GPS

Что такое GPS (ДЖИПИЭС)

На протяжении многих веков человечество совершенствовало навигационные системы. В древности люди находили путь по звездам, сегодня же для определения точного местоположения объекта необходим лишь приемник GPS. Устройство и разработанные алгоритмы обеспечивают синхронизацию данных.

Расшифровка аббревиатуры GPS – система глобального позиционирования (Global Positioning System), спутниковая навигационная система, информирующая о местоположении, скорости и времени в любой земной или околоземной локации. У GPS в наличии 24 спутника, которые совершают орбитальные перелеты по средней околоземной орбите на высоте около 20000 км.

Спутниковая система расположена в 6 орбитальных плоскостях, в каждой из которых 4 спутника, они облетают Землю два раза в день. Для определения местоположения, приемнику GPS-сигнала необходимо поймать по меньшей мере 4 спутника. Математическая модель расположения спутников задана таким образом, что это условие выполняется при любом раскладе, из любой точки планеты, приемник сигнала ловит минимум 4 спутника. Каждый из спутников посылает уникальный сигнал, параметры орбиты и время.

Система была создана в 70-х годах прошлого века при поддержке Министерства обороны США и предназначалась для военных целей. Развитие технологии и распространение мобильных телефонов, удешевление картографических данных дали возможность стать GPS потребительским продуктом.

На данный момент система предоставляет возможности военным, гражданским и коммерческим пользователям по всему миру, а люди могут использовать навигацию с помощью приложений на своих смартфонах. IPhone 4S был первым продуктом Apple, который использовал GPS и ГЛОНАСС навигацию.

Как работает GPS

GPS имеет сложную структуру, для его работы необходимо три составляющие: спутники, наземные станции и приемники сигналов. Наземные станции отслеживают и контролируют спутники, определяют их позицию и прогнозируемое расположение.

Высокотехнологичные приемники принимают сигналы, поступающие от четырех и более спутников, и в течение нескольких секунд, в результате обработки поступивших данных и произведенной триангуляции, мы получаем рассчитанное расстояние до спутников. Связь с тремя спутниками может создать двумерную модель позиционирования и отслеживать движение, начиная с четвертого создается трехмерное положение в системе координат (широта, долгота, высота). Используя эти показатели, блок GPS способен вычислить скорость, построить трек, направление движения, расстояние и другие параметры.

Приемники GPS имеют внешние или внутренние антенны, настроенные на спутниковую частоту. Устройство может одновременно контролировать различное количество спутников, зависящее от количества каналов. В среднем количество каналов от 4 до 5, однако по последним данным на рынке появились 20-канальные устройства. Спутниковые частоты колеблются в диапазоне 117 – 1600 МГц, полоса частот включает в себя пять типов (L1, L2, L3, L4, L5). Точность определения местоположения более 2,2 метра в 95% случаев.

Определение координат при помощи GPS

Спутники транслируют микроволновые сигналы, датчик GPS принимает их и использует для расчета расстояния от устройства GPS до спутника. Как же происходит расчет. Приемник GPS измеряет расстояние от себя до спутника путем измерения времени, которое требуется сигналу для прохождения расстояния.

Исходя из того, что устройство GPS производит лишь расчет расстояния до спутника, один спутник не может обеспечить информацией о местоположении объекта. Спутники не отражают данные об углах, это означает геолокация устройства GPS может быть где угодно на поверхности Земли, где спутник является центром, а расстояние от устройства GPS до спутника – его радиус.

Чтобы понять действие сигналов, используем простой пример. Когда спутник посылает сигнал, он создает некую сферу, радиус которой – расстояние от него до устройства.

Второй и третий спутники создают вторую и третью сферу соответственно. При пересечении трех сфер получаются две точки пересечения, из которых выбирается ближайшая к поверхности Земли. Этот процесс известен как трилатерация, он эффективен для определения абсолютных или относительных местоположений. Нам требуется всего три спутника для определения местоположения на Земле, четвертый спутник используется для проверки данных, он также необходим для вычисления высоты объекта.

Но имеется проблема. На борту спутников очень дорогие атомные часы, обладающие колоссальной точностью времени передачи сигналов, у GPS-приемника напротив, в виду относительно небольшой стоимости, дешевые часы. Таким образом существует погрешность относительно времени «получения» данных. Участвующий в процессе четвертый спутник может учитывать так называемый дрейф часов приемника. По мере перемещения устройства радиус (расстояние до спутника) изменяется. По мере изменения радиуса создаются новые сферы и рассчитывается новая позиция. Данные используются в совокупности со временем со спутника, чтобы определить скорость, рассчитать расстояние до пункта назначения и время, которое потребуется.

Источники ошибок GPS-сигнала

При приеме спутниковых сигналов могут возникнуть ошибки. Прохождение через слои атмосферы, задержки в ионосфере, тропосфере, погодные условия, облака, помехи в виде зданий или местности, большие отражения сигналов и частотный шум могут увеличить общую длительность прохождения сигналов, дать погрешность и отклонение, индуцировать ошибки в положении и даже приводить к отсутствию чтения сигналов.

Система GPS использует встроенную модель, которая используется для расчета обычной продолжительности помех, необходимых для исправления этого типа неточности.

Некоторые из факторов, которые могли или могут вызвать неточность в устройствах GPS:

  • Эфемерида: устаревшая орбитальная спутниковая модель, критическая проблема, которая была давно решена.
  • Атмосферные явления: задержки в атмосферных слоях, шторма, солнечные бури.
  • Численные расчеты: возникают при низком качестве оборудования, в случае нарушения спецификаций разработки.
  • Измерение времени прибытия сигнала: задержки, вызванные физическими препятствиями, такими как горы, здания, деревья.
  • Искусственные помехи: воздействие на GPS-устройство при помощи «глушилок».

Под землей, под водой определение геопозиции по GPS не работает. (Для определения геопозиции подводных объектов пользуются другими системами навигации, основанными на гироскопах, эхолокации.) Для еще более точной навигации в городских условиях, где могут возникнуть большие помехи в общности используются приемники сигналов GPS ГЛОНАСС, которые дополняют друг друга.

Где используется GPS

Современное использование – военные, гражданские и коммерческие цели. Сегодня GPS чрезвычайно актуален и используется во многих отраслях промышленности, для подготовки точных карт, проведения точных измерений времени, отслеживания местоположения, для навигации.

Гражданское использование GPS:

  • Транспорт: компании внедряют телематические системы для повышения производительности и безопасности водителя.
  • ЧП. В случае ДТП сокращает время реагирования.
  • Беспилотные автомобили или дроны.
  • Отслеживание домашних или диких животных. Таким способом отслеживаются исчезающие виды, предотвращается жестокое обращение с животными нелегальными торговцами и их попадание на нелегальные рынки.
  • Отслеживание престарелых людей. Устройство прикрепляется на браслет или встроено в часы.
  • Навигаторы. Определение времени пути, маршрута.
  • Геодезия и картография. Используется при построении точных карт.
  • Сотовая телефония. Первые телефоны с поддержкой GPS были выпущены в 90-х годах прошлого века. Современный смартфон определяет ближайшие к нам рестораны, кинотеатры, гипермаркеты при помощи GPS.
  • Астрономия: используется в расчетах астрометрии и небесной механики.
  • Отслеживание военных кораблей.
  • Развлечения. Используется для таких игр, как Pokemon Go.
  • Спорт. Умные часы могут использоваться для отслеживания физической активности (пробежки).
  • GPS для бизнеса. Цели и задачи: Отслеживать, контролировать и управлять поведением водителя. Все факторы склоняют к использованию данной технологии: низкая стоимость оборудования и абонентская плата, простота установки, эргономичный интерфейс программы. Распространенные цели использования: прозрачность в поведении водителя, наблюдение за своими активами, остановка кражи топлива.

GPS постоянно модернизируется, что будет способствовать еще более точным данным и удешевлением для гражданского использования. Российская Федерация также имеет систему глобальной навигации – ГЛОНАСС, разработки начались почти одновременно с GPS в конце 1990-х годов, но в свое время экономические проблемы привели ее в упадок. Начиная с 2000-х годов система стремительно развивалась и сегодня используется во всех нишах, в которых задействованы транспортные средства. Прочесть об установке GPS ГЛОНАСС на автомобиль можно тут.

Запрос коммерческого предложения