GPS tehnologija. GPS satelitski navigacijski sistem - princip, dijagram, primjena

Gotovo svaki putnik u naše vrijeme, putujući čak i na najdivlji način, gotovo ne može bez upotrebe modernih naprava. V ovog trenutka na tržištu postoji ogromna količina tehnologije koja čini naš život ne samo zabavnijim i zanimljivijim, već i lakšim.

Kako funkcionira GPS navigacija?

GPS navigatori su nezaobilazna stvar kako na putovanju tako i u svakodnevnom životu. Njegova prednost je u tome što će bez obzira na vašu lokaciju i dostupnost mobilne komunikacije raditi i odrediti vaše koordinate.

GPS (Global Positioning System) je globalni sistem pozicioniranja koji se sastoji od zajedničke, jedinstvene mreže satelita. Dok putujete, GPS navigatori mogu biti različiti, ali najbolja opcija u ovom trenutku je pametni telefon.

Moderni pametni telefoni su opremljeni brzim procesorima, ekranom pogodnim za navigator, te dovoljno RAM-a i interne memorije. Dakle, ako se iznenada izgubite u šumi, to vam neće predstavljati problem. U skladu s tim, koristeći pametni telefon s odgovarajućim softverom, možete planirati bilo koju rutu, saznati gdje se nalazite, izračunati udaljenost do određenog objekta, putanju putovanja, prosječnu brzinu, kao i povremeno primati savjete duž cijele rute.

U uslovima dobre vidljivosti greška određivanja je od 6 do 15 metara. Turist čak i s jeftinim pametnim telefonom (s GPS navigatorom, naravno) neće se izgubiti u stranoj zemlji, naravno, pod uvjetom da je unaprijed preuzeo karte.

Koja je prednost A-GPS-a?

Ponekad se dešava da vremenski uslovi ili teren ne dozvoljavaju određivanje lokacije. To se najčešće dešava u gradovima, gde veliki broj vozila, tuneli, neboderi ometaju dobar signal. Za ove situacije je razvijena GPS (Assisted GPS) tehnologija.

Ubrzava hladni start GPS prijemnika. Odnosno, ubrzava određivanje koordinata putem drugih dostupnih komunikacijskih kanala. U ovom slučaju, ovo je internet vašeg operatera. Signal o vašoj lokaciji više ne prolazi direktno sa satelita, već preko baznih stanica koje vam omogućavaju da prenosite GPS signale.

Prednost A GPS-a je što praktički nema ograničenja za mobilnu komunikaciju i radi mnogo brže čak i sa slabim signalom. Za primanje podataka putem GPS-a, uređaju je potreban pristup Internetu. Ovo je donekle obavezujuće. Plaćanje pristupa Internetu zavisi od usluga koje pruža vaš provajder. Ali promet je u ovoj situaciji vrlo mali, prenosi samo numeričku vrijednost.

Zaključak

GPS podrška u vašem pametnom telefonu 100% neće biti suvišna. Ova tehnologija će vam pomoći da pronađete put tamo gdje tradicionalna navigacija neće raditi. Stoga je pri odabiru pametnog telefona bolje uzeti u obzir svoj životni stil i zanimanje. Šta ako se nađete na pustom ostrvu?

Kao što je često slučaj sa visokotehnološkim projektima, vojska je inicirala razvoj i implementaciju GPS (Global Positioning System) sistema. Projekat satelitske mreže za određivanje koordinata u realnom vremenu bilo gdje u svijetu nazvan je Navstar (Navigacijski sistem sa mjerenjem vremena i dometa), dok se skraćenica GPS pojavila kasnije, kada je sistem počeo da se koristi ne samo u odbrani, već i za civilne svrhe.

Prvi koraci za postavljanje navigacijske mreže poduzeti su sredinom sedamdesetih, dok je komercijalni rad sistema u sadašnjem obliku počeo 1995. godine. Trenutno je u funkciji 28 satelita, ravnomjerno raspoređenih po orbitama na visini od 20350 km (24 satelita su dovoljna za potpuno funkcionalan rad).

Idući malo ispred sebe, reći ću da je zaista ključni trenutak u istoriji GPS-a bila odluka predsjednika Sjedinjenih Država da ukine takozvanu selektivnu dostupnost (SA – selektivna dostupnost) od 1. maja 2000. – greška umjetno unesena u satelitske signale zbog nepreciznog rada civilnih GPS prijemnika. ... Od tog trenutka, amaterski terminal može odrediti koordinate sa tačnošću od nekoliko metara (ranije je greška bila desetine metara)! Slika 1 prikazuje greške u navigaciji prije i nakon onemogućavanja načina selektivnog pristupa (podaci).

Pokušajmo općenito razumjeti kako funkcionira globalni sistem pozicioniranja, a zatim ćemo se dotaknuti niza korisničkih aspekata. Započnimo naše razmatranje principom određivanja dometa koji je u osnovi rada svemirskog navigacionog sistema.

Algoritam za mjerenje udaljenosti od tačke posmatranja do satelita.

Raspon se zasniva na izračunavanju udaljenosti od vremenskog kašnjenja prostiranja radio signala od satelita do prijemnika. Ako znate vrijeme širenja radio signala, onda je put koji se njime pređe lako izračunati jednostavnim množenjem vremena brzinom svjetlosti.

Svaki GPS satelit kontinuirano generiše radio talase dve frekvencije - L1 = 1575,42MHz i L2 = 1227,60MHz. Snaga predajnika je 50 i 8 vati, respektivno. Navigacijski signal je Pseudo Random Number code (PRN). PRN je dva tipa: prvi, C/A-kod (grubi akvizicijski kod - grubi kod) se koristi u civilnim prijemnicima, drugi P-kod (precizan kod - tačan kod), koristi se u vojne svrhe, a također , ponekad, za rješavanje problema geodezije i kartografije. L1 frekvencija je modulirana i C/A i P-kodom, L2 frekvencija postoji samo za prijenos P-koda. Pored opisanih, postoji i Y-kod, koji je šifrovani P-kod (u ratu se sistem šifrovanja može promeniti).

Period ponavljanja koda je prilično dug (na primjer, za P-kod je 267 dana). Svaki GPS prijemnik ima svoj oscilator, koji radi na istoj frekvenciji i modulira signal prema istom zakonu kao i satelitski oscilator. Dakle, iz vremena kašnjenja između istih dijelova koda primljenih sa satelita i generiranih nezavisno, moguće je izračunati vrijeme širenja signala, a samim tim i udaljenost do satelita.

Jedna od glavnih tehničkih poteškoća gore opisane metode je sinhronizacija satova na satelitu i u prijemniku. Čak i mala greška prema konvencionalnim standardima može dovesti do velike greške u određivanju udaljenosti. Svaki satelit ima na sebi atomski sat visoke preciznosti. Jasno je da je nemoguće ugraditi tako nešto u svaki prijemnik. Stoga, da bi se ispravile greške u određivanju koordinata zbog grešaka sata ugrađenog u prijemnik, koristi se određena redundancija u podacima potrebnim za nedvosmisleno vezivanje za teren (o tome nešto kasnije).

Osim samih navigacijskih signala, satelit kontinuirano prenosi razne vrste servisnih informacija. Prijemnik prima, na primjer, efemeride (tačne podatke o orbiti satelita), prognozu kašnjenja širenja radio signala u jonosferi (pošto se brzina svjetlosti mijenja pri prolasku kroz različite slojeve atmosfere), kao i informacije o performansama satelita (tzv. "almanah" koji sadrži ažurirane informacije na svakih 12,5 minuta o stanju i orbitama svih satelita). Ovi podaci se prenose brzinom od 50 bps na L1 ili L2 frekvenciji.

Opći principi određivanja koordinata pomoću GPS-a.

Osnova ideje određivanja koordinata GPS prijemnika je izračunavanje udaljenosti od njega do nekoliko satelita, čija se lokacija smatra poznatom (ovi podaci sadržani su u almanahu primljenom sa satelita). U geodeziji se metoda izračunavanja položaja objekta mjerenjem njegove udaljenosti od tačaka sa datim koordinatama naziva trilateracija. Fig2.

Ako je poznata udaljenost A do jednog satelita, tada se koordinate prijemnika ne mogu odrediti (može se nalaziti u bilo kojoj tački sfere polumjera A, opisanom oko satelita). Neka je poznata udaljenost B prijemnika od drugog satelita. U ovom slučaju određivanje koordinata takođe nije moguće - objekat se nalazi negde u krugu (prikazano je plavom bojom na sl. 2), što je presek dve sfere. Udaljenost C do trećeg satelita smanjuje nesigurnost u koordinatama na dvije tačke (označene sa dvije podebljane plave tačke na slici 2). Ovo je već dovoljno da se koordinate nedvosmisleno odrede - činjenica je da je od dvije moguće točke lokacije prijemnika samo jedna na površini Zemlje (ili u njenoj neposrednoj blizini), a druga, lažna, ispostavilo se da je ili duboko unutar Zemlje ili veoma visoko iznad njene površine. Dakle, teoretski, za trodimenzionalnu navigaciju dovoljno je znati udaljenosti od prijemnika do tri satelita.

Međutim, u životu nije sve tako jednostavno. Gornje rezonovanje je dato za slučaj kada su udaljenosti od tačke posmatranja do satelita poznate sa apsolutnom tačnošću. Naravno, koliko god inžinjeri bili sofisticirani, uvijek dođe do neke greške (barem zbog neprecizne sinhronizacije satova prijemnika i satelita naznačene u prethodnom dijelu, ovisnosti brzine svjetlosti od stanja atmosfere itd. .). Stoga, da bi se odredile trodimenzionalne koordinate prijemnika, nisu uključena tri, već najmanje četiri satelita.

Nakon što je primio signal od četiri (ili više) satelita, prijemnik traži točku presjeka odgovarajućih sfera. Ako takva tačka ne postoji, procesor prijemnika počinje da podešava svoj sat metodom uzastopnih aproksimacija sve dok ne dođe do preseka svih sfera u jednoj tački.

Treba napomenuti da je tačnost određivanja koordinata povezana ne samo s preciznim proračunom udaljenosti od prijemnika do satelita, već i sa veličinom greške u određivanju lokacije samih satelita. Za kontrolu orbita i koordinata satelita, postoje četiri zemaljske stanice za praćenje, komunikacioni sistemi i komandni centar, koji kontroliše Ministarstvo odbrane SAD. Stanice za praćenje konstantno prate sve satelite u sistemu i prenose podatke o njihovim orbitama u kontrolni centar, gdje se izračunavaju ažurirani elementi putanje i korekcije satelitskog sata. Ovi parametri se unose u almanah i prenose na satelite, a oni zauzvrat šalju ove informacije svim radnim prijemnicima.

