O tehnologie GPS. Sistem de navigație prin satelit GPS - principiu, diagramă, aplicație

Aproape fiecare călător din timpul nostru, care călătorește chiar și în cel mai sălbatic mod, aproape că nu se poate descurca fără utilizarea gadgeturilor moderne. V acest moment există o cantitate imensă de tehnologie pe piață care ne face viața nu numai mai distractivă și interesantă, ci și mai ușoară.

Cum funcționează navigația GPS?

Navigatoarele GPS sunt un lucru indispensabil atât în ​​călătorii, cât și în viața de zi cu zi. Avantajul său constă în faptul că, indiferent de locația dvs. și de disponibilitatea comunicației celulare, va funcționa și va determina coordonatele dvs.

GPS (Global Positioning System) este un sistem global de poziționare care constă dintr-o singură rețea comună de sateliți. În timpul călătoriilor, navigatoarele GPS pot fi diferite, dar cea mai bună opțiune în prezent este un smartphone.

Telefoanele inteligente moderne sunt echipate cu procesoare rapide, un afișaj potrivit pentru un navigator și suficientă memorie RAM și memorie internă. Deci, dacă te pierzi brusc în pădure, asta nu va fi o problemă pentru tine. În consecință, folosind un smartphone cu software-ul potrivit, puteți planifica orice rută, puteți afla unde vă aflați, puteți calcula distanța până la un anumit obiect, ruta de călătorie, viteza medie și, de asemenea, puteți primi din când în când sfaturi de-a lungul întregului traseu. .

În condiții bune de vizibilitate, eroarea de determinare este de la 6 la 15 metri. Un turist chiar și cu un smartphone ieftin (cu un navigator GPS, desigur) nu se va pierde într-o țară străină, desigur, cu condiția să fi descărcat hărțile în prealabil.

Care este avantajul A-GPS?

Uneori se întâmplă ca condițiile meteo sau terenul să nu permită determinarea locației. Acest lucru se întâmplă cel mai adesea în orașe, unde un număr mare de vehicule, tuneluri, zgârie-nori, obstrucționează un semnal bun. Pentru aceste situații a fost dezvoltată tehnologia A GPS (Assisted GPS).

Accelerează pornirea la rece a receptorului GPS. Adică accelerează determinarea coordonatelor prin alte canale de comunicare disponibile. În acest caz, acesta este internetul operatorului dumneavoastră. Semnalul despre locația dvs. nu mai trece direct de la satelit, ci prin stații de bază care vă permit să transmiteți semnale GPS.

Avantajul unui GPS este că practic nu există restricții pentru comunicarea mobilă și funcționează mult mai rapid chiar și cu un semnal slab. Pentru a primi date prin GPS, dispozitivul are nevoie de acces la Internet. Acest lucru este oarecum amabil. Plata pentru acces la Internet depinde de serviciile oferite de furnizorul dumneavoastră. Insa traficul in aceasta situatie este foarte mic, transmite doar o valoare numerica.

Concluzie

Un suport GPS în smartphone-ul tău 100% nu va fi de prisos. Această tehnologie vă va ajuta să vă găsiți drumul unde navigația tradițională nu va funcționa. Prin urmare, atunci când alegeți un smartphone, este mai bine să luați în considerare stilul dvs. de viață și ocupația. Dacă te afli pe o insulă pustie?

Așa cum se întâmplă adesea cu proiectele de înaltă tehnologie, armata a inițiat dezvoltarea și implementarea sistemului GPS (Global Positioning System). Proiectul unei rețele de satelit pentru determinarea coordonatelor în timp real oriunde în lume s-a numit Navstar (Navigation system with timing and range), în timp ce abrevierea GPS a apărut mai târziu, când sistemul a început să fie folosit nu numai în apărare, ci și pentru scopuri civile.

Primii pași pentru implementarea rețelei de navigație au fost făcuți la mijlocul anilor șaptezeci, în timp ce exploatarea comercială a sistemului în forma sa actuală a început în 1995. În acest moment sunt în funcțiune 28 de sateliți, repartizați uniform pe orbite cu o altitudine de 20350 km (24 de sateliți sunt suficienți pentru o funcționare complet funcțională).

Mergând puțin înaintea mea, voi spune că cu adevărat un moment cheie în istoria GPS-ului a fost decizia președintelui Statelor Unite de a desființa așa-numita disponibilitate selectivă (SA - disponibilitate selectivă) de la 1 mai 2000 - o eroare introdusă artificial în semnalele satelitului pentru funcționarea incorectă a receptoarelor GPS civile. ... Din acel moment, un terminal de amator poate determina coordonatele cu o precizie de câțiva metri (anterior, eroarea era de zeci de metri)! Figura 1 prezintă erori de navigare înainte și după dezactivarea modului de acces selectiv (date).

