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.

Истина, что всё познаётся в сравнении, это самое первое, что поможет понять, насколько точны навигационные системы. Если «начинать от печки», то современную навигацию можно сравнить с прокладыванием пути по солнцу и по звёздам. Теперь звёздами можно считать спутники Земли. Приём сигналов от них на ваше GPS-устройство, это как работа часового механизма, двигающего стрелки.

Если не мешают атмосферные или техногенные явления – особая плотность облаков или близость небоскрёбов и множество воздушных электрокабельных трасс, ваш навигатор будет работать в штатном режиме, и точность его будет стабильной. Определённая осторожность этой оценки связана не столько с этими помехами – с ними навигатор справляется в считанные мгновения – сколько, как ни удивительно, с военным ведомством США. Дело в том, что, открывая доступ к гражданскому использованию своей спутниковой системы, соответствующие службы в США настроили её работу так, чтобы никто, кроме них самих, не вздумал использовать самую точную навигацию в военных целях.

Следующие по точности GPS навигаторы – геодезические приёмники. Они обладают большим количеством каналов связи и сопротивлением помехам, их погрешность находится в пределах 1 см. За ними следуют менее точные навигаторы, используемые на открытых пространствах. Туристический класс поисковиков определит ваше местонахождение с точностью до 10 метров, и с таким несущественным отклонением укажет вам правильный путь.

Автомобильные навигаторы, действующие в закрытом пространстве салона, имеют дополнительную погрешность. Но для ориентирования в дороге она несущественна. Погрешность уменьшается до минимальных размеров самим навигатором. У автомобилистов есть и такой помощник, как GSM-модуль , с «подачи» которого становится ясной текущая дорожная ситуация.

Для увеличения точности существуют дополнительные инструменты, например, дифференциальный приёмник, действующий в системе GPS и корректирующий погрешности, допущенные этой системой. Особенно GPS нужен спасателям и поисковым отрядам, учёным, нуждающимся в определении точнейшего времени.

Есть проблемы точности, связанные не со спутниковой навигацией, а с достоверностью предоставляемых для использования электронных карт и сервисных дополнений к ним. Наибольшей точностью, по общему признанию, обладают постоянно дополняемые Яндекс-карты. И, наконец, GPS-навигаторы, которые есть и в мобильных телефонах. Хотя установка в них приложений не имеет широкого выбора, но и «родных» возможностей мобильного телефона с интернетом хватает для более или менее стабильного и точного сопровождения в пути.

Вам не нравится что GPS на Вашем Android слишком долго "ищет и звхватывает спутники" ? Точность определения местоположения хуже 10ти метров? Вы думали что "это GPS на самом деле так работает" ? Ничего подобного. Ваш GPS может обеспечить точность +-5 метров, ато и точнее. И я расскажу Вам как этого добиться. И больше никаких "патчей" или сторонних и "геморных" в использовании "GPS утилит ускоряющих поиск спутников и повышающих точность". Все что необходимо есть в Вашем аппарате. Просто "калибровки" туда производитель вписывает "среднефонарные" - естественно не будет же он каждый телефон калибровать индивидуально. Да и производитель где? В Китае, а калибровать нужно там, где Вы его реально используете.Ниже приведенная инструкция, собрана мною из разных источников по частям и проверена, кроме части "обеспечения максимальной точности", которую проверю позже и сделаю дополнение, но даже без нее, время "холодного старта" GPS, после перезагрузки телефона удалось довести до менее чем 20ти секунд, вместо 1-2х минут до калибровки. При этом захват первых спутников идет менее чем через 3-4 секунды, а "захват GPS" (локализация по спутникам, когда перестает мигать "поиск GPS" и тело переходит на работу по спутникам) - менее 10ти секунд (иногда до 40ка но реже - в зависимости от точности часов Вашего смарта и видимости спутников).
Впечатления от работы обеих методов, чтобы решить какой из них Вам больше по душе, можно прочесть здесь: . Я лично рекомендую "метод калибровки родного GPS" (описанный ниже) - он дает те же результаты, и как по мне много предпочтительнее и удобнее в использовании.
Следует отметить, что с помощью программы, описанной здесь: , скорость активации из "холодного" состояния, всеже чуть шустрее. но более гемеройно, и из за ее "глубокого проникновения в систему GPS Android", она может "сбить" калибровки его "родной системы", о которых ниже. Плюс все что нужно проделать с ее помощью, перед каждым включением GPS делает запуск с ее использованием реально медленее, чем в варианте, изложенном в этой заметке.

