нижних широтах до 40 тысяч километров над средними и высокими широтами) спутники корректирующую информацию на GPS-приёмники (вводятся поправки). Они могут улучшить качество позиционирования ровера (полевого, передвижного приемника), если поблизости располагаются и работают наземные базовые корректирующие станции (стационарные приёмники опорного сигнала, уже имеющие высокоточную координатную привязку). При этом полевой и базовый приёмник должны одновременно отслеживать одноимённые спутники.

Для повышения скорости измерений рекомендуется применять многоканальный (8-и канальный и более), приёмник с внешней антеной. Должны быть видимы, как минимум, три спутника GPS. Чем их больше, тем лучше результат. Необходима, так же, хорошая видимость небосвода (открытый горизонт). Быстрый, «горячий» (длительностью в первые секунды) или «тёплый старт» (полминуты или минута, по времени) приёмного устройства — возможен, если он содержит актуальный, свежий альманах. В случае, когда навигатор долго не использовался, приёмник вынужден получать полный альманах и, при его включении, будет производиться холодный старт (если прибор с поддержкой AGPS, тогда быстрее — до нескольких секунд). Для определения только горизонтальных координат (широта / долгота) может быть достаточно сигналов трёх спутников. Для получения трёхмерных (с высотой) координат — нужны, как минимум, четыре сп-ка. Необходимость создания собственной, отечественной системы навигации связана с тем, что GPS – американская, потенциальных противников, которые могут в любой момент Ч, в своих военных и геополитических интересах, селективно отключить, «глушить», модифицировать её в каком-либо регионе или увеличить искусственную, систематическую ошибку в координатах (для иностранных потребителей этой услуги), что и в мирное время всегда присутствует.

Точность измерений с помощью ГЛОНАСС/GPS зависит от конструкции и класса приёмника, числа и расположения спутников (в реальном времени), состояния ионосферы и атмосферы Земли (сильной облачности и т.д.), наличия помех и других факторов.

"Бытовые" GPS-приборы, для "гражданских" пользователей, имеют погрешность измерения в диапазоне от ±3-5м до ±50м и больше (в среднем, реальная точность, при минимальной помехе, если новые модели, составляет ±5-15 метров в плане). Максимально возможная точность достигает +/- 2-3 метра на горизонтали. По высоте - от ±10-50м до ±100-150 метров. Высотомер будет точнее, если проводить калибровку цифрового барометра по ближайшей точке с известной точной высотой, (из обычного атласа, например) на ровном рельефе местности или по известному атмосферному давлению (если оно не слишком быстро меняется, при перемене погоды).

Измерители высокой точности "геодезического класса" - точнее на два-три порядка (до сантиметра, в плане и по высоте). Реальная точность измерений обусловлена различными факторами, например - удаленностью от ближайшей базовой (корректирующей) станции в зоне обслуживания системы, кратностью (числом повторных измерений / накоплений на точке), соответствующим контролем качества работ, уровнем подготовки и практическим опытом специалиста. Такое высокоточное оборудование - может применяться только специализированными организациями, специальными службами и военными.

Для повышения точности навигации рекомендуется использовать многосистемный Glanas / GPS-приёмник - на открытом пространстве (нет рядом зданий или нависающих деревьев) с достаточно ровным рельефом местности, и подключать дополнительную внешнюю антенну. Для целей маркетинга, таким аппаратам приписывают "двойную надёжность и точность" (ссылаясь на, одновременно используемые, две спутниковые системы, Глонасс и Джипиэс), но реальное фактическое, улучшение параметров (повышение точности определения координат) может составлять величины - лишь до нескольких десятков процентов. Возможно только заметное сокращение времени горячего-тёплого старта и продолжительности измерений.