Să încercăm să înțelegem în termeni generali cum funcționează sistemul de poziționare globală, apoi vom atinge o serie de aspecte ale utilizatorului. Să începem considerația noastră cu principiul determinării intervalului, care stă la baza funcționării sistemului de navigație spațială.

Algoritm pentru măsurarea distanței de la punctul de observare la satelit.

Gama se bazează pe calcularea distanței de la întârzierea în timp a propagării semnalului radio de la satelit la receptor. Dacă cunoașteți timpul de propagare a unui semnal radio, atunci calea parcursă de acesta este ușor de calculat prin simpla înmulțire a timpului cu viteza luminii.

Fiecare satelit GPS generează continuu unde radio de două frecvențe - L1 = 1575.42MHz și L2 = 1227.60MHz. Puterea transmițătorului este de 50, respectiv 8 wați. Semnalul de navigare este un cod pseudonumăr aleatoriu (PRN). PRN este de două tipuri: primul, codul C / A (codul de achiziție grosier - cod brut) este utilizat în receptoarele civile, al doilea cod P (codul de precizie - cod exact) este utilizat în scopuri militare și, de asemenea, uneori, pentru rezolvarea problemelor de geodezie și cartografie. Frecvența L1 este modulată atât de codul C/A, cât și de codul P, frecvența L2 există doar pentru transmiterea codului P. Pe lângă cele descrise, există și un cod Y, care este un cod P criptat (în timp de război, sistemul de criptare se poate schimba).

Perioada de repetare a codului este destul de lungă (de exemplu, pentru un cod P este de 267 de zile). Fiecare receptor GPS are propriul său oscilator, care funcționează pe aceeași frecvență și modulează semnalul după aceeași lege ca și oscilatorul satelit. Astfel, din timpul de întârziere dintre aceleași secțiuni ale codului primit de la satelit și generat independent, este posibil să se calculeze timpul de propagare a semnalului și, în consecință, distanța până la satelit.

Una dintre principalele dificultăți tehnice ale metodei descrise mai sus este sincronizarea ceasurilor de pe satelit și din receptor. Chiar și o eroare minusculă conform standardelor convenționale poate duce la o eroare uriașă în determinarea distanței. Fiecare satelit poartă la bord un ceas atomic de înaltă precizie. Este clar că este imposibil să instalezi așa ceva în fiecare receptor. Prin urmare, pentru a corecta erorile în determinarea coordonatelor din cauza erorilor ceasului încorporat în receptor, se folosește o oarecare redundanță în datele necesare pentru legarea neechivocă la teren (mai multe despre aceasta puțin mai târziu).

Pe lângă semnalele de navigație în sine, satelitul transmite continuu diferite tipuri de informații de serviciu. Receptorul primește, de exemplu, efemeride (date precise despre orbita satelitului), prognoza întârzierii de propagare a semnalului radio în ionosferă (deoarece viteza luminii se modifică la trecerea prin diferite straturi ale atmosferei), precum și informații despre performanța satelitului (așa-numitul „almanah” care conține actualizări la fiecare 12,5 minute informații despre starea și orbitele tuturor sateliților). Aceste date sunt transmise la 50 bps pe frecvențele L1 sau L2.

Principii generale de determinare a coordonatelor folosind GPS.

Baza ideii de a determina coordonatele unui receptor GPS este de a calcula distanța de la acesta la mai mulți sateliți, a căror locație este considerată cunoscută (aceste date sunt conținute în almanahul primit de la satelit). În geodezie, metoda de calcul a poziției unui obiect prin măsurarea distanței acestuia de la punctele cu coordonate date se numește trilaterație. Fig2.

Dacă distanța A până la un satelit este cunoscută, atunci coordonatele receptorului nu pot fi determinate (acesta poate fi situat în orice punct al sferei cu raza A, descris în jurul satelitului). Fie cunoscută distanța B a receptorului față de al doilea satelit. În acest caz, determinarea coordonatelor nu este, de asemenea, posibilă - obiectul se află undeva pe un cerc (este arătat cu albastru în Fig. 2), care este intersecția a două sfere. Distanța C până la al treilea satelit reduce incertitudinea în coordonate la două puncte (indicate prin două puncte albastre îndrăznețe în Fig. 2). Acest lucru este deja suficient pentru a determina fără ambiguitate coordonatele - adevărul este că dintre cele două puncte posibile de localizare a receptorului, doar unul se află pe suprafața Pământului (sau în imediata apropiere a acestuia), iar al doilea, fals, se dovedește a fi fie adânc în interiorul Pământului, fie foarte sus deasupra suprafeței acestuia. Astfel, teoretic, pