Una tecnologia GPS. Sistema di navigazione satellitare GPS - principio, diagramma, applicazione

Quasi tutti i viaggiatori del nostro tempo, viaggiando anche nel modo più selvaggio, quasi non possono fare a meno dell'uso di gadget moderni. V questo momento c'è un'enorme quantità di tecnologia sul mercato che rende la nostra vita non solo più divertente e interessante, ma anche più facile.

Come funziona la navigazione GPS?

I navigatori GPS sono una cosa indispensabile sia in viaggio che nella vita di tutti i giorni. Il suo vantaggio sta nel fatto che, indipendentemente dalla tua posizione e dalla disponibilità della comunicazione cellulare, funzionerà e determinerà le tue coordinate.

Il GPS (Global Positioning System) è un sistema di posizionamento globale costituito da un'unica rete comune di satelliti. Durante il viaggio, i navigatori GPS possono essere diversi, ma l'opzione migliore al momento è uno smartphone.

Gli smartphone moderni sono dotati di processori veloci, display adatto a un navigatore, RAM e memoria interna sufficienti. Quindi, se ti perdi improvvisamente nella foresta, questo non sarà un problema per te. Di conseguenza, utilizzando uno smartphone con il software giusto, puoi pianificare qualsiasi percorso, scoprire dove ti trovi, calcolare la distanza da un oggetto specifico, il percorso di viaggio, la velocità media, nonché ricevere consigli di volta in volta lungo l'intero percorso.

In condizioni di buona visibilità, l'errore di determinazione è compreso tra 6 e 15 metri. Un turista anche con uno smartphone economico (con navigatore GPS, ovviamente) non si perderà in un paese straniero, ovviamente, a patto di aver scaricato in anticipo le mappe.

Qual è il vantaggio dell'A-GPS?

A volte capita che le condizioni meteorologiche o il terreno non permettano di determinare la posizione. Questo accade più spesso nelle città, dove un gran numero di veicoli, tunnel, grattacieli, ostacolano un buon segnale. È per queste situazioni che è stata sviluppata una tecnologia GPS (GPS assistito).

Accelera l'avvio a freddo del ricevitore GPS. Cioè, accelera la determinazione delle coordinate attraverso altri canali di comunicazione disponibili. In questo caso, questa è l'Internet del tuo operatore. Il segnale sulla tua posizione non passa più direttamente dal satellite, ma attraverso stazioni base che ti permettono di ritrasmettere i segnali GPS.

Il vantaggio di A GPS è che non ci sono praticamente restrizioni per la comunicazione mobile e funziona molto più velocemente anche con un segnale debole. Per ricevere i dati tramite GPS, il dispositivo necessita dell'accesso a Internet. Questo è un po' obbligante. Il pagamento per l'accesso a Internet dipende dai servizi forniti dal provider. Ma il traffico in questa situazione è molto piccolo, trasmette solo un valore numerico.

Conclusione

Un supporto GPS nel tuo smartphone al 100% non sarà superfluo. Questa tecnologia ti aiuterà a trovare la tua strada dove la navigazione tradizionale non funzionerà. Pertanto, quando si sceglie uno smartphone, è meglio considerare il proprio stile di vita e la propria occupazione. E se ti trovassi su un'isola deserta?

Come spesso accade con i progetti high-tech, i militari hanno avviato lo sviluppo e l'implementazione del sistema GPS (Global Positioning System). Il progetto di una rete satellitare per determinare le coordinate in tempo reale in qualsiasi parte del mondo si chiamava Navstar (Sistema di navigazione con cronometraggio e distanza), mentre l'abbreviazione GPS apparve in seguito, quando il sistema iniziò ad essere utilizzato non solo in difesa, ma anche per scopi civili.

I primi passi per implementare la rete di navigazione sono stati compiuti a metà degli anni settanta, mentre l'operazione commerciale del sistema nella sua forma attuale è iniziata nel 1995. Al momento sono in funzione 28 satelliti, distribuiti uniformemente su orbite con un'altitudine di 20350 km (24 satelliti sono sufficienti per un funzionamento completamente funzionante).

Andando un po' più avanti di me, dirò che davvero un momento chiave nella storia del GPS è stata la decisione del Presidente degli Stati Uniti di abolire la cosiddetta disponibilità selettiva (SA - disponibilità selettiva) dal 1 maggio 2000 - un errore introdotto artificialmente nei segnali satellitari per il funzionamento impreciso dei ricevitori GPS civili. ... Da quel momento in poi, un terminale amatoriale può determinare le coordinate con una precisione di diversi metri (in precedenza, l'errore era di decine di metri)! La figura 1 mostra gli errori di navigazione prima e dopo la disabilitazione della modalità di accesso selettivo (dati).

Proviamo a capire in termini generali come funziona il sistema di posizionamento globale, quindi toccheremo alcuni aspetti dell'utenza. Iniziamo la nostra considerazione con il principio della determinazione della portata, che è alla base del funzionamento del sistema di navigazione spaziale.

Algoritmo per misurare la distanza dal punto di osservazione al satellite.

L'intervallo si basa sul calcolo della distanza dal ritardo temporale della propagazione del segnale radio dal satellite al ricevitore. Se conosci il tempo di propagazione di un segnale radio, il percorso percorso da esso è facile da calcolare semplicemente moltiplicando il tempo per la velocità della luce.

Ciascun satellite GPS genera continuamente onde radio di due frequenze: L1 = 1575,42 MHz e L2 = 1227,60 MHz. La potenza del trasmettitore è rispettivamente di 50 e 8 watt. Il segnale di navigazione è un codice Pseudo Random Number (PRN). Il PRN è di due tipi: il primo, il codice C / A (codice di acquisizione grossolana - codice approssimativo) viene utilizzato nei ricevitori civili, il secondo codice P (codice di precisione - codice esatto) viene utilizzato per scopi militari e inoltre, a volte, per risolvere problemi di geodesia e cartografia. La frequenza L1 è modulata sia dal C/A che dal P-code, la frequenza L2 esiste solo per la trasmissione del P-code. Oltre a quelli descritti, esiste anche un codice Y, che è un codice P crittografato (in tempo di guerra, il sistema di crittografia può cambiare).

Il periodo di ripetizione del codice è piuttosto lungo (ad esempio, per un codice P è di 267 giorni). Ogni ricevitore GPS ha il proprio oscillatore, che opera sulla stessa frequenza e modula il segnale secondo la stessa legge dell'oscillatore satellitare. Pertanto, dal tempo di ritardo tra le stesse sezioni del codice ricevuto dal satellite e generato indipendentemente, è possibile calcolare il tempo di propagazione del segnale e, di conseguenza, la distanza dal satellite.

Una delle principali difficoltà tecniche del metodo sopra descritto è la sincronizzazione degli orologi sul satellite e nel ricevitore. Anche un minuscolo errore secondo gli standard convenzionali può portare a un enorme errore nel determinare la distanza. Ogni satellite porta a bordo un orologio atomico ad alta precisione. È chiaro che è impossibile installare una cosa del genere in ogni ricevitore. Pertanto, per correggere errori nella determinazione delle coordinate dovuti a errori dell'orologio integrato nel ricevitore, viene utilizzata una certa ridondanza nei dati necessari per un legame univoco al terreno (ne parleremo più avanti).

Oltre ai segnali di navigazione stessi, il satellite trasmette continuamente vari tipi di informazioni di servizio. Il ricevitore riceve, ad esempio, effemeridi (dati precisi sull'orbita del satellite), la previsione del ritardo di propagazione del segnale radio nella ionosfera (poiché la velocità della luce cambia quando attraversa diversi strati dell'atmosfera), nonché informazioni sulle prestazioni del satellite (il cosiddetto "almanacco" contenente aggiornamenti ogni 12,5 minuti circa le informazioni sullo stato e le orbite di tutti i satelliti). Questi dati vengono trasmessi a 50 bps sulle frequenze L1 o L2.

Principi generali di determinazione delle coordinate mediante GPS.

La base dell'idea di determinare le coordinate di un ricevitore GPS è calcolare la distanza da esso a diversi satelliti, la cui posizione è considerata nota (questi dati sono contenuti nell'almanacco ricevuto dal satellite). In geodesia, il metodo per calcolare la posizione di un oggetto misurando la sua distanza da punti con coordinate date è chiamato trilaterazione. Fig2.

Se è nota la distanza A da un satellite, non è possibile determinare le coordinate del ricevitore (può essere posizionato in qualsiasi punto della sfera con raggio A, descritto attorno al satellite). Si sappia la distanza B del ricevitore dal secondo satellite. In questo caso, anche la determinazione delle coordinate non è possibile: l'oggetto si trova da qualche parte su un cerchio (è mostrato in blu in Fig. 2), che è l'intersezione di due sfere. La distanza C dal terzo satellite riduce l'incertezza nelle coordinate a due punti (indicati da due punti blu in grassetto in Fig. 2). Questo è già sufficiente per determinare in modo univoco le coordinate: il fatto è che dei due possibili punti di localizzazione del ricevitore, solo uno è sulla superficie della Terra (o nelle immediate vicinanze di essa), e il secondo, falso, risulta essere o in profondità all'interno della Terra o molto in alto sopra la sua superficie. Quindi, in teoria, per la navigazione tridimensionale, è sufficiente conoscere le distanze dal ricevitore a tre satelliti.

Tuttavia, nella vita non tutto è così semplice. Il ragionamento di cui sopra è stato fatto per il caso in cui le distanze dal punto di osservazione ai satelliti sono note con assoluta precisione. Naturalmente, non importa quanto siano sofisticati gli ingegneri, si verifica sempre qualche errore (almeno a causa della sincronizzazione imprecisa del ricevitore e degli orologi satellitari indicati nella sezione precedente, della dipendenza della velocità della luce dallo stato dell'atmosfera, ecc. .). Pertanto, per determinare le coordinate tridimensionali del ricevitore, non sono coinvolti tre, ma almeno quattro satelliti.

Dopo aver ricevuto un segnale da quattro (o più) satelliti, il ricevitore cerca il punto di intersezione delle sfere corrispondenti. Se non esiste tale punto, il processore ricevitore inizia a regolare il suo orologio con il metodo delle approssimazioni successive fino a raggiungere l'intersezione di tutte le sfere in un punto.

Va notato che l'accuratezza della determinazione delle coordinate è associata non solo al calcolo preciso della distanza dal ricevitore ai satelliti, ma anche all'entità dell'errore nello specificare la posizione dei satelliti stessi. Per controllare le orbite e le coordinate dei satelliti, ci sono quattro stazioni di localizzazione a terra, sistemi di comunicazione e un centro di comando, controllati dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. Le stazioni di tracciamento monitorano costantemente tutti i satelliti nel sistema e trasmettono i dati sulle loro orbite al centro di controllo, dove vengono calcolati gli elementi di traiettoria aggiornati e le correzioni dell'orologio satellitare. Questi parametri vengono inseriti nell'almanacco e trasmessi ai satelliti che, a loro volta, inviano queste informazioni a tutti i ricevitori funzionanti.

Oltre a quanto sopra, ci sono molti sistemi speciali che aumentano la precisione della navigazione: ad esempio, speciali schemi di elaborazione del segnale riducono gli errori dovuti alle interferenze (interazione di un segnale satellitare diretto con uno riflesso, ad esempio dagli edifici). Non approfondiremo le specifiche del funzionamento di questi dispositivi, per non complicare inutilmente il testo.

Dopo la cancellazione della modalità di accesso selettivo sopra descritta, i ricevitori civili vengono "legati al terreno" con un errore di 3-5 metri (l'altezza è determinata con una precisione di circa 10 metri). Le cifre sopra corrispondono alla ricezione simultanea di un segnale da 6-8 satelliti (la maggior parte dei dispositivi moderni ha un ricevitore a 12 canali, che consente l'elaborazione simultanea di informazioni da 12 satelliti).

La cosiddetta modalità di correzione differenziale (DGPS - Differential GPS) consente di ridurre qualitativamente l'errore (fino a diversi centimetri) nella misurazione delle coordinate. La modalità differenziale consiste nell'utilizzare due ricevitori: uno è fisso in un punto con coordinate note ed è chiamato "base", e il secondo, come prima, è mobile. I dati ricevuti dal ricevitore di base vengono utilizzati per correggere le informazioni raccolte dal veicolo mobile. La correzione può essere eseguita sia in tempo reale che durante l'elaborazione dei dati "offline", ad esempio su un computer.

In genere, come base viene utilizzato un ricevitore professionale di proprietà di una società di navigazione o di rilevamento. Ad esempio, nel febbraio 1998, vicino a San Pietroburgo, la società NavGeoCom ha installato la prima stazione terrestre GPS differenziale in Russia. La potenza del trasmettitore della stazione è di 100 watt (frequenza 298,5 kHz), che consente di utilizzare DGPS a una distanza dalla stazione fino a 300 km via mare e fino a 150 km via terra. Oltre ai ricevitori a terra, il sistema di servizio differenziale satellitare di OmniStar può essere utilizzato per la correzione differenziale dei dati GPS. I dati di correzione vengono trasmessi da diversi satelliti geostazionari dell'azienda.

Va notato che i principali clienti della correzione differenziale sono i servizi geodetici e topografici - per un utente privato, DGPS non è di interesse per il suo costo elevato (il pacchetto di servizi OmniStar in Europa costa più di $ 1.500 all'anno) e l'ingombro dell'attrezzatura. Ed è improbabile che nella vita di tutti i giorni ci siano situazioni in cui devi conoscere le tue coordinate geografiche assolute con un errore di 10-30 cm.

A conclusione della parte relativa agli aspetti "teorici" del funzionamento del GPS, dirò che la Russia, nel caso della navigazione spaziale, ha fatto la sua strada e sta sviluppando un proprio sistema GLONASS (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM). Ma a causa della mancanza di investimenti adeguati, attualmente ci sono solo sette satelliti in orbita sui ventiquattro necessari per il normale funzionamento del sistema...

Brevi note soggettive dell'utente GPS.

È successo che nel novantasettesimo anno ho appreso da una rivista la capacità di determinare la mia posizione utilizzando un dispositivo indossabile delle dimensioni di un telefono cellulare. Tuttavia, le meravigliose prospettive disegnate dagli autori dell'articolo sono state spietatamente infrante dal prezzo dell'apparato di navigazione dichiarato nel testo - quasi $ 400!

Un anno e mezzo dopo (agosto 1998), il destino mi ha portato in un piccolo negozio di articoli sportivi nella città americana di Boston. Qual è stata la mia sorpresa e gioia quando, su una delle finestre, ho notato per caso diversi navigatori diversi, il più costoso dei quali costava $ 250 (i modelli senza pretese erano offerti per $ 99). Certo, non potevo più lasciare il negozio senza il dispositivo, quindi ho iniziato a torturare i venditori sulle caratteristiche, i vantaggi e gli svantaggi di ciascun modello. Non ho sentito nulla di comprensibile da loro (e per niente perché non conosco bene l'inglese), quindi ho dovuto capirlo da solo. E di conseguenza, come spesso accade, è stato acquistato il modello più avanzato e costoso: Garmin GPS II +, nonché una custodia speciale e un cavo di alimentazione dalla presa dell'accendisigari dell'auto. Il negozio aveva altri due accessori per il mio dispositivo ora, il mio: un dispositivo per collegare il navigatore al manubrio della bicicletta e un cavo per il collegamento a un PC. Quest'ultimo l'ho giocato a lungo tra le mani, ma, alla fine, ho deciso di non acquistarlo per via del prezzo non indifferente (poco più di 30 dollari). Come si è scoperto in seguito, non ho acquistato il cavo in modo abbastanza corretto, perché tutta l'interazione del dispositivo con il computer si riduce alla "crema" nel computer del percorso attraversato (e anche, credo, alle coordinate in tempo reale , ma ci sono alcuni dubbi al riguardo), e anche allora subordinato all'acquisto di software da Garmin. Sfortunatamente, non è possibile caricare le mappe nel dispositivo.

Non darò una descrizione dettagliata del mio dispositivo, se non altro perché è già stato interrotto (chi vuole conoscere le caratteristiche tecniche dettagliate può farlo). Faccio solo notare che il peso del navigatore è di 255 grammi, le dimensioni sono 59x127x41 mm. Grazie alla sua sezione triangolare, il dispositivo è estremamente stabile sul tavolo o sul cruscotto dell'auto (il velcro è incluso nella confezione per una vestibilità più sicura). L'alimentazione è fornita da quattro batterie AA AA (durano solo 24 ore lavoro continuo) o una fonte esterna. Proverò a parlarti delle principali capacità del mio dispositivo, che, credo, ha la stragrande maggioranza dei navigatori sul mercato.

A prima vista, GPS II + può essere scambiato per un telefono cellulare rilasciato un paio di anni fa. Non appena guardi da vicino, noti un'antenna insolitamente spessa, un display enorme (56x38 mm!) E un numero ridotto di tasti per gli standard del telefono.

Quando il dispositivo è acceso, inizia il processo di raccolta delle informazioni dai satelliti e sullo schermo appare una semplice animazione (un globo rotante). Dopo l'inizializzazione iniziale (che richiede un paio di minuti in un luogo aperto), sul display appare una mappa del cielo primitiva con i numeri dei satelliti visibili, e accanto ad essa c'è un istogramma che indica il livello del segnale di ciascun satellite. Inoltre, viene indicato l'errore di navigazione (in metri): più satelliti vede il dispositivo, più accurata sarà la determinazione delle coordinate.

L'interfaccia GPS II + è costruita sul principio del "capovolgere" le pagine (c'è anche un pulsante PAGE dedicato per questo). La "pagina satellite" è stata descritta sopra e, oltre ad essa, c'è una "pagina di navigazione", "mappa", "pagina di ritorno", "pagina di menu" e molte altre. Va notato che il dispositivo descritto non è russificato, tuttavia, anche con una scarsa conoscenza dell'inglese, è possibile comprenderne il lavoro.

La pagina di navigazione mostra: coordinate geografiche assolute, distanza percorsa, velocità istantanea e media, altitudine, tempo di spostamento e, nella parte superiore dello schermo, una bussola elettronica. Devo dire che l'altezza è determinata con un errore molto maggiore di due coordinate orizzontali (c'è anche un'osservazione speciale nel manuale dell'utente per questo), che non consente l'uso del GPS, ad esempio, per determinare l'altezza dai parapendio . Ma la velocità istantanea è calcolata in modo estremamente accurato (soprattutto per oggetti in rapido movimento), il che rende possibile utilizzare il dispositivo per determinare la velocità delle motoslitte (i cui tachimetri tendono a mentire in modo significativo). Posso dare "cattivi consigli" - dopo aver noleggiato un'auto, spegnere il suo tachimetro (in modo che conti meno chilometri - dopotutto, il pagamento è spesso proporzionale al chilometraggio) e determinare la velocità e la distanza percorsa dal GPS (poiché può misurare sia in miglia che in chilometri).

La velocità media di movimento è determinata secondo un algoritmo un po' strano - il tempo morto (quando la velocità istantanea è zero) non viene preso in considerazione nei calcoli (sarebbe più logico, a mio avviso, dividere la distanza percorsa dal tempo di viaggio totale, ma i creatori di GPS II + sono stati guidati da alcune altre considerazioni).

La distanza percorsa viene visualizzata sulla "mappa" (il dispositivo ha una memoria sufficiente per 800 chilometri - se il chilometraggio è maggiore, i segni più vecchi vengono automaticamente cancellati), quindi se vuoi puoi vedere il diagramma delle tue passeggiate. La scala della mappa varia da decine di metri a centinaia di chilometri, il che è senza dubbio estremamente conveniente. La cosa più notevole è che nella memoria del dispositivo ci sono le coordinate dei principali insediamenti di tutto il mondo! Gli Stati Uniti, ovviamente, sono rappresentati in modo più dettagliato (ad esempio, tutte le aree di Boston sono presenti sulla mappa con nomi) rispetto alla Russia (qui è indicata la posizione delle sole città come Mosca, Tver, Podolsk, ecc.) . Immagina, ad esempio, di andare da Mosca a Brest. Trova nella memoria del navigatore "Brest", premi l'apposito pulsante "VAI A", e la direzione locale del tuo movimento appare sullo schermo; direzione globale a Brest; il numero di chilometri (in linea retta, ovviamente) rimanenti alla destinazione; velocità media e tempo stimato di arrivo. E così ovunque nel mondo - anche nella Repubblica Ceca, anche in Australia, anche in Thailandia...

Ugualmente utile è la cosiddetta funzione di ritorno. La memoria del dispositivo consente di registrare fino a 500 punti chiave (waypoint). L'utente può nominare ogni punto a sua discrezione (ad esempio DOM, DACHA, ecc.), sono inoltre previste varie icone per la visualizzazione delle informazioni sul display. Attivando la funzione di ritorno al punto (qualsiasi di quelli preregistrati), il proprietario del navigatore ottiene le stesse possibilità del caso di Brest sopra descritto (es. distanza dal punto, tempo stimato di arrivo e tutto il resto). Ad esempio, ho avuto un caso del genere. Arrivando a Praga in macchina e sistemandoci in un hotel, io e il mio amico siamo andati in centro. Lasciata l'auto nel parcheggio, siamo andati a fare una passeggiata. Dopo una passeggiata senza meta di tre ore e una cena in un ristorante, ci siamo resi conto che non avevamo assolutamente alcun ricordo di dove avessimo lasciato la macchina. Fuori è notte, siamo in una delle stradine di una città sconosciuta... Per fortuna, prima di lasciare l'auto, ho annotato la sua posizione nel navigatore. Ora, dopo aver premuto un paio di pulsanti sul dispositivo, ho appreso che l'auto si trovava a 500 metri da noi e in 15 minuti stavamo già ascoltando musica tranquilla, dirigendoci verso l'hotel in auto.

Oltre a spostarsi in linea retta sul segno registrato, cosa non sempre conveniente in condizioni urbane, Garmin offre una funzione TrackBack: un ritorno sulla tua strada. In parole povere, la curva di movimento è approssimata da un numero di sezioni diritte e i segni sono posizionati nei punti di interruzione. Su ogni tratto di retta il navigatore guida l'utente alla boa più vicina e, una volta raggiunta, passa automaticamente alla boa successiva. Una funzione estremamente comoda quando si guida un'auto in un terreno sconosciuto (il segnale dei satelliti non passa attraverso gli edifici, ovviamente, quindi, per ottenere dati sulle tue coordinate in un ambiente densamente costruito, devi cercare un più o meno luogo aperto).

Non approfondirò ulteriormente la descrizione delle capacità del dispositivo: credimi, oltre a quelli descritti, ha anche molti gadget piacevoli e necessari. Vale la pena cambiare l'orientamento del display: è possibile utilizzare il dispositivo sia in posizione orizzontale (automobile) che verticale (pedonale) (vedi Fig. 3).

Uno dei principali vantaggi del GPS per l'utente, considero l'assenza di qualsiasi pagamento per l'utilizzo del sistema. Ho comprato il dispositivo una volta - e divertiti!

Conclusione.

Ritengo non sia necessario elencare gli ambiti di applicazione del sistema di posizionamento globale considerato. I ricevitori GPS sono integrati nelle auto, nei telefoni cellulari e persino negli orologi da polso! Di recente, mi sono imbattuto in un messaggio sullo sviluppo di un chip che combina un ricevitore GPS in miniatura e un modulo GSM: si propone di dotare i collari per cani di dispositivi basati su di esso, in modo che il proprietario possa facilmente trovare un cane smarrito attraverso il cellulare Rete.

Ma in ogni barile di miele c'è una mosca nell'unguento. In questo caso, le leggi russe agiscono come quest'ultimo. Non discuterò in dettaglio gli aspetti legali dell'uso dei navigatori GPS in Russia (si può trovare qualcosa al riguardo), noterò solo che i dispositivi di navigazione teoricamente ad alta precisione (che, senza dubbio, anche i ricevitori GPS amatoriali sono) sono vietati in il nostro Paese, ei loro proprietari sono in attesa del sequestro del dispositivo e di una consistente multa.

Fortunatamente per gli utenti, in Russia la severità delle leggi è compensata dal non obbligo della loro attuazione: ad esempio, un numero enorme di limousine con un'antenna a rondella di ricevitori GPS sul cofano del bagagliaio circola per Mosca. Tutte le navi marittime più o meno serie sono dotate di GPS (ed è già cresciuta un'intera generazione di velisti, che hanno difficoltà a navigare nello spazio utilizzando una bussola e altri mezzi di navigazione tradizionali). Spero che le autorità non mettano i bastoni tra le ruote al progresso tecnico e legalizzino presto l'uso dei ricevitori GPS nel nostro Paese (hanno cancellato le autorizzazioni per i cellulari), e diano anche il via libera alla declassificazione e alla replica di mappe dettagliate dell'area necessarie per il pieno utilizzo dei sistemi di navigazione per auto.

Navigazione satellitare Il GPS è stato a lungo uno standard per la creazione di sistemi di posizionamento ed è utilizzato attivamente in vari tracker e navigatori. Nei progetti Arduino, il GPS è integrato utilizzando vari moduli che non richiedono la conoscenza dei fondamenti teorici. Ma un vero ingegnere dovrebbe essere interessato a comprendere il principio e lo schema del funzionamento del GPS per comprendere meglio le possibilità ei limiti di questa tecnologia.

Schema di lavoro GPS

Il GPS è un sistema di navigazione satellitare sviluppato dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti che fornisce coordinate e orari precisi. Funziona ovunque nel mondo in tutte le condizioni atmosferiche. Il GPS è composto da tre parti: satelliti, stazioni sulla Terra e ricevitori di segnale.

L'idea di creare un sistema di navigazione satellitare è nata negli anni '50 del secolo scorso. Un team americano di scienziati che osservava il lancio di satelliti sovietici ha notato che quando il satellite si avvicina, la frequenza del segnale aumenta e diminuisce con la sua distanza. Questo ha permesso di capire che è possibile misurare la posizione e la velocità di un satellite, conoscendo le sue coordinate sulla Terra, e viceversa. Il lancio di satelliti in orbita bassa ha giocato un ruolo enorme nello sviluppo del sistema di navigazione. E nel 1973, è stato creato il programma DNSS (NavStar), nell'ambito di questo programma, i satelliti sono stati lanciati in un'orbita terrestre media. Il programma ha ricevuto il nome GPS nello stesso 1973.

Il sistema GPS è attualmente utilizzato non solo in campo militare, ma anche per scopi civili. Ci sono molte sfere di applicazione GPS:

• connessione mobile;
• Tettonica delle placche - monitoraggio delle vibrazioni delle placche;
• Determinazione dell'attività sismica;
• Tracciamento satellitare del trasporto: è possibile monitorare la posizione, la velocità di trasporto e controllarne il movimento;
• Geodesia: determinazione dei confini esatti dei terreni;
• Cartografia;
• Navigazione;
• Giochi, georeferenziazione e altre aree di intrattenimento.

Lo svantaggio più importante del sistema può essere considerato l'impossibilità di ricevere un segnale in determinate condizioni. Le frequenze operative del GPS sono nell'intervallo di lunghezze d'onda del decimetro. Ciò porta al fatto che il livello del segnale può diminuire a causa di nuvole alte, fitto fogliame di alberi. Anche le sorgenti radio, i disturbatori e, in rari casi, le tempeste magnetiche possono interferire con la normale trasmissione del segnale. L'accuratezza della determinazione dei dati si deteriorerà nelle regioni circumpolari, poiché i satelliti non sono in alto sopra la Terra.

Navigazione senza GPS

Il principale concorrente del GPS è il sistema russo GLONASS (Global Navigation Satellite System). Il sistema ha iniziato la sua piena attività nel 2010; dal 1995 sono stati fatti tentativi per utilizzarlo attivamente. Ci sono molte differenze tra i due sistemi:

• Codifiche diverse: gli americani usano CDMA, il sistema russo utilizza FDMA;
• Diverse dimensioni dei dispositivi: GLONASS utilizza un modello più complesso, pertanto aumentano il consumo energetico e le dimensioni dei dispositivi;
• Il posizionamento e il movimento dei satelliti in orbita: il sistema russo fornisce una copertura più ampia del territorio e una determinazione più accurata delle coordinate e dell'ora.
• Satellite Life - I satelliti americani stanno ottenendo una qualità migliore in modo che durino più a lungo.

Oltre a GLONASS e GPS, ci sono altri sistemi di navigazione meno popolari: l'europeo Galileo e il cinese Beidou.

Descrizione del GPS

Come funziona il GPS

Il sistema GPS funziona come segue: il ricevitore del segnale misura il ritardo di propagazione del segnale dal satellite al ricevitore. Dal segnale ricevuto, il ricevitore ottiene i dati sulla posizione del satellite. Il ritardo del segnale viene moltiplicato per la velocità della luce per determinare la distanza dal satellite al ricevitore.

Dal punto di vista della geometria, il funzionamento del sistema di navigazione può essere illustrato come segue: diverse sfere, in mezzo alle quali ci sono i satelliti, si intersecano e l'utente è in esse. Il raggio di ciascuna delle sfere è corrispondentemente uguale alla distanza di questo satellite visibile. I segnali di tre satelliti forniscono informazioni su latitudine e longitudine, il quarto satellite fornisce informazioni sull'altezza di un oggetto sopra la superficie. I valori ottenuti possono essere riassunti in un sistema di equazioni, da cui è possibile trovare la coordinata dell'utente. Quindi, per ottenere una posizione precisa, è necessario effettuare 4 misurazioni delle distanze dal satellite (se si escludono risultati non plausibili, sono sufficienti tre misurazioni).

Le equazioni ottenute vengono corrette dalla discrepanza tra la posizione calcolata e quella effettiva del satellite. L'errore che ne deriva è chiamato effemeridi e varia da 1 a 5 metri. Contribuiscono anche le interferenze, la pressione atmosferica, l'umidità, la temperatura, le influenze ionosferiche e atmosferiche. In totale, la totalità di tutti gli errori può portare l'errore fino a 100 metri. Alcuni errori possono essere risolti matematicamente.

Per ridurre tutti gli errori, viene utilizzata la modalità differenziale GPS. In esso, il ricevitore riceve tramite canale radio tutte le correzioni necessarie alle coordinate dalla stazione base. La precisione della misurazione finale raggiunge 1-5 metri. Nella modalità differenziale, ci sono 2 metodi per correggere i dati ricevuti: questa è la correzione delle coordinate stesse e la correzione dei parametri di navigazione. Il primo metodo è scomodo da usare, poiché tutti gli utenti devono lavorare sugli stessi satelliti. Nel secondo caso, la complessità dell'attrezzatura di posizionamento stessa aumenta notevolmente.

Esiste una nuova classe di sistemi che aumenta la precisione di misurazione a 1 cm L'angolo tra le direzioni dei satelliti ha un enorme impatto sulla precisione. Con un ampio angolo, la posizione sarà determinata in modo più accurato.

La precisione della misurazione può essere ridotta artificialmente dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. Per questo, sui dispositivi di navigazione è impostata una modalità S / A speciale - accesso limitato. La modalità è progettata per scopi militari, in modo da non dare al nemico un vantaggio nel determinare le coordinate esatte. Dal maggio 2000, il regime di accesso limitato è stato annullato.

Tutte le fonti di errore possono essere suddivise in diversi gruppi:

• Errore di calcolo dell'orbita;
• Errori del ricevitore;
• Errori associati a riflessioni multiple di segnale da ostacoli;
• Ionosfera, ritardi del segnale troposferico;
• Geometria della posizione dei satelliti.

Caratteristiche principali

Il sistema GPS include 24 satelliti artificiali della terra, una rete di stazioni di localizzazione a terra e ricevitori di navigazione. Le stazioni di osservazione sono necessarie per determinare e monitorare i parametri orbitali, calcolare le caratteristiche balistiche, regolare le deviazioni dalle traiettorie di movimento e monitorare le apparecchiature a bordo dei veicoli spaziali.

Caratteristiche dei sistemi di navigazione GPS:

• Numero di satelliti: 26, 21 principali, 5 di riserva;
• Numero di piani orbitali - 6;
• Altitudine orbitale - 20.000 km;
• La durata dei satelliti è di 7,5 anni;
• Frequenze operative - L1 = 1575,42 MHz; L2 = 12275,6 MHz, potenza rispettivamente 50 W e 8 W;
• Affidabilità della determinazione della navigazione - 95%.

Esistono diversi tipi di ricevitori di navigazione: portatili, fissi e aeronautici. I ricevitori sono inoltre caratterizzati da una serie di parametri:

• Numero di canali: i ricevitori moderni utilizzano da 12 a 20 canali;
• Tipo di antenna;
• Disponibilità di supporto cartografico;
• Tipo di visualizzazione;
• Funzioni aggiuntive;
• Varie caratteristiche tecniche: materiali, resistenza, protezione dall'umidità, sensibilità, capacità di memoria e altro.

Il principio di funzionamento del navigatore stesso: prima di tutto, il dispositivo cerca di comunicare con il satellite di navigazione. Non appena viene stabilita la connessione, viene trasmesso l'almanacco, ovvero le informazioni sulle orbite dei satelliti situati all'interno dello stesso sistema di navigazione. La sola comunicazione con un satellite non è sufficiente per ottenere una posizione precisa, quindi i restanti satelliti trasmettono le loro effemeridi al navigatore, necessario per determinare le deviazioni, i coefficienti di perturbazione e altri parametri.

Avvio a freddo, a caldo ea caldo del navigatore GPS

Dopo aver acceso il navigatore per la prima volta o dopo una lunga pausa, inizia una lunga attesa per la ricezione dei dati. Il lungo tempo di attesa è dovuto al fatto che l'almanacco e le effemeridi sono mancanti o non aggiornati nella memoria del navigatore, quindi il dispositivo deve eseguire una serie di azioni per ricevere o aggiornare i dati. Il tempo di attesa, o il cosiddetto tempo di avvio a freddo, dipende da vari indicatori: la qualità del ricevitore, lo stato dell'atmosfera, il rumore, il numero di satelliti in vista.

Per iniziare, il navigatore deve:

• Trova un satellite e stabilisci una comunicazione con esso;
• Ricevi un almanacco e tienilo in memoria;
• Ricevi effemeridi dal satellite e salvale;
• Trova altri tre satelliti e stabilisci un contatto con loro, ricevi effemeridi da loro;
• Calcola le coordinate usando le effemeridi e le posizioni dei satelliti.

Solo dopo aver eseguito l'intero ciclo, il dispositivo inizierà a funzionare. Questo lancio si chiama partenza a freddo.

Un avvio a caldo è significativamente diverso da un avvio a freddo. La memoria del navigatore contiene già l'almanacco e le effemeridi correnti. I dati dell'almanacco sono validi per 30 giorni, i dati delle effemeridi per 30 minuti. Ne consegue che il dispositivo è stato spento per un breve periodo. Con un hot start, l'algoritmo sarà più semplice: il dispositivo stabilisce una connessione con il satellite, aggiorna le effemeridi se necessario e calcola la posizione.

C'è un inizio caldo, nel qual caso l'almanacco è aggiornato e le effemeridi devono essere aggiornate. Questo richiede un po' più di tempo di un avvio a caldo, ma molto meno di uno a freddo.

Restrizioni all'acquisto e all'uso di moduli GPS fatti in casa

La legislazione russa richiede ai produttori di ridurre l'accuratezza del rilevamento dei ricevitori. Il lavoro con precisione non grossolana può essere eseguito solo se l'utente dispone di una licenza specializzata.

Sotto il divieto nella Federazione Russa ci sono mezzi tecnici speciali destinati a ottenere segretamente informazioni (STS NPI). Questi includono i localizzatori GPS, che vengono utilizzati per controllare segretamente il movimento di veicoli e altri oggetti. La caratteristica principale di un dispositivo tecnico illegale è la sua segretezza. Pertanto, prima di acquistare un dispositivo, è necessario studiarne attentamente le caratteristiche, l'aspetto, la presenza di funzioni nascoste e visualizzare anche i certificati di conformità necessari.

È anche importante in quale forma viene venduto il dispositivo. Il dispositivo smontato potrebbe non appartenere a STS NPI. Ma una volta assemblato, il dispositivo finito potrebbe già essere classificato come proibito.

Uno dei due più grandi sistemi di posizionamento globale via satellite - GPS - può essere utilizzato in un formato standard o come servizio A-GPS. Quali sono le caratteristiche principali di queste tecnologie?

Dati GPS

Sistema GPSè progettato per determinare le coordinate geografiche di un oggetto su cui si trova un ricevitore, navigatore o altro dispositivo in grado di ricevere segnali GPS da un satellite. Questo sistema presuppone l'utilizzo dello standard WGS 84, che consente nelle misurazioni tridimensionali di determinare le coordinate di un oggetto sulla superficie terrestre con una precisione di 2 cm Inoltre, la navigazione tramite tecnologia GPS consente anche di misurare la velocità di movimento di un ricevitore o di un dispositivo simile sulla superficie terrestre.

Fatti A-GPS

Tecnologia A-GPS integra lo standard GPS in diversi aspetti contemporaneamente. Innanzitutto in termini di velocizzazione del funzionamento dei ricevitori utilizzati nella navigazione. Il fatto è che la determinazione delle coordinate solo tramite i satelliti implica un carico significativo sulle risorse hardware di questo dispositivo. Ma se dai al ricevitore l'opportunità di utilizzare fonti ausiliarie per determinare la sua posizione (quelle utilizzate nell'infrastruttura A-GPS), allora funzionerà molto più velocemente.

Un navigatore GPS che supporta la tecnologia A-GPS si carica molto più velocemente dei dispositivi non compatibili con lo standard corrispondente. Inoltre, l'A-GPS può migliorare significativamente la stabilità del monitoraggio continuo delle coordinate del ricevitore: il segnale dal satellite non è sempre stabile (soprattutto in condizioni urbane) e l'uso di canali ausiliari per determinare la posizione del navigatore in questo Il senso può diventare una condizione critica affinché il ricevitore possa svolgere le sue funzioni personalizzate.

Quali canali ausiliari specifici per determinare le coordinate del navigatore vengono utilizzati quando si utilizza la tecnologia A-GPS? Di norma, questa è l'Internet mobile che utilizza la tecnologia 3G o 4G. In alcuni casi è adatta anche una connessione tramite Wi-Fi.