Качество измерений джипиэс ухудшается, если спутники располагаются на небе плотным пучком или на одной линии и "далеко" - у линии горизонта (всё это называется "плохая геометрия") и есть помехи сигналу (закрывающие, отражающие сигнал высотные здания, деревья, крутые горы поблизости). На дневной стороне Земли (освещённой, в данный момент, Солнцем) - после прохождения через ионосферную плазму, радиосигналы ослабляются и искажаются на порядок сильнее, чем на ночной. Во время геомагнитной бури , после мощных солнечных вспышек - возможны перебои и длительные перерывы в работе спутникового навигационного оборудования.

Фактическая точность джипиэски зависит от типа GPS-приемника и особенностей сбора и обработки данных. Чем больше каналов (их должно быть не меньше 8) в навигаторе, тем точнее и быстрее определяются верные параметры. При получении "вспомогательных данных A-GPS сервера местоположения" по сети Интернет (путём пакетной передачи данных, в телефонах и смартфонах) - увеличивается скорость определения координат и расположения на карте.

WAAS (Wide Area Augmentation System, на американском континенте) и EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Services, в Европе) - дифференциальные подсистемы, передающие через геостационарные (на высоте от 36 тыс.км в нижних широтах до 40 тысяч километров над средними и высокими широтами) спутники корректирующую информацию на G P S-приёмники (вводятся поправки). Они могут улучшить качество позиционирования ровера (полевого, передвижного приемника), если поблизости располагаются и работают наземные базовые корректирующие станции (стационарные приёмники опорного сигнала, уже имеющие высокоточную координатную привязку). При этом полевой и базовый приёмник должны одновременно отслеживать одноимённые спутники.

Для повышения скорости измерений рекомендуется применять многоканальный (8-и канальный и более), многосистемный (Glonas / Gps) приёмник с внешней антеной. Должны быть видимы, как минимум, три спутника ГПС и два ГЛОНАСС. Чем их больше, тем лучше результат. Необходима, так же, хорошая видимость небосвода (открытый горизонт).

Быстрый, "горячий" (длительностью в первые секунды) или "тёплый старт" (полминуты или минута, по времени) приёмного устройства - возможен, если он содержит актуальный, свежий альманах. В случае, когда навигатор долго не использовался, приёмник вынужден получать полный альманах и, при его включении, будет производиться холодный старт (если прибор с поддержкой AGPS, тогда быстрее - до нескольких секунд).

Для определения только горизонтальных координат (широта / долгота) может быть достаточно сигналов трёх спутников. Для получения трёхмерных (с высотой) координат - нужны, как минимум, четыре сп-ка.

Практическое применение одной из наиболее выдающихся современных разработок - системы глобального позиционирования GPS (Global Positioning System), точность определения местонахождения объекта зависит от степени погрешности, возникающей при измерении расстояний от терминала до спутников. От степени влияния целого ряда факторов зависит, насколько точно будет определено местоположение GPS-приемника, будет эта погрешность составлять один метр или десяток, а то и сотню метров.

К факторам, оказывающим непосредственное влияние на степень погрешности, можно отнести следующие:

Специальная погрешность (SA);

Качество геометрии спутников;

Гравитационные влияния;

Влияния ионосферы;

Влияния тропосферы;

Отражения сигналов;

Относительность измерения времени;

Округление и вычислительные ошибки

Специальная погрешность

Данный фактор представляет собой искусственную погрешность, намеренное искажение времени сигнала, посылаемого спутником, в результате чего точность определения местоположения объекта прибором GPS снижалась до 50-150 метров. Погрешность искусственно вносилась в сигналы спутников в соответствии с требованиями режима SA - selective availability (селективного доступа), задачей которого было ограничить точность измерений для гражданских GPS-приемников.

Причина создания «специальной погрешности» заключалась в обеспечении государственной безопасности США. В момент организации и развития система глобального позиционирования GPS являлась исключительно военной разработкой, призванной обеспечить потребности силовых структур. Лишь с течением времени навигационная система получила коммерческое применение, возможность определять местоположение появилась и у гражданских лиц. Помимо исключительно мирных целей, система позиционирования могла быть использована для различных злонамеренных действий, которые представляли бы прямую угрозу для безопасности. Так, террористические организации получили бы возможность использовать GPS для определения местонахождения стратегических объектов и точного наведения дистанционного оружия.

Режим селективного доступа все-таки был отключен вследствие широкой распространенности системы глобального позиционирования, произошло это в мае 2000 года, и решение об этом принял лично президент США. Событие стало ключевым в истории развития GPS-навигации, еще бы – ведь с этого момента для частных коммерческих предприятий и простых граждан открылись новые горизонты использования системы точного определения координат. С момента отключения режима SA точность показаний приборов повысилась с 50-100 метров до 6-7 метров. Предпосылкой к полному отключению послужило частичное отключение, предпринятое в 1990 году, во время войны в Персидском заливе. Тогда армии США не хватало собственных штатных приемников, позволявших ориентироваться в пустыне, и было закуплено порядка 10 тыс. единиц навигаторов «гражданского» предназначения.

Качество геометрии спутников

Очередным фактором, влияющим на точность показаний GPS-приемника, является качество геометрии спутников – характер взаимного расположения спутников относительно приемника. Точность определения местоположения напрямую зависит от количества спутников в «зоне видимости» прибора, а также от того, как эти спутники распределены на небосводе. Все расчеты построены не столько на определении расстояния как такового, но и на пересечении прямых, образованных расстояниями от приемника GPS до каждого из видимых спутников. Именно эти пересечения формируют зону вероятного нахождения объекта, и чем обширнее зона, тем ниже точность определения.

Оптимальным вариантом измерения считается соотношение расстояний от терминала до четырех спутников одновременно, для создания подобных условий в любой точке земного шара по орбите Земли кружат 28 спутников. Спутники равномерно распределены по орбите на высоте 20350 км. Для высокой точности измерений необходимо, чтобы спутники, находясь в пределах видимости прибора, были разнесены на максимально возможное расстояние. Если же все четыре спутника будут расположены, к примеру, только на северо-западе относительно прибора, не исключен вариант, что определить местоположение будет невозможно, либо точность определения будет неудовлетворительной (100 – 150 м.). Область вероятного расположения прибора (пересечения прямых) будет весьма значительной, что негативно отразится на точности.

Особенно важным качество геометрии спутников является при расположении приемника GPS в местности, где спутники могут быть заслонены естественными или искусственными преградами. Это могут быть горы, ущелья, высотные здания, в такой местности важно количество спутников, которые прибор может засечь одновременно, чем меньше спутников оказывается в пределах видимости, тем ниже точность определения местоположения. В то время как один или несколько спутников остаются скрытыми, или же сигнал какого-либо из спутников заблокирован, система предпринимает попытки определить положение с помощью остальных спутников.

Существует система оценки качества геометрии спутников, которая используется производителями навигационных GPS-приборов и которая характеризует уровень потери точности непосредственно из-за расположения спутников. Показатель DOP (Delution of Precision - понижение точности), учитывает количество видимых спутников в определенный момент времени и расположение спутников относительно друг друга.

Помимо универсального показателя DOP применяются его модификации:

PDOP – этот показатель учитывает понижение точности определения местоположения без учета возможных погрешностей при определении времени;

GDOP – учитывает понижение точности с учетом временных погрешностей;

HDOP – учитывает только горизонтальную точность определения положения;

VDOP – показатель учитывает только вертикальную точность;

TDOP – учет точности времени

Пользователями приборов используется общее правило – чем выше значения показателей DOP, тем ниже точность определения. Кроме того, на качество геометрии спутников влияет широта, на которой находится приемник, а также близость к одному из полюсов Земли (влияние атмосферы).

Гравитационные влияния

Движение спутников, обеспечивающих работу системы GPS, по своим орбитам является достаточно стабильным, однако все же случаются некоторые отклонения. Причиной этих отклонений является гравитационное поле космических объектов – Солнца и Луны. Для преодоления подобных влияний данные о текущей орбите непрерывно корректируются и отправляются к приемникам уже в обработанном виде. Но, несмотря на принятые меры, гравитационные влияния все же приводят к погрешностям в измерении местоположения, такие погрешности могут приводить к потере точности определения до 2 метров.

Влияния ионосферы

Фактором, который имеет существенное влияние на точность вычислений, является разница в скорости прохождении сигнала от спутника в космосе и разных слоях атмосферы. Так, если в открытом космосе скорость сигнала равняется скорости света, то в тропосфере, а также в ионосфере эта скорость является более низкой.

На высоте от 80 до 100 км от Земли в результате воздействия энергии Солнца сконцентрировано значительное количество положительно заряженных ионов. В слоях ионосферы сигналы от спутников, представляющие собой электромагнитные волны, преломляются, за счет чего увеличивается время их прохождения через эти слои. Для преодоления влияния этого фактора используются корректирующие вычисления, проводимые самим приемником, поскольку возможные скорости прохождения сигнала через различные слои ионосферы достаточно хорошо изучены.

Но все же GPS терминалы (gps-трекеры), предназначенные для гражданского использования, не в силах выполнять корректировку в случае непредвиденных изменений, которые могут быть вызваны солнечными ветрами. Приемники, разработанные для нужд армии, принимают два вида сигналов с различной частотой, соответственно – с различной скоростью прохождения в ионосфере. Поэтому разница во времени их прибытия позволяет скорректировать погрешность, возникающую при вычислениях скорости прохождения сигналов через ионосферу.

Влияния тропосферы

При прохождении сигнала через тропосферу возникают искажения, вызванные погодными факторами, а именно – различной концентрацией водяного пара. Предугадать уровень концентрации пара настолько же сложно, насколько затруднительно предсказывать погоду, поэтому внести коррекцию методом вычислений крайне проблематично. С другой стороны, величина погрешности, вызванная особенностями прохождения сигнала через тропосферу заметно ниже влияния ионосферы, поэтому используется примерная поправка.

Однако данные спутников, которые расположены под углом менее 10° к горизонту, не включаются в измерения именно по этой причине, поскольку искажения достаточно высоки. Более точно настроить приемники позволяют погодные карты различных регионов. Геостационарные системы навигационного покрытия WAAS (Америка) и EGNOS (Европа) отсылают скорректированные сигналы для приемников, которые поддерживают дифференцированные поправки, эти данные заметно улучшают точность определения местоположения.

Отражения сигналов

Крупные объекты, находящиеся на пути сигнала – высотные здания и прочие объекты, часто становятся причиной его отражения, которое принимается терминалом GPS вместе с прямыми сигналами. Это приводит к искажению дальности, так как отраженному сигналу требуется больше времени, чтобы достичь приемника, погрешность в результате отражения может составлять несколько метров.

Также помехой для спутниковых измерений могут стать достаточно мощные источники излучений – радиостанции, локаторы, т.п.

Относительность измерения времени

Смысл очередного фактора, влияющего на погрешность в измерениях координат положения объекта, заключается в утверждениях теории относительности. В частности, согласно этой теории, при более высоких скоростях время течет медленнее. Спутник движется по орбите со скоростью около 12 тыс. км/ч., а уже при скорости 3874 км/ч. время для движущегося объекта течет медленнее, чем для неподвижного объекта (на Земле). Разница во времени (сигналы о точном времени отправляются со спутника в составе общего пакета данных) составляет 7,2 микросекунды в день. Впрочем, погрешность, вызванная этим фактором, является незначительной в сравнении со следующим утверждением той же теории относительности.

Теория относительности также свидетельствует о том, что время находится в зависимости от силы гравитации – чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее движется время. То есть, относительно объекта, который находится на земле, часы спутника будут идти быстрее, так как последний подвергается заметно меньшим гравитационным влияниям. Данный эффект мог бы привести к отклонениям на 38 микросекунд в день, что равнялось бы ошибкам в расчетах на 10 км. Для нейтрализации подобных эффектов нет необходимости вносить постоянные корректировки и проводить дополнительные вычисления, вместо этого было решено привести частоту часов на спутниках к определенному значению.