Pored navedenog, postoji mnogo posebnih sistema koji povećavaju točnost navigacije - na primjer, posebne sheme obrade signala smanjuju greške od smetnji (interakcija direktnog satelitskog signala sa reflektovanim, na primjer, iz zgrada). Nećemo ulaziti u specifičnosti funkcioniranja ovih uređaja, kako ne bismo nepotrebno komplicirali tekst.

Nakon ukidanja gore opisanog načina selektivnog pristupa, civilni prijemnici se "vezuju za teren" sa greškom od 3-5 metara (visina se određuje sa tačnošću od oko 10 metara). Gore navedene brojke odgovaraju istovremenom prijemu signala sa 6-8 satelita (većina modernih uređaja ima 12-kanalni prijemnik, koji omogućava istovremenu obradu informacija sa 12 satelita).

Takozvani režim diferencijalne korekcije (DGPS - Differential GPS) omogućava kvalitativno smanjenje greške (do nekoliko centimetara) u mjerenju koordinata. Diferencijalni način rada se sastoji u korištenju dva prijemnika - jedan je stacionaran u tački sa poznatim koordinatama i naziva se "baza", a drugi je, kao i prije, mobilan. Podaci koje prima bazni prijemnik koriste se za ispravljanje informacija koje prikuplja mobilno vozilo. Ispravka se može izvršiti iu realnom vremenu i tokom "offline" obrade podataka, na primjer, na računaru.

Obično se kao baza koristi profesionalni prijemnik u vlasništvu navigacijske ili geodetske kompanije. Na primjer, u februaru 1998. godine, u blizini Sankt Peterburga, kompanija NavGeoCom instalirala je prvu diferencijalnu GPS zemaljsku stanicu u Rusiji. Snaga predajnika stanice je 100 vati (frekvencija 298,5 kHz), što omogućava korištenje DGPS-a na udaljenosti od stanice na udaljenosti do 300 km morem i do 150 km kopnom. Pored zemaljskih prijemnika, OmniStar-ov satelitski diferencijalni sistem može se koristiti za diferencijalnu korekciju GPS podataka. Podaci o korekciji se prenose sa nekoliko geostacionarnih satelita kompanije.

Treba napomenuti da su glavni korisnici diferencijalne korekcije geodetske i topografske usluge - za privatnog korisnika DGPS nije od interesa zbog svoje visoke cijene (OmniStar paket usluga u Europi košta više od 1.500 USD godišnje) i glomaznosti opreme. I malo je vjerojatno da u svakodnevnom životu postoje situacije kada trebate znati svoje apsolutne geografske koordinate s greškom od 10-30 cm.

U zaključku dijela o "teorijskim" aspektima funkcionisanja GPS-a, reći ću da je Rusija, u slučaju svemirske navigacije, krenula svojim putem i razvija svoj GLONASS sistem (GLOBALNI NAVIGACIJSKI SATELITSKI SISTEM). Ali zbog nedostatka odgovarajućih investicija, trenutno je u orbiti samo sedam satelita od dvadeset četiri neophodna za normalno funkcionisanje sistema...

Kratke subjektivne napomene korisnika GPS-a.

Desilo se da sam u devedeset sedmoj godini iz časopisa naučio o mogućnosti određivanja svoje lokacije pomoću nosivog uređaja veličine mobilnog telefona. Međutim, divne perspektive koje su nacrtali autori članka nemilosrdno su razbijene cijenom navigacijskog aparata navedenom u tekstu - gotovo 400 dolara!

Godinu i po kasnije (u avgustu 1998.) sudbina me dovela u malu sportsku radnju u američkom gradu Bostonu. Kakvo je bilo moje iznenađenje i radost kada sam na jednom od prozora slučajno primijetio nekoliko različitih navigatora, od kojih je najskuplji koštao 250 dolara (nepretenciozni modeli su se nudili za 99 dolara). Naravno, više nisam mogao izaći iz trgovine bez uređaja, pa sam počeo mučiti prodavce o karakteristikama, prednostima i nedostacima svakog modela. Od njih nisam čuo ništa razumljivo (i to nikako jer ne znam dobro engleski), pa sam morao sam da shvatim. I kao rezultat toga, kao što je često slučaj, kupljen je najnapredniji i najskuplji model - Garmin GPS II +, kao i posebna futrola za njega i kabel za napajanje iz utičnice za upaljač za cigarete u automobilu. Prodavnica je imala još dva dodatka za moj sada moj uređaj - uređaj za pričvršćivanje navigatora na upravljač bicikla i kabl za povezivanje sa računarom. Potonje sam dugo igrao u svojim rukama, ali sam na kraju odlučio da ga ne kupim zbog poprilično visoke cijene (nešto više od 30 dolara). Kako se kasnije ispostavilo, nisam kupio kabl sasvim korektno, jer se sva interakcija uređaja sa kompjuterom svodi na "krem" u kompjuteru pređene rute (i takođe, mislim, koordinate u realnom vremenu , ali postoje određene sumnje u vezi s tim), pa čak i tada podliježu kupovini softvera od Garmina. Nažalost, ne postoji mogućnost učitavanja mapa u uređaj.

Neću davati detaljan opis svog uređaja, makar samo zato što je već ukinut (oni koji žele da se upoznaju sa detaljnim tehničkim karakteristikama mogu to da urade). Samo ću napomenuti da je težina navigatora 255 grama, dimenzije su 59x127x41 mm. Zbog svog trouglastog poprečnog presjeka, uređaj je izuzetno stabilan na stolu ili instrument tabli automobila (čičak je uključen u paket radi sigurnijeg prianjanja). Napajanje se vrši iz četiri AA AA baterije (traje samo 24 sata kontinuirani rad) ili eksterni izvor. Pokušat ću vam reći o glavnim mogućnostima mog uređaja, koji, mislim, ima ogromna većina navigatora na tržištu.

Na prvi pogled GPS II + može se zamijeniti za mobilni telefon koji je izašao prije nekoliko godina. Čim bolje pogledate, primetićete neobično debelu antenu, ogroman ekran (56x38 mm!) i mali broj tastera po standardima telefona.

Kada se uređaj uključi, počinje proces prikupljanja informacija sa satelita, a na ekranu se pojavljuje jednostavna animacija (rotirajući globus). Nakon početne inicijalizacije (koja traje nekoliko minuta na otvorenom mjestu), na displeju se pojavljuje primitivna mapa neba sa brojevima vidljivih satelita, a pored nje je histogram koji pokazuje nivo signala sa svakog satelita. Osim toga, naznačena je navigacijska greška (u metrima) - što više satelita uređaj vidi, to će određivanje koordinata biti preciznije.

GPS II+ sučelje je izgrađeno na principu "okretanja" stranica (za to postoji čak i posebno dugme PAGE). Gore je opisana "satelitska stranica", a osim nje tu su i "navigacijska stranica", "mapa", "povratna stranica", "stranica menija" i niz drugih. Treba napomenuti da opisani uređaj nije rusificiran, međutim, čak i uz slabo poznavanje engleskog jezika, možete razumjeti njegov rad.

Stranica za navigaciju prikazuje: apsolutne geografske koordinate, pređenu udaljenost, trenutnu i prosječnu brzinu, nadmorsku visinu, vrijeme kretanja i, na vrhu ekrana, elektronski kompas. Moram reći da se visina određuje s mnogo većom greškom od dvije horizontalne koordinate (za to postoji čak i posebna napomena u korisničkom priručniku), što ne dozvoljava korištenje GPS-a, na primjer, za određivanje visine paraglajderima . Ali trenutna brzina se izračunava izuzetno precizno (posebno za objekte koji se brzo kreću), što omogućava korištenje uređaja za određivanje brzine motornih sanki (čiji brzinomjeri imaju tendenciju da značajno lažu). Mogu dati "loš savjet" - nakon iznajmljivanja auta isključite mu brzinomjer (da broji manje kilometara - uostalom, plaćanje je često proporcionalno pređenoj kilometraži), i odredite brzinu i udaljenost prijeđenu GPS-om (pošto je može se mjeriti i u miljama i u kilometrima).

Prosječna brzina kretanja se određuje prema pomalo čudnom algoritmu - vrijeme mirovanja (kada je trenutna brzina nula) se ne uzima u obzir u proračunima (bilo bi logičnije, po mom mišljenju, podijeliti pređenu udaljenost sa ukupno vrijeme putovanja, ali su se kreatori GPS-a II+ vodili nekim drugim razmatranjima).

Prijeđeni put se prikazuje na "mapi" (uređaj ima dovoljno memorije za 800 kilometara - ako je kilometraža veća, najstarije oznake se automatski brišu), pa ako želite možete vidjeti dijagram svojih šetnji. Razmjera karte varira od desetina metara do stotina kilometara, što je nesumnjivo izuzetno zgodno. Najčudnije je da se u memoriji uređaja nalaze koordinate glavnih naselja cijelog svijeta! Sjedinjene Države su, naravno, predstavljene detaljnije (na primjer, sva područja Bostona su prisutna na mapi s imenima) od Rusije (ovdje je naznačena lokacija samo gradova kao što su Moskva, Tver, Podolsk itd.) . Zamislite, na primjer, da idete iz Moskve u Brest. Pronađite u memoriji navigatora "Brest", pritisnite posebno dugme "GO TO", a lokalni smjer vašeg kretanja pojavljuje se na ekranu; globalni pravac ka Brestu; broj kilometara (naravno, naravno) preostalih do odredišta; prosječna brzina i predviđeno vrijeme dolaska. I tako bilo gdje u svijetu - čak i u Češkoj, čak iu Australiji, čak i na Tajlandu...

Jednako korisna je i takozvana funkcija povratka. Memorija uređaja vam omogućava da snimite do 500 ključnih tačaka (putnih tačaka). Korisnik može imenovati svaku tačku po vlastitom nahođenju (na primjer, DOM, DACHA, itd.); postoje i razne ikone za prikaz informacija na displeju. Uključivanjem funkcije povratka na tačku (bilo koja od prethodno snimljenih) vlasnik navigatora dobija iste mogućnosti kao u gore opisanom slučaju sa Brestom (tj. udaljenost do točke, procijenjeno vrijeme dolaska i sve ostalo). Na primjer, imao sam takav slučaj. Stigavši ​​automobilom u Prag i smjestivši se u hotel, prijatelj i ja smo otišli u centar grada. Ostavivši auto na parkingu, krenuli smo u šetnju. Nakon besciljne trosatne šetnje i večere u restoranu, shvatili smo da se apsolutno ne sećamo gde smo ostavili auto. Napolju je noć, nalazimo se u jednoj od malih ulica nepoznatog grada... Srećom, pre nego što sam napustio auto, zapisao sam njegovu lokaciju u navigatoru. Sada, pritiskom na par dugmadi na uređaju, saznao sam da auto stoji 500 metara od nas i nakon 15 minuta smo već slušali tihu muziku i krenuli autom prema hotelu.