Se i canali 3G, 4G o Wi-Fi non sono disponibili, la determinazione delle coordinate può essere effettuata tramite le stazioni base degli operatori cellulari. È vero, questo metodo ha una precisione relativamente bassa - fino a 20 metri, spesso - diverse centinaia di metri.

Confronto

La principale differenza tra GPS e A-GPS è che la prima tecnologia prevede la determinazione delle coordinate geografiche del navigatore via satellite, la seconda tramite canali alternativi (3G, 4G, Wi-Fi, stazioni base degli operatori).

Un ricevitore che supporta lo standard A-GPS di solito si avvia molto più velocemente di un dispositivo che supporta solo i canali GPS "classici". Ciò è possibile grazie alla pronta ricezione delle coordinate e, in alcuni casi, anche all'aggiornamento delle mappe tramite Internet o canali cellulari.

Inoltre un navigatore compatibile con la tecnologia A-GPS può svolgere le sue funzioni nei casi in cui il segnale dal satellite sia molto debole o non presente affatto. Ovviamente solo se i canali alternativi per ottenere le coordinate del dispositivo funzionano.

Dopo aver determinato qual è la differenza tra GPS e A-GPS, fissiamo le conclusioni nella tabella.

Sempre più spesso, gli smartphone vengono utilizzati dai loro proprietari come navigatori, poiché è molto comodo avere sempre a portata di mano un dispositivo compatto che consenta loro di determinare la propria posizione o tracciare un percorso verso l'oggetto desiderato.

Comunica con i satelliti in orbita, riceve un segnale da essi e mostra le sue coordinate sulla mappa. A volte, a causa di varie circostanze, trovare i satelliti disponibili può essere difficile e richiede molto tempo. Ciò si verifica in edifici, tunnel e vicino a sorgenti di radiazioni elettromagnetiche. Anche all'aperto, in città densamente costruite, possono verificarsi interruzioni del segnale satellitare.

Per rimediare a questa situazione viene utilizzata la funzione A-GPS, che si trova nella maggior parte degli smartphone moderni.

Tecnologia A-GPS

A-GPS è una tecnologia che fornisce al modulo GPS informazioni aggiuntive sui satelliti più accessibili e sulla loro potenza del segnale. Quando la navigazione è attivata, lo smartphone determina quasi istantaneamente la sua posizione sulla mappa e la ricerca dei satelliti è possibile anche in stanze chiuse e i pavimenti non sono un ostacolo.

Il lancio di successo dell'A-GPS è avvenuto negli Stati Uniti nell'autunno del 2001 nell'ambito delle reti di comunicazione del servizio nazionale di soccorso (911).

Come funziona l'A-GPS?

Questa tecnologia utilizza canali di comunicazione alternativi per ottenere informazioni aggiornate. Nel caso dei nostri smartphone, si tratta di Internet fornito da un operatore cellulare o tramite Wi-Fi.

A-GPS comunica con i suoi server, trasmettendo informazioni sulla posizione, che è determinata dalle stazioni base (torri) dell'operatore. In risposta, questi server ricevono nuovi messaggi sui satelliti attivi nell'area. Usandoli, il modulo di geolocalizzazione dello smartphone stabilisce rapidamente la comunicazione con i satelliti necessari, senza perdere tempo a cercare tutti di fila. Più stazioni base intorno allo smartphone o più l'utente è vicino alla torre cellulare, più accuratamente viene registrata la posizione dello smartphone, il che significa che le informazioni sui satelliti disponibili sono più accurate.

Pro e contro di A-GPS

Come possiamo vedere, i vantaggi di avere A-GPS sono innegabili. Si tratta di una rapida creazione della comunicazione con i satelliti e del risparmio della batteria, poiché durante un avviamento a freddo e durante la ricerca di segnali, il modulo GPS consuma intensamente la batteria. Allo stesso tempo, la comunicazione con i server consuma pochissimo traffico Internet, fino a 10 kilobyte per sessione. È importante che A-GPS non richieda l'intervento dell'utente e che i dati vengano aggiornati automaticamente secondo necessità.

Ma questa funzione presenta anche degli svantaggi, seppur minori. Non fornirà una comunicazione veloce con i satelliti in aree con una carenza di ripetitori cellulari o la loro assenza. Quindi, lontano dalla civiltà, l'A-GPS è inutile.

Nonostante il modesto consumo di Internet, gli aggiornamenti frequenti e regolari e la sincronizzazione di A-GPS porteranno ad un aumento del traffico. E quando sei in roaming, soprattutto internazionale, i costi di comunicazione possono aumentare notevolmente.

Come posso abilitare e disabilitare l'A-GPS?

Quando si attiva la funzione "Geodati" (navigazione GPS, geolocalizzazione), lo smartphone offre di selezionare il metodo di determinazione. L'utente può dare la preferenza alla conservazione della batteria o alla precisione della geolocalizzazione. In genere, sono disponibili i seguenti metodi (i nomi delle voci di menu possono variare a seconda della versione di Android e del produttore del telefono):

• All over source (alta fedeltà). La determinazione della posizione viene effettuata utilizzando GPS, Wi-Fi e traffico Internet delle reti mobili. La tecnologia A-GPS è attiva.
• Per coordinate di rete (risparmio di carica della batteria). La posizione è rilevabile tramite Wi-Fi e reti mobili. GPS disabilitato, A-GPS attivo.
• Satelliti GPS (solo dispositivo). Determinazione della posizione esclusivamente via satellite senza l'utilizzo di ulteriori canali di comunicazione. La tecnologia A-GPS è disabilitata.

La tecnologia A-GPS è essenziale per la normale navigazione su smartphone e può essere utilizzata regolarmente.