Еще один эффект, который учитывается при измерениях GPS только в особых случаях, известен ка «эффект Сагнака». Общий смысл явления заключается в том, что объект, находящийся на Земле в неподвижном состоянии, передвигается со скоростью порядка 500 км/ч (скорость вращения Земли). Явление приводит к определенным искажениям и зависит от направления движения объекта, поэтому для коррекции необходимы достаточно сложные вычисления. Искажения являются незначительными, хотя в некоторых случаях при измерениях принимается во внимание и этот фактор.

Округление и вычислительные ошибки

В тот момент, когда приемником GPS выполняются вычисления местоположения, данные о времени (терминала) синхронизируются с данными о времени на спутнике. Однако округления, производимые приемником при вычислениях, все же являются причиной погрешности, которая колеблется в пределах 1 м.

Заключение

Резюмируя информацию, изложенную в данной статье, мы приводим таблицу, в которой факторы, приводящие к искажению расчетов, отражены в виде примерного расстояния погрешности определения координат.

В сумме все причины, которые влияют на точность определения местонахождения объекта, составляют погрешность приблизительно до 15 метров. До момента отключения режима селективного доступа SA погрешность составляла до 100 метров. На уменьшение погрешности существенно влияют откорректированные данные систем WAAS и EGNOS, позволяющие сократить влияние тропосферы, гравитационные влияния, приводящие к ошибкам определения орбиты спутника. Таким образом, погрешность дополнительно может быть уменьшена еще на 3 – 5 метров.

Вспомни, сколько раз ты ругался на ни в чем не повинный навигатор, обнаружив себя не на том съезде, на шоссе вместо дублера, на незнакомом диване с лицом в зубной пасте… Ну хорошо, в последнем случае навигатор ни при чем. А если подумать, устройство не всегда виновато и в остальных поворотах не туда.

Бирмингем, Англия

Программное обеспечение в навигаторе или смартфоне работает с GPS-чипами, в которых годами ничего не меняется. А уж в спутниках, которые десятилетиями наматывают круги на орбите, вообще ничего поменять нельзя. И все же американская корпорация Broadcom намерена изменить существующий порядок вещей.

Развязка, проходящая через высотное здание. Осака, Япония

На конференции ION GNSS+ в Портленде представлен прототип пригодного для коммерческого массового производства GPS-чипа BCM47755 с пределом точности в 30 см вместо нынешних 5 м!

Шанхай, Китай

Помимо прочего, чип потребляет вдвое меньше энергии (обладатели смартфонов открывают шампанское!) и не путается в частоколе высотных зданий. Представители Broadcom утверждают, что новым чипом будут оснащены некоторые модели смартфонов, которые поступят в продажу уже в 2018 году. Но вот досада: не говорят какие.

Суиндон, Великобритания

Любой приемник спутниковой навигации, будь то американский GPS, российский ГЛОНАСС, европейский Galileo или японский QZSS, работает примерно одинаково: он вычисляет свое местоположение по сигналу о точном нахождении трех и более спутников, используя разные данные, например время прохождения сигнала между спутником и приемником.

Спрингфилд, штат Вирджиния, США

Почему новые GPS-чипы запускают именно сейчас? Во-первых, Broadcom освоила выпуск процессоров на 28-нанометровой архитектуре. А во-вторых, увеличилась группировка навигационных спутников нового поколения. Формат передачи данных спутниками не один. Сигналы стандартной точности диапазона L1 используются довольно давно, но теперь им на помощь пришел более мощный и широкополосный сигнал L5. Как утверждают в Broadcom, даже при ограниченной видимости неба в крупных городах GPS-устройства одновременно «видят» шесть-семь спутников, и этого вполне достаточно для работы новых чипов высокой точности.