Pored pravolinijskog kretanja do snimljene oznake, što nije uvijek zgodno u gradskim uvjetima, Garmin nudi funkciju TrackBack - povratak na put. Grubo govoreći, kriva kretanja je aproksimirana većim brojem ravnih sekcija, a oznake su postavljene na tačkama prekida. Na svakoj pravolinijskoj dionici navigator vodi korisnika do najbliže oznake, a po dolasku do nje automatski prelazi na sljedeću oznaku. Izuzetno zgodna funkcija kada vozite automobil po nepoznatom terenu (naravno, signal sa satelita ne prolazi kroz zgrade, stoga, da biste dobili podatke o vašim koordinatama u gusto izgrađenom okruženju, morate tražiti manje ili više otvoreno mesto).

Neću dalje ulaziti u opis mogućnosti uređaja - vjerujte mi, osim opisanih, ima i puno ugodnih i potrebnih gadžeta. Jedna promena orijentacije ekrana se isplati - uređaj možete koristiti iu horizontalnom (automobilski) i vertikalnom (pešački) položaju (vidi sliku 3).

Jednom od glavnih prednosti GPS-a za korisnika smatram odsustvo bilo kakvog plaćanja za korištenje sistema. Kupio sam uređaj jednom - i uživajte!

Zaključak.

Mislim da nema potrebe nabrajati područja primjene razmatranog globalnog sistema pozicioniranja. GPS prijemnici su ugrađeni u automobile, mobilne telefone, pa čak i ručne satove! Nedavno sam naišao na poruku o razvoju čipa koji kombinuje minijaturni GPS prijemnik i GSM modul - predlaže se opremanje ogrlica za pse uređajima zasnovanim na njemu, tako da vlasnik može lako pronaći izgubljenog psa putem mobilne mreže. mreže.

Ali u svakom buretu meda postoji muha. U ovom slučaju, ruski zakoni djeluju kao potonji. Neću detaljno raspravljati o pravnim aspektima korištenja GPS navigatora u Rusiji (može se pronaći nešto o tome), samo ću napomenuti da su teoretski visoko precizni navigacijski uređaji (što su, bez sumnje, čak i amaterski GPS prijemnici) zabranjeni u našu zemlju, a njihove vlasnike čeka oduzimanje uređaja i poprilična novčana kazna.

Na sreću korisnika, u Rusiji se strogost zakona nadoknađuje neobaveznošću njihovog provođenja - na primjer, po Moskvi se vozi ogroman broj limuzina s peračem-antenom GPS prijemnika na poklopcu prtljažnika. Sva manje-više ozbiljna pomorska plovila opremljena su GPS-om (a već je odrasla cijela generacija jedriličara koji imaju poteškoća u navigaciji u svemiru pomoću kompasa i drugih tradicionalnih sredstava za navigaciju). Nadam se da nadležni neće ubaciti palicu u točkove tehničkog napretka i da će uskoro legalizovati upotrebu GPS prijemnika u našoj zemlji (ukinuli su dozvole za mobilne telefone), a takođe će dati zeleno svetlo za deklasifikaciju i replikaciju detaljnih mapa područja neophodnih za potpunu upotrebu auto-navigacijskih sistema.

Satelitska navigacija GPS je odavno standard za kreiranje sistema za pozicioniranje i aktivno se koristi u raznim trackerima i navigatorima. U Arduino projektima, GPS je integriran korištenjem različitih modula koji ne zahtijevaju poznavanje teoretskih osnova. Ali pravi inženjer bi trebao biti zainteresiran za razumijevanje principa i sheme rada GPS-a kako bi bolje razumio mogućnosti i ograničenja ove tehnologije.

GPS radna shema

GPS je satelitski navigacijski sistem koji je razvio Ministarstvo odbrane SAD-a koji daje precizne koordinate i vrijeme. Radi bilo gdje u svijetu u svim vremenskim uslovima. GPS se sastoji od tri dijela - satelita, stanica na Zemlji i prijemnika signala.

Ideja o stvaranju satelitskog navigacionog sistema nastala je 50-ih godina prošlog stoljeća. Američki tim naučnika koji je posmatrao lansiranje sovjetskih satelita primetio je da kako se satelit približava, frekvencija signala raste i opada sa njegovom udaljenošću. To je omogućilo da se shvati da je moguće izmjeriti položaj i brzinu satelita, znajući njegove koordinate na Zemlji, i obrnuto. Lansiranje satelita u nisku orbitu Zemlje odigralo je veliku ulogu u razvoju navigacionog sistema. A 1973. godine kreiran je program DNSS (NavStar), u okviru kojeg su sateliti lansirani u srednju zemljinu orbitu. Program je iste 1973. dobio ime GPS.

GPS sistem se trenutno koristi ne samo u vojnoj oblasti, već iu civilne svrhe. Postoji mnogo sfera primjene GPS-a:

• Mobilna veza;
• Tektonika ploča - praćenje vibracija ploča;
• Određivanje seizmičke aktivnosti;
• Satelitsko praćenje transporta - možete pratiti poziciju, brzinu transporta i kontrolirati njihovo kretanje;
• Geodezija - određivanje tačnih granica zemljišnih parcela;
• kartografija;
• Navigacija;
• Igre, geografsko označavanje i druga područja zabave.