Добавлено 30/08/2013 . перед началом калибровки, просмотрите вот эту заметку и проделайте процедуры, которые в ней описаны: . Особенно актуально, если у вас серьезные проблемы с GPS, типа "очень плохо держит спутники" и "лок" "падает" при малейшем ослаблении сигнала, плюс после этого, GPS будет "держать" больше спутников одновременно, что улучшит как стабильность так и точность. Без этих процедур мне не удавалось "привести в норму" GPS под JB 4.1.1 Cink King. После чего проделайте калибровку по методике. изложенной ниже в этой заметке.

*наклонным шрифтом выделены пункты, необходимые для достижения вообще теоретически возможной точности. Пункты наклонным шрифтом могут быть пропущены , это чуть снизит точность (реально раза в 2), на скорости "холодного старта" не скажется.
**Перед процедурой выясните код инженерного меню Вашего аппарата - он Вам понадобится.

1. Точность работы GPS , и особенно скорость "захвата после холодного старта", сильнейшим образом зависят от точности установки времени на Вашем аппарате. Обычно у всех стоит в настройках "Даты и Времени", "синхронизировать время по сети". У меня тоже стояло. Но как выяснилось, при этом аппарат использует для установки времени сотовый сигнал оператора, который в некоторых случаях может давать точность установки времени хуже +-несколько минут, а в моем случае (Киев, опаратор Life) давал отличие от реального времени целых 3 секунды. В общем кал, а не "сигналы точного времени". Есть еще возможность "определять время по GPS", но если Вы не в деревне живете, то это будет жрать много батареи, а толку будет чуть - ни в квартире ни в метро ни в маршрутке, ни в офисе... Ну Вы поняли.
   Поэтому озаботимся сначала утсановкой наиболее точного возможного времени. Для этого я поставил бесплатную программу ClockSync, вот отсюда: https://play.google.com/store/apps/details?id=ru.org.amip.ClockSync&hl=ru , можно еще взять отсюда: http://4pda.ru/forum/index.php?showtopic=171610 . Также можете воспользоваться методикой, которую я описал здесь: - она не требует установки дополнительных программ, но требует ручного редактирования нескольких системных конфигурационных файлов.
   Далее, определяемся с опорным сервером точного времени, который будем использовать. Немаловажно, чтобы он был как можно ближе к Вам, и чтобы время пинга до него было минимальным. Для начала, адреса "пулов" - для Украины это ua.pool.ntp.org, для России ru.pool.ntp.org. Если Вы в другой стране, ищите вот здесь: http://www.pool.ntp.org/ru/ .
   Теперь запускаем терминал, и в нем комманду "ping ua.pool.ntp.org", и смотрим на время отклика. Делаем это раз 10 - каждый раз она будет обращаться к случайному серверу "пула", и обычно к другому. Даже для Украины время "отклика" для разных серверов колеблется от 5ти до 60мс (по наземке), что уж говорить о России с ее размерами. Соответственно выписываем IP адрес сервера, время отклика от которого минимально. Его и будем использовать.
   Запускаем установленную программу ClockSync, Меню > настройки. Первый пункт "NTP сервер". Вписываем туда выбранный IP адрес. Далее, выставляем галочку "автоматическая синхронизация", потом выбираем "Интервал". Чем интервал" меньше - тем чаще будет проходить синхронизация, а это "немножко траффика и множко батареи", с другой стороны, мой аппарат за 3 часа "уходит" аж на 160-180 миллисекунд... Я остановился на 3х часах покачто. Далее галочка "точный интервал" - можете не ставить - чуть сохранит батарею, я лично поставил. "Режим высокой точности" - ставьте, тем более что синхронизация иногда будет идти через сотовую передачу данных с очень нестабильной скоростью (можете не ставить - точность упадет, зато существенно снизится расход батареи при синхронизации). Ставим также "определять часовой пояс",
   Выходим из меню настроек, жмем "меню", и выбираем "синхронизировать" - насколко Ваш аппарат идет "мимо времени" видно на экране. Да, в меню настроек через сутки сможете посмотреть насколько часы Вашего аппарата "спешат/опаздывают" в сутки (мой Fly IQ 450 на 9,21 сек в день).
   PS автоматическая синхронизация времени возможна только на "рутованном" аппарате. Если у Вас не рутованный, там есть в программе "ручной режим", но точность уже будет совсем не та.
   Примечание - добавлено позже. Также есть второй способ точной синхронизации времени, без установки дополнтилеьной программы, я его описал здесь: . После сравнения результатов, я выбрал именно этот способ, но он требует некоторого редактирования конфигурационных файлов.
   Также желательно, если у Вас рутованный аппарат, отредактировать файл /system/etc/gps.conf. А именно, в первой строке, после "NTP_SERVER=", заменить указанный там "дефолтовый", на более подходящий для Вашей страны - например для Украины на ua.pool.ntp.org, или даже на ранее определенный IP адрес, но это будет менее универсально и иногда чревато сбоями, если конкретный сервер не будет работать, поэтому ua.pool.ntp.org универсальнее, зато IP адрес в этом поле может еще больше ускорить начальный холодный старт. Редактирование можно делать с помощью "Root Explorer".
   Со временем разобрались. Далее.
2. Идем в настройки телефона. Местоположение. Отмечаем пункты: "По координатам сети", "Спутники GPS", "Вспомогательные данные", "AGPS", остальное "по вкусу". теперь заходим в пункт "Параметры EPO". Выключаем "EPO" на время калибровки. Здесь все.
3. Запускаем Google Earth , в настройках переключаем его, чтобы показывал координаты в формате градусов и долей. Ищем поблизости место, где будем проводить калибровку. Это должно быть достаточно открытое место, например площадь. Выбираем точку где будем стоять при калибровке (выберите приметы, чтобы стать точно в нее потом), наводим на нее курсор, и записываем показанные координаты до последнего знака. Подготовка окончена - идем "в поле" :) с телефоном.
4. Если использовали п3 - становимся ТОЧНО в точку, которую ранее выбрали . Запускаем "root explorer", заходим в папку /data/misc, удаляем файл mtkgps.dat. Загружаем самые свежие данные AGPS - например через программу Статус GPS (меню>инструменты>Данные AGPS>Загрузить). Проверяем время, например программой ClockSync (несколько раз проверяем, смотрим типичное отклонение, и потом жмем синхронизировать - как пользоваться программой и где взять - см ранее в статье о калибровке времени). Заходим в инженерное меню, LocationBasedServices, выбираем в меню "GPS", и нажимаем кнопку "GPS" (надпись на ней сменится с OFF на ON). Переходим во "View". Ждем пока появится "фикс" (перестанет мигать индикатор GPS), и потом еще не менее 2х минут. После чего жмем RefPosition, и в появившихся окошках вписываем координаты, ранее выписаные с Google Earth" для точки где Вы проводите калибровку (там будут нули). Жмем "ОК". Снова переходим к экрану View, и ждем после "фикса" не менее 2х минут, лучше минут 5. Выходим назад в инженерное меню. Если п3 не выполняли - просто выбираем любое достаточно открытое место. Вынимание - даже не пытайтесь проделывать калибровку на балконе или "из окна" - сделаете только хуже.
5. ****Можете перед калибровкой еще проверить правильность выбора SIM карты для AGPS - если Ваш сотовый оператор "глюкало", а карты две и два оператора, то можно выбрать менее глючного, это в случае если был выбран "глюкавый", может существенно ускорить работу GPS, ато и "оживить" "неработающий напрочь GPS" процедура описана в самом конце заметки.
6. Заходим в "Инженерное меню" (для моего FLY IQ 450 и многих китайцев-клонов это код *#*#3646633#*#*, который набираем там где обычно набираете номер телефона при звонке, у Вас может быть другой). Находим "YGPS location", и запускаем. Телефон держите вертикально.
7. Переходим на вкладку Information . Жмем кнопку "Full".
8. Переходим на вкладку "Satellites" , ждем когда появится минимум 5 спутников (лучше больше - у меня их было 11 при настройке), и после того как они "появятся и позеленеют", ждем еще минимум 2 минуты, удерживая аппарат неподвижно (можно дольше - хуже не будет - только лучше). Это первичная калибровка. У меня она заняла минуты 3, но у некоторых аппаратов по отзывам может занять и до получаса.
9. Идем в пункт Information" , жмем "Cold". Далее как в п 8. Пункт 9 повторяем 3 раза. Можно больше.
10. Снова в Information. Жмем "Warm". далее как в п.8. Повторять уже не обязательно.
11. Снова в Information" . Жмем "Hot". Далее как в п 8.
12. Если Вы выполняли пункт 3 , выходите в инженерное меню, выбираете пункт "LocationBasedService", переходим на вкладку "View" (на забудьте активировать GPS как описано в п 4), и ждем пока определится максимум спутников. Минимум 7, лучше больше (чем больше, тем точнее калибровка), и после того как определится максимум, ждем еще 2 минуты. После чего идем во вкладку GPS, и жмем "RefPosition". У Вас появятся две цифры, от той, что Вы ранее записали используя Google Earth, они будут отличаться скорее всего тысячными. Исправляете обе на те, что Вы записали ранее в п3. Жмем "ОК". Теперь переходим во вкладку GPS и ждем минут 5 держа телефон неподвижно. Вот в этом месте - чем дольше - тем лучше. Программа GPS, получив реальные координаты, сравнивает их с теми что "получаются у нее" и вносит коррекции. их уточняя. Ниже в окошке увидите счетчик "процесса" и данные, которые врем от времени меняются.
13. Выходим из инженерного меню, перезагружаем телефон.
14. Все. Радуемся шустрому и точному GPS.

После полностью выполненной инструкции, реальная точность определения позиции (вычисленная по google earth а не та, которую показывает сам GPS), составила ~2.3-2.5 метра (GPS показывал точность в 5-6 метров в статусе), при "видимых" 9ти спутниках, и 8 метров (GPS показывал точность 10.5 метров в статусе) при видимых 7ми спутниках -спутники движутся и раз на раз не приходится в смысле день на день.

PS Если Вы собираетесь использовать также программу, описанную здесь: , то учтите что калибровать нужно после ее установки. И в случае ее деинсталяции - калибровать повторно - скидывает при деинсталяции калибровочные данные, и GPS снова начинает "искать спутники по нескольку минут". Загрузка ее данных "ускорения" ВРОДЕ БЫ не влияет на калибровку, но и смысла не имеет - разница по скорости "в пределах статистической погрешности". Но кажется, реальная точность чуть лучше, со свежезагруженными ее данными (процентов на 20, но тоже в пределах статпогрешности по сути). Также имейте в виду, что загруженные данные вышеуказанной программы быстро устаревают, и спустя день-два уже наоборот будут тормозить GPS и снижать точность (по сравнению с просто нормально откалиброванным родным по вышеописанной в этой статье методике). Плюс я ее снес нафик:) Бо во первых не нужна, а во вторых с ней можно получить "GPS который ничего не определяет", если забыли загрузить новые данные. Даже если Вы нажали кнопку "сбросить загруженные данные" и саму программу не запускаете. По кр мере у меня раз так случилось - проверять грабли еще раз не стал.

PPS В нете бродят слухи, что "включение данных EPO" (специфические данные GPS для чипов MTK), дающих некоторое ускорение "холодного старта", уменьшают количество "захватываемых спутников". Это наврядли. Количество захватываемых спутников определяется их "количеством над головой в данный момент" и высотой над горизонтом (в городе, те что над самым горизонтом обычно не видны). Но всеже при калибровке ее лучше выключить. И использовать только если Вы едете в место, где инет возможно будет не доступен. Тогда она Вам даст реальное ускорение запуска (в ней загружаются данные за месяц вперед). В обычной ситуации лучше пользоваться только AGPS - ее данные свежее, и соответственно точнее, поэтому скорость "старта" с ней типично выше.

PPPS Ниже "референсная информация" для тех, кому достался аппарат, с полностью нерабочим GPS. Стоит ее проверить - причина может быть в том, что у Вас вписано в настройки что то отличное от нижеприведенного:

В инженерном меню, в пункте LocationbasedService, во вкладке AGP S:

Должно быть включено Enable A-GPS, MSB, User Profile, SLP Template - GOOGLE, supl.google.com, 7275, TLS Enable, RRLP, IMSI, K-Value.
Horizontal Accuracy - 22, Vertical Accuracy - 0, Location Age - 0, Delay - 0. Выбрано Location Estimate.
*********Выбор SIM карты для AGPS
Идем на вкладку NET - выбираем - нажимаем смотрим карту(вкладка Map), там должен появится адрес по которому вы находитесь, или близкий к нему. Тоже делаем с . Сравниваем, что точнее к вашему реальному положению, и на вкладке AGPS выбираем предпочитаемую симку.
На вкладке AGPS нажимаем
Да, если что то из перечисленного в этом PS отличалось от настроек Вашего аппарата, или если Вы сменили симку, к которой у Вас привязан AGPS - калибровку нужно провести по новой.

PS О влиянии точности хода часов на время "холодного старта GPS".

Из "неудобного места" - балкон, сверху все перекрыто бетоном, двор-колодец - дома с 4х сторон, небу "кусочек сверху", едва видно 4 спутника (едва потом что видно 3, а 4й то появляется то пропадает). телефон откалиброван по методике, изложенной выше (до калибровки в этих условиях захвата вообще не было). Часы "отстают" на ~160мс (со времени калибровки часов программой ClockSync прошло 2 часа). Время "холодного старта" ~250-300 сек. После принудительной калибровки времени программой ClockSync - время "холодного старта" ~100сек. Впрочем это условия. в которых GPS обычно вообще не работоспособен, но хорошо иллюстрируют влияние точности хода часов на время "холодного старта".

PPS Для форсирования загрузки данных AGPS, например если Вы находитесь далеко от места, где они были загружены - типа уехали километров на 200 на рыбалку/отдых итд, и загруженные дома данные AGPS стали неактуальны, что может отрицательно сказаться на времени "холодного старта".