Najvažnijim nedostatkom sistema može se smatrati nemogućnost prijema signala pod određenim uslovima. Radne frekvencije GPS-a su u decimetarskom opsegu talasnih dužina. To dovodi do činjenice da se nivo signala može smanjiti zbog visokih oblaka, gustog lišća drveća. Radio izvori, ometači, a u rijetkim slučajevima čak i magnetne oluje također mogu ometati normalan prijenos signala. Preciznost određivanja podataka će se pogoršati u cirkumpolarnim područjima, budući da sateliti nisu visoko iznad Zemlje.

Navigacija bez GPS-a

Glavni konkurent GPS-u je ruski GLONASS sistem (Global Navigation Satellite System). Sistem je započeo svoj punopravni rad 2010. godine, a pokušaji da se aktivno koristi od 1995. godine. Postoji nekoliko razlika između ova dva sistema:

• Različita kodiranja - Amerikanci koriste CDMA, ruski sistem koristi FDMA;
• Različite veličine uređaja - GLONASS koristi složeniji model, stoga se povećava potrošnja energije i veličina uređaja;
• Postavljanje i kretanje satelita u orbiti - ruski sistem omogućava širu pokrivenost teritorije i tačnije određivanje koordinata i vremena.
• Satelitski život - američki sateliti postaju sve kvalitetniji pa traju duže.

Osim GLONASS-a i GPS-a, postoje i drugi manje popularni navigacijski sistemi - evropski Galileo i kineski Beidou.

Opis GPS-a

Kako GPS radi

GPS sistem radi na sljedeći način - prijemnik signala mjeri kašnjenje širenja signala od satelita do prijemnika. Od primljenog signala prijemnik dobija podatke o lokaciji satelita. Kašnjenje signala se množi sa brzinom svjetlosti kako bi se odredila udaljenost od satelita do prijemnika.

Sa stanovišta geometrije, rad navigacionog sistema se može ilustrovati na sledeći način: nekoliko sfera, u sredini kojih se nalaze sateliti, seku se i korisnik je u njima. Poluprečnik svake od sfera je shodno tome jednak udaljenosti do ovog vidljivog satelita. Signali sa tri satelita daju informacije o geografskoj širini i dužini, četvrti satelit daje informaciju o visini objekta iznad površine. Dobijene vrijednosti mogu se sumirati u sistem jednadžbi, iz kojih možete pronaći korisničke koordinate. Dakle, da bi se dobila tačna pozicija, potrebno je izvršiti 4 mjerenja udaljenosti do satelita (ako izuzmemo nevjerojatne rezultate, dovoljna su tri mjerenja).

Dobijene jednačine se koriguju neskladom između izračunate i stvarne pozicije satelita. Greška koja nastaje kao rezultat toga naziva se efemerida i kreće se od 1 do 5 metara. Interferencija, atmosferski pritisak, vlažnost, temperatura, jonosferski i atmosferski uticaji takođe doprinose. Ukupno, ukupnost svih grešaka može dovesti do greške do 100 metara. Neke greške se mogu riješiti matematički.

Za smanjenje svih grešaka koristi se GPS diferencijalni način rada. U njemu prijemnik prima preko radio kanala sve potrebne korekcije koordinata sa bazne stanice. Konačna tačnost mjerenja doseže 1-5 metara. U diferencijalnom načinu rada postoje 2 metode za ispravljanje primljenih podataka - ovo je korekcija samih koordinata i korekcija navigacijskih parametara. Prva metoda je nezgodna za korištenje, jer svi korisnici moraju raditi na istim satelitima. U drugom slučaju, složenost same opreme za pozicioniranje značajno se povećava.

Postoji nova klasa sistema koja povećava tačnost merenja na 1 cm.Ugao između pravaca ka satelitima ima ogroman uticaj na tačnost. Pod velikim uglom, lokacija će se preciznije odrediti.

Ministarstvo odbrane SAD može veštački da smanji preciznost merenja. Za to je na navigacijskim uređajima postavljen poseban S / A način rada - ograničen pristup. Režim je dizajniran za vojne svrhe, kako ne bi dao neprijatelju prednost u određivanju tačnih koordinata. Od maja 2000. godine režim ograničenog pristupa je ukinut.

Svi izvori grešaka mogu se podijeliti u nekoliko grupa:

• Greška u proračunu orbite;
• Greške prijemnika;
• Greške povezane s višestrukim refleksijama signala od prepreka;
• Kašnjenja jonosfere, troposferskog signala;
• Geometrija lokacije satelita.

Glavne karakteristike

GPS sistem uključuje 24 umjetna satelita Zemlje, mrežu stanica za praćenje zemlje i navigacijskih prijemnika. Posmatračke stanice su potrebne za određivanje i praćenje orbitalnih parametara, izračunavanje balističkih karakteristika, prilagođavanje odstupanja od putanja kretanja i opremu za praćenje na letjelici.

Karakteristike GPS navigacionih sistema:

• Broj satelita - 26, 21 glavnih, 5 rezervnih;
• Broj orbitalnih aviona - 6;
• Orbitalna visina - 20.000 km;
• Vijek trajanja satelita je 7,5 godina;
• Radne frekvencije - L1 = 1575,42 MHz; L2 = 12275,6 MHz, snaga 50 W i 8 W, respektivno;
• Pouzdanost navigacionog određivanja - 95%.

Postoji nekoliko vrsta navigacijskih prijemnika - prijenosni, stacionarni i zrakoplovni. Prijemnike također karakterizira niz parametara:

• Broj kanala - savremeni prijemnici koriste 12 do 20 kanala;
• Antenna type;
• Dostupnost kartografske podrške;
• Display type;
• Dodatne funkcije;
• Različite tehničke karakteristike - materijali, čvrstoća, zaštita od vlage, osjetljivost, kapacitet memorije i dr.

Princip rada samog navigatora - prije svega, uređaj pokušava komunicirati sa navigacijskim satelitom. Čim se veza uspostavi, prenosi se almanah, odnosno informacija o orbitama satelita koji se nalaze unutar istog navigacionog sistema. Sama komunikacija sa satelitom nije dovoljna za dobijanje tačne pozicije, pa preostali sateliti prenose svoje efemeride navigatoru, što je neophodno za određivanje odstupanja, koeficijenata perturbacije i drugih parametara.

Hladan, topli i vrući start GPS navigatora

Nakon prvog uključivanja navigatora ili nakon duže pauze, počinje dugo čekanje na prijem podataka. Dugo vrijeme čekanja je zbog činjenice da almanah i efemeride nedostaju ili su zastarjeli u memoriji navigatora, pa uređaj mora izvršiti niz radnji da primi ili ažurira podatke. Vrijeme čekanja ili takozvano hladno startno vrijeme ovisi o različitim pokazateljima - kvaliteti prijemnika, stanju atmosfere, buci, broju satelita na vidiku.

Za početak, navigator mora:

• Pronađite satelit i uspostavite komunikaciju s njim;
• Primite almanah i sačuvajte ga u sjećanju;
• Primite efemeride sa satelita i sačuvajte ih;
• Pronađite još tri satelita i uspostavite kontakt s njima, primite efemeride od njih;
• Izračunajte koordinate koristeći efemeride i položaje satelita.

Tek nakon prolaska kroz cijeli ovaj ciklus, uređaj će početi raditi. Ovo lansiranje se zove hladan start.

Vrući start se značajno razlikuje od hladnog starta. Memorija navigatora već sadrži trenutni almanah i efemeride. Podaci iz almanaha vrijede 30 dana, podaci efemerida - 30 minuta. Iz ovoga proizilazi da je uređaj na kratko bio isključen. S vrućim startom, algoritam će biti jednostavniji - uređaj uspostavlja vezu sa satelitom, ažurira efemeride ako je potrebno i izračunava lokaciju.

Postoji topli početak - u tom slučaju je almanah ažuriran i efemeride treba ažurirati. Ovo traje malo više vremena od vrućeg starta, ali mnogo manje od hladnog.

Ograničenja u kupovini i korištenju GPS modula domaće izrade

Rusko zakonodavstvo zahtijeva od proizvođača da smanje tačnost detekcije prijemnika. Rad sa grubom preciznošću može se izvoditi samo ako korisnik ima specijaliziranu licencu.

Pod zabranom u Ruskoj Federaciji postoje posebna tehnička sredstva namijenjena tajnom pribavljanju informacija (STS NPI). To uključuje GPS tragače, koji se koriste za tajnu kontrolu kretanja vozila i drugih objekata. Glavna karakteristika nelegalnog tehničkog uređaja je njegova tajnost. Stoga, prije kupovine uređaja, morate pažljivo proučiti njegove karakteristike, izgled, prisustvo skrivenih funkcija, a također pogledati potrebne certifikate o usklađenosti.

Također je važno u kojem obliku se uređaj prodaje. Rastavljeni uređaj možda ne pripada STS NPI. Ali kada je sastavljen, gotov uređaj može već biti klasifikovan kao zabranjen.

Jedan od dva najveća globalna sistema pozicioniranja putem satelita - GPS - može se koristiti u standardnom formatu ili kao A-GPS usluga. Koje su glavne karakteristike ovih tehnologija?

GPS činjenice

GPS sistem je dizajniran da odredi geografske koordinate objekta na kojem se nalazi prijemnik, navigator ili drugi uređaj koji može primati GPS signale sa satelita. Ovaj sistem pretpostavlja korištenje standarda WGS 84, koji u trodimenzionalnim mjerenjima omogućava određivanje koordinata nekog objekta na površini Zemlje sa tačnošću od 2 cm. Osim toga, navigacija pomoću GPS tehnologije omogućava i mjerenje brzine kretanja prijemnika ili sličnog uređaja na površini Zemlje.

A-GPS činjenice

A-GPS tehnologija dopunjuje GPS standard u nekoliko aspekata odjednom. Prije svega, u smislu ubrzanja rada prijemnika koji se koriste u navigaciji. Činjenica je da određivanje koordinata samo preko satelita podrazumijeva značajno opterećenje hardverskih resursa ovog uređaja. Ali ako prijemniku date priliku da koristi pomoćne izvore za određivanje svoje lokacije (one koji se koriste u A-GPS infrastrukturi), tada će raditi mnogo brže.

GPS navigator koji podržava A-GPS tehnologiju učitava se mnogo brže od uređaja koji nisu kompatibilni s odgovarajućim standardom. Osim toga, A-GPS može značajno poboljšati stabilnost kontinuiranog praćenja koordinata prijemnika: signal sa satelita nije uvijek stabilan (posebno u urbanim uvjetima), a korištenje pomoćnih kanala za određivanje lokacije navigatora u ovom osjećaj može postati kritični uvjet za prijemnik da obavlja svoje prilagođene funkcije.

Koji se specifični pomoćni kanali za određivanje koordinata navigatora koriste kada se koristi A-GPS tehnologija? U pravilu je to mobilni internet koji koristi 3G ili 4G tehnologiju. U nekim slučajevima je prikladna i veza putem Wi-Fi mreže.

Ako 3G, 4G ili Wi-Fi kanali nisu dostupni, tada se određivanje koordinata može izvršiti preko baznih stanica mobilnih operatera. Istina, ova metoda ima relativno nisku tačnost - do 20 metara, često - nekoliko stotina metara.

Poređenje

Glavna razlika između GPS-a i A-GPS-a je u tome što prva tehnologija uključuje određivanje geografskih koordinata navigatora putem satelita, druga - preko alternativnih kanala (3G, 4G, Wi-Fi, bazne stanice operatera).

Prijemnik koji podržava A-GPS standard obično se pokreće mnogo brže od uređaja koji podržava samo "klasične" GPS kanale. To je moguće zahvaljujući brzom primanju koordinata, au nekim slučajevima - i ažuriranju karata putem interneta ili mobilnih kanala.

Osim toga, A-GPS kompatibilan navigator može obavljati svoje funkcije u slučajevima kada je signal sa satelita vrlo slab ili ga uopće nema. Naravno, samo ako alternativni kanali za dobijanje koordinata uređaja rade.

Nakon što smo utvrdili koja je razlika između GPS-a i A-GPS-a, popravimo zaključke u tabeli.

Sve češće pametne telefone njihovi vlasnici koriste kao navigatore, jer je vrlo zgodno uvijek imati pri ruci kompaktan uređaj koji im omogućava da odrede svoju lokaciju ili izgrade rutu do željenog objekta.

Komunicira sa satelitima u orbiti, prima signal od njih i pokazuje svoje koordinate na karti. Ponekad, zbog različitih okolnosti, pronalaženje dostupnih satelita može biti teško i dugo traje. Ovo se dešava u zgradama, tunelima i u blizini izvora elektromagnetnog zračenja. Čak i na otvorenom, u gusto izgrađenim gradovima, može doći do prekida satelitskog signala.

Da bi se popravila ova situacija, koristi se A-GPS funkcija, koja se nalazi u većini modernih pametnih telefona.

A-GPS tehnologija

A-GPS je tehnologija koja GPS modulu daje dodatne informacije o najpristupačnijim satelitima i jačini njihovog signala. Kada je navigacija uključena, pametni telefon gotovo trenutno određuje svoju lokaciju na mapi, a potraga za satelitima je moguća čak iu zatvorenim prostorijama, a podovi nisu prepreka.

Uspješno lansiranje A-GPS-a dogodilo se u Sjedinjenim Državama u jesen 2001. godine kao dio komunikacijskih mreža nacionalne službe spašavanja (911).

Kako funkcioniše A-GPS?

Ova tehnologija koristi alternativne komunikacijske kanale za dobivanje ažuriranih informacija. U slučaju naših pametnih telefona, to je internet koji pruža mobilni operater ili putem Wi-Fi mreže.

A-GPS komunicira sa svojim serverima, prenoseći informacije o lokaciji, koju određuju bazne stanice (tornjevi) operatera. Kao odgovor, ovi serveri primaju svježe poruke o aktivnim satelitima u tom području. Koristeći ih, geolokacijski modul pametnog telefona brzo uspostavlja komunikaciju sa potrebnim satelitima, bez gubljenja vremena na traženje svih za redom. Što je više baznih stanica oko pametnog telefona, ili što je korisnik bliži tornju mobilne telefonije, to je tačnije registrovana lokacija pametnog telefona, što znači da su informacije o dostupnim satelitima tačnije.

Prednosti i mane A-GPS-a

Kao što vidimo, prednosti posjedovanja A-GPS-a su neosporne. Ovo je brzo uspostavljanje komunikacije sa satelitima i ušteda baterije, jer prilikom hladnog starta i traženja signala GPS modul intenzivno troši bateriju. Istovremeno, komunikacija sa serverima troši vrlo malo internet prometa - do 10 kilobajta po sesiji. Važno je da A-GPS ne zahtijeva intervenciju korisnika, a podaci se automatski ažuriraju po potrebi.

Ali ova funkcija ima i nedostatke, iako manje. Neće omogućiti brzu komunikaciju sa satelitima u područjima s nedostatkom mobilnih tornjeva ili njihovim odsustvom. Dakle, daleko od civilizacije, A-GPS je beskoristan.

Uprkos skromnoj potrošnji interneta, redovno često ažuriranje i sinhronizacija A-GPS-a dovešće do povećanja saobraćaja. A kada ste u romingu, posebno međunarodnom, troškovi komunikacije mogu značajno porasti.

Kako da omogućim i onemogućim A-GPS?

Prilikom aktiviranja funkcije "Geopodaci" (GPS-navigacija, geolokacija), pametni telefon nudi odabir metode određivanja. Korisnik može dati prednost očuvanju baterije ili preciznosti geolokacije. Obično su dostupne sljedeće metode (nazivi stavki menija mogu se razlikovati ovisno o verziji Androida i proizvođaču telefona):

• Cijeli izvor (visoka vjernost). Određivanje lokacije vrši se pomoću GPS-a, Wi-Fi i internet saobraćaja mobilnih mreža. A-GPS tehnologija je aktivna.
• Po mrežnim koordinatama (ušteda punjenja baterije). Lokacija se može otkriti putem Wi-Fi i mobilnih mreža. GPS onemogućen, A-GPS aktivan.
• GPS sateliti (samo uređaj). Određivanje položaja isključivo putem satelita bez korištenja dodatnih komunikacijskih kanala. A-GPS tehnologija je onemogućena.

A-GPS tehnologija je neophodna za normalnu navigaciju pametnim telefonom i može se redovno koristiti.