Можно использовать программу "Статус GPS" вот отсюда: https://play.google.com/store/apps/details?id=com.eclipsim.gpsstatus2&hl=ru . Запускаете эту программу. Слева внизу под "координатным кругом", - возраст данных AGPS в часах. Нажимаете Меню > Инструменты > Данные A-GPS. Потом "загрузить".

Специальная погрешность

Главная причина погрешностей данных в системе GPS больше не является проблемой. Второго мая, 2000 года в 5:05 утра (MEZ) так называемая специальная погрешность (SA) была отключена. Специальная погрешность - это искусственная фальсификация времени в сигнале L1, переданном спутником. Для гражданских GPS приемников эта погрешность вела к менее точному определению координат. (ошибка в приблизительно 50 м. в течение нескольких минут).

В дополнение, полученные данные передавались с меньшей точностью, что означает, что передаваемое положение спутника не соответствует действительности. Таким образом, за несколько часов возникает неточность данных о местоположении в 50-150 м. В те времена, когда специальная погрешность была активна, гражданские GPS приборы имели неточность в приблизительно 10 метров, а в наши дни - 20 или обычно даже меньше. После отключения выборочной погрешности, главным образом, улучшились точность данных о высоте.

Причиной для специальной погрешности была безопасность. Например, террористы не должны обладать возможностью обнаружения важных строительных объектов используя оружие на дистанционном управлении. Во время первой войны в заливе в 1990 специальная погрешность была отключена частично, т.к. американским войскам не хватало военных GPS приемников. Были приобретены 10 000 гражданских GPS приборов (Magellan и Trimble), которые позволили свободно и достаточно точно ориентироваться на пустынной местности. Специальная погрешность была деактивирована из-за широкого распространения GPS системы по всему миру. Следующие два графика показывают, как изменилась точность определения координат после выключения специальной погрешности. Длина границы диаграмм равняется 200 метрам, данные получены 1 мая 2000 года и 3 мая двухтысячного года в период 24 часа каждая. В то время как координаты при специальной погрешности находятся в радиусе 45 метров, то без нее 95 процентов всех точек находятся в радиусе 6.3 метра.

"Геометрия спутников"

Другой фактор, который влияет на точность определения координат - это "геометрия спутников". Геометрия спутников описывает положения спутников друг к другу с точки зрения приемника.

Если приемник видит 4 спутника и все они расположены, к примеру, на северо-западе, то это приведет к "плохой" геометрии. В худшем случае, обнаружение местоположения будет вовсе невозможно тогда, когда все определяемые расстояния будут указывать в одно направление. Даже, если местоположение распознано, погрешность может достигать 100 - 150 м. Если же эти 4 спутника будут хорошо распределены по небесному своду, то точность определяемого местоположения будет гораздо выше. Давайте предположим, что спутники расположены на севере, востоке, юге и западе, формируя углы в 90 градусов относительно друг друга. В данном случае расстояния могут быть измеряются в четырех разных направлениях, что и характеризует "хорошую" геометрию спутников.

Если два спутника находятся в наилучшем положении относительно приемника, то угол между приемником и спутниками равен 90 градусов. Время прохождения сигнала не может быть определенно абсолютно точно, о чем говорилось ранее. Поэтому возможные положения отмечены черными кругами. Точка пересечения (А) двух кругов достаточна мала и обозначена синим квадратным полем, что означает, что определяемые координаты будут достаточно точными.

Если спутники расположены почти в одну линию относительно приемника, то, как видно, на перекрестии мы получим более обширную площадь, а значит и меньшую точность.

Геометрия спутников также во многом зависит от высоких машин или от того, используете ли вы прибор в машине. Если какой-то из сигналов заблокирован, оставшиеся спутники попробуют определить координаты, если это вообще будет возможно. Такое часто может наблюдаться в зданиях, когда вы близко расположены к окнам. Если определение местоположением будет возможным, то в большинстве случаев оно будет не точным. Чем большая часть небосвода загорожена каким-либо предметом, тем становится сложнее определить координаты.

Большинство GPS приемников не только показывают количество "пойманных" спутников, но так же и их положение в небе. Это позволяет пользователю судить, закрывается ли какой-то определенный спутник каким-либо предметом и возникнет ли неточность данных при перемещении всего на пару метров.

Производители большинства приборов дают свою формулировку о точности измеряемых величин, которая в основном зависит от разных факторов. (о которых производитель неохотно говорит).

Для определения качества геометрии спутников в основном используются значения DOP ("разбавление" точности). В зависимости от того, какие факторы используются для вычисления значений DOP, возможны различные варианты:

• GDOP (Geometrical Dilution Of Precision); Полная точность; 3D-координаты и время
• PDOP (Positional Dilution Of Precision) ; Точность положения; 3D-координаты
• HDOP (Horizontal Dilution Of Precision); Горизонтальная точность; 2D-координаты
• VDOP (Vertical Dilution Of Precision); Вертикальная точность; высота
• TDOP (Time Dilution Of Precision); временная точность; время

HDOP-значения ниже 4 хороши, выше 8 - плохие. HDOP значения становятся хуже, если "пойманные" спутники находятся высоко в небе над приемником. С другой стороны, значения VDOP становятся тем хуже, чем ближе спутники к горизонту, а значения PDOP хороши, когда спутники находятся прямо над головой и еще три распределены по горизонту. Для точного определения местоположения, значение GDOP не должно быть меньше 5. Значения PDOP, HDOP и VDOP являются частью NMEA данных GPGSA.

Геометрия спутников не является причиной погрешности в определении положения, которое может быть измерено в метрах. На самом деле значения DOP усиливает другие неточности. Высокие значения DOP увеличивает другие ошибки больше, чем низкое значения DOP.

Ошибка, которая возникает при определении местоположения из-за геометрии спутников, также зависит от широты, на которой находится приемник. Это показано ниже на диаграммах. Диаграмма слева показывает неточность по высоте (вначале кривая изображена со специальной погрешностью), которая была записана в Вухане (Китай). Вухан расположен на 30.5° северной широты и является наилучшим местом, где совокупность спутников всегда идеальна. Диаграмма справа показывает такой же записанный интервал, сделанный на станции Касей в Антарктике (66.3° южной широты). Из-за не такой идеальной совокупности спутников в этой широте время от времени возникали более грубые ошибки. В дополнение ошибка происходит из-за влияния атмосферы - чем ближе к полюсам, тем больше погрешность.

Орбиты спутников

Хотя спутники и находятся на достаточно четко определенных орбитах, небольшое отклонения от орбит все же возможно из-за гравитации. Солнце и Луна имеют слабое влияние на орбиты. Данные об орбите постоянно корректируются и поправляются и регулярно посылаются приемнику в эмпирическую память. Поэтому влияние на точность определения местоположения достаточно маленькое и если возникает погрешность, то не более 2 метров.

Влияния отражения сигналов

Эффект происходит из-за отражения сигналов спутника от других объектов. Для GPS сигналов этот эффект главным образом происходит в близости больших зданий или других объектов. Отраженному сигналу требуется больше времени, чем прямому сигналу. Ошибка составит всего несколько метров.

Атмосферные эффекты

Другой источник неточности это уменьшение скорости распространения сигнала в тропосфере и ионосфере. Скорость распространения сигналов в открытом космосе равна скорости света, а в ионосфере и тропосфере она меньше. В атмосфере на высоте в 80 - 400 км энергией солнца создается большое количество положительно заряженных ионов. Электроны и ионы сконцентрированы в четырех токопроводящих слоях ионосферы (D-, E-, F1-, и F2-слоях).
Эти слоя преломляют электромагнитные волны, исходящих от спутников, что увеличивает время прохождения сигналов. В основном эти ошибки корректируются вычислительными действиями приемника. Различные варианты скоростей при прохождении ионосферы для низких и высоких частот прекрасно известны для нормальных условий. Эти значения используются при расчете координат местоположения. Однако, гражданские приемники не способны вносить корректировку для непредвиденных изменений в прохождении сигнала, причиной которых могут стать сильные солнечные ветра.

Известно, что во время прохождения ионосферы электромагнитные волны замедляются обратно пропорционально площади их частоты (1/f2). Это означает, что электромагнитные волны с низкой частотой замедляют скорость быстрее, чем электромагнитные волны с высокими частотами. Если сигналы с высокой и низкой частотой, которые достигли приемника, позволили проанализировать разность во времени их прибытия, то время прохождения в ионосфере также будет посчитано. Военные GPS приемники используют сигналы двух частот (L1 и L2) , которые по разному ведут себя в ионосфере, и это позволяет устранить другую погрешность при вычислениях.

Влияние тропосферы - это следующая причина, почему время прохождения сигнала увеличивается из-за преломления. Причинами преломления являются разная концентрация водяного пара в тропосфере, в зависимости от погоды. Данная ошибка не так велика, как ошибка, которая возникает при прохождение, через ионосферу, но она не может быть устранена вычислением. Для исправления этой ошибки при вычислении используется приблизительная поправка.

Следующие два графика показывают ошибку ионосферы. Данные изображенные слева, были получены одночастотным приемником, который не может внести исправить ошибку ионосферы. График справа получен двухчастотным приемником, который может корректировать ошибку ионосферы. Обе диаграммы имеют примерно одинаковый масштаб(Слева: Широта от -15м до +10 м, Долгота -10м до +20 м. Справа: широта от - 12 м до + 8 м, долгота от - 10м до +20м). Правый график показывает более высокую точность.

Используя WAAS и EGNOS можно настроить "карты" погодных условий над различными регионами. Откорректированные данные отсылаются на приемник и заметно улучшают точность.

Неточность часов и округление ошибок

Несмотря на то, что время приемника синхронизируется с временем спутника во время определения положения, все же неточность времени есть, что приводит к ошибки в 2м при определении местоположения. Округление и вычислительные ошибки приемника имеют погрешность примерно в 1м.

Релятивистские эффекты

В данном разделе нет полного объяснения теории относительности. В повседневной жизни мы не осознаем значения теории относительности. Однако, эта теория влияет на множество процессов, среди которых правильное функционирование GPS системы. Это влияние будет коротко объяснено далее.

Как мы знаем, время является одним из главных факторов в GPS навигации и должно быть равно 20-30 наносекундам, чтобы обеспечить необходимую точность. Поэтому необходимо учесть скорость движения спутников (примерно 12000 км/ч)

Кто когда-либо сталкивался с теорией относительности, знает, что время течет медленнее при больших скоростях. Для спутников, которые движутся со скоростью 3874 м/с, часы идут медленнее, чем для земли. Это релятивистское время ведет к неточности во времени примерно в 7,2 микросекунде в день (1 микросекунд = 10-6 секунд). Теория относительности также гласит, что время идет тем медленнее, чем сильнее поле гравитации. Для наблюдателя на земной поверхности часы спутника будут идти быстрее (так как спутник находится на 20 000 км выше и подвергается гравитационным силам меньше, чем наблюдатель). И эта вторая причина этого эффекта, который в шесть раз сильнее, чем неточность о которой говорилось чуть ранее.

В целом, кажется, что часы на спутниках идут немного быстрее. Отклонение времени для наблюдателя на Земле составило бы 38 микросекунд в день и послужили бы причиной ошибки в итоге в 10 км за день. Чтобы избежать этой ошибки нет необходимости постоянно вносить корректировки. Частота часов на спутниках была установлена на 10.229999995453 Mhz вместо of 10.23 Mhz, но данные используют так, как если бы они имели стандартную частоту в 10.23 MHz. Эта уловка решила проблему релятивистского эффекта раз и навсегда.

Но есть и другой релятивистский эффект, который не учитывается при определении местоположения по системе GPS. Это так называемый эффект Сагнака и он вызван тем, что наблюдатель на поверхности Земли также постоянно движется со скоростью 500м/с (скорость на экваторе) из-за того, что планета вращается. Но влияние этого эффекта мало и его корректировка сложна для вычисления, т.к. зависит от направления движения. Поэтому этот эффект учитывается только в особых случаях.

Ошибки GPS системы приведены в следующей таблице. Частные значение не являются постоянными значениями, но являются подчиняются различиям. Все числа - приблизительные значения.

GPS-навигации и степень доверия к ее показаниям. Насколько можно приближаться к какой-либо навигационной опасности, полагаясь только на приемник GPS-навигатора? К сожалению, однозначного ответа на этот вопрос не существует. Это связано со статистическим характером ошибок GPS-навигации. Рассмотрим их подробнее.

На скорость распространения радиоволн влияют ионосфера и тропосфера, ионосферная и тропосферная рефракция. Это главный, после отключения SA, источник погрешностей. Скорость радиоволн в пустоте постоянна, но при входе сигнала в атмосферу изменяется. Для сигналов от разных спутников задержка времени различна. Задержки распространения радиоволн зависят от состояния атмосферы и высоты спутника над горизонтом. Чем ниже , тем больший путь проходит его сигнал через атмосферу и тем больше искажения. Большинство приемников исключают использование сигналов от спутников с возвышением над горизонтом менее 7,5 градусов.

Кроме того, атмосферные помехи зависят от времени суток. После захода солнца плотность ионосферы и ее влияние на радиосигналы уменьшается, явление, хорошо знакомое радистам-коротковолновикам. Военные и гражданские приемники GPS-навигаторов могут автономно определять атмосферную задержку сигнала, сравнивая задержки на разных частотах. Одночастотные потребительские приемники вносят приблизительную поправку на основании прогноза, передаваемого в составе навигационного сообщения. Качество этой информации в последнее время выросло, что дополнительно повысило точность GPS-навигации.

Режим SA.

Для сохранения преимущества высокой точности для военных GPS-навигаторов с марта 1990 года был введен режим ограничения доступа SA (Selective Availability), искусственно снижающий точность гражданского GPS-навигатора. При задействованном режиме SA в мирное время добавляется ошибка в несколько десятков метров. В особых случаях могут вводиться ошибки в сотни метров. Правительство США отвечает за работоспособность системы GPS перед миллионами пользователей, и можно рассчитывать, что повторное включение SA, и тем более, столь значительное снижение точности не будет введено без достаточно серьезных причин.

Загрубление точности достигается путем хаотического сдвига времени передачи псевдослучайного кода. Ошибки, возникающие от SA, - случайные и равновероятные в каждую сторону. SA влияет также на точность курса и скорости по GPS-навигатору. По этой причине неподвижный приемник часто показывает слегка изменяющиеся скорость и курс. Так что оценить степень воздействия SA можно по периодическим изменениям курса и скорости по GPS.

Погрешности в эфемеридных данных при GPS-навигации.

Прежде всего это погрешности, связанные с отклонением спутника от расчетной орбиты, неточностями часов, задержками сигнала в электронных схемах. Коррекция этих данных производится с Земли периодически, в промежутках между сеансами связи ошибки накапливаются. Ввиду малости эта группа погрешностей не имеет значения для гражданских пользователей.

Крайне редко, но могут иметь место более крупные ошибки из-за внезапных сбоев информации в устройствах памяти спутника. Если такой сбой не выявляется средствами самодиагностики, то до момента обнаружения ошибки наземной службой и передаче команды о неисправности спутник может какое-то время передавать неверную информацию. Происходит так называемое нарушение непрерывности или как часто переводят термин integrity, целостности навигации.

Влияние отраженного сигнала на точность GPS-навигации.

Кроме прямого сигнала от спутника GPS-приемник также может принять сигналы, отраженные от скал, зданий, проходящих судов — так называемое характеризующие многолучевое распространение (multypath). Если прямой сигнал закрыт от приемника надстройками или такелажем судна, отраженный сигнал может быть сильнее. Этот сигнал проделывает более длинный путь, и приемник «думает», что находится дальше от спутника, чем на самом деле. Как правило, эти ошибки намного меньше 100 метров, поскольку только близко расположенные предметы способны дать достаточно сильное эхо.

Спутниковая геометрия при GPS-навигации.

Зависит от расположения приемника относительно спутников, по которым определяется позиция. Если приемник поймал четыре спутника и все они находятся на севере - спутниковая геометрия плохая. Результат — ошибка до 50-100 метров или даже невозможность определения координат.

Все четыре измерения - из одного и того же направления, и область пересечения линий положений слишком велика. Но если 4 спутника будут расположены равномерно по сторонам горизонта, то точность намного возрастет. Спутниковая геометрия измеряется геометрическим фактором PDOP (Position Dilution Of Precision). Идеальному расположению спутников соответствует PDOP = 1. Большие значения говорят о плохой спутниковой геометрии.

Пригодными для навигации считаются значения PDOP меньше 6,0. В двухмерной навигации применяется HDOP (Horizontal Dilution Of Precision), меньше 4,0. Также используются вертикальный геометрический фактор VDOP, меньше 4,5, и временной TDOP, меньше 2,0. PDOP служит множителем для учета ошибок от других источников. Каждая измеренная приемником псевдодальность имеет свою погрешность, зависящую от атмосферных помех, ошибок в эфемеридах, режима SA, отраженного сигнала и так далее.

Так, если предполагаемые значения суммарных задержек сигнала по этим причинам, URE — User Range Error или UERE — User Equivalent Range Error, по-русски ЭДП - эквивалентная дальномерная погрешность, в сумме составляют 20 метров и HDOP = 1,5, то ожидаемая ошибка определения места будет равна 20 х 1,5 = 30 метров. Приемники GPS-навигаторов по-разному представляют информацию для оценки точности с использованием PDOP.

Кроме PDOP или HDOP, используется GQ (Geometric Quality) — величина, обратная HDOP, или качественная оценка в баллах. Многие современные приемники показывают ЕРЕ (Estimated Position Error - ожидаемую ошибку позиции) непосредственно в единицах дистанции. ЕРЕ учитывает расположение спутников и прогноз погрешности сигналов для каждого спутника в зависимости от SA, состояния атмосферы, ошибок спутниковых часов, передаваемых в составе эфемеридной информации.

Спутниковая геометрия также становится проблемой при использовании приемника GPS-навигатора внутри транспортных средств, в густом лесу, горах, вблизи высоких зданий. Когда сигналы от отдельных спутников блокированы, положение оставшихся спутников определит, насколько точной будет позиция GPS, и их число покажет, может ли позиция вообще быть определена. Хороший приемник GPS-навигатора покажет не только, какие спутники используются, но и их местоположение, азимут и возвышение над горизонтом, так что вы можете определить, затруднен ли прием данного спутника.

По материалам книги «Все о GPS-навигаторах».
Найман В.С., Самойлов А.Е., Ильин Н.Р., Шейнис А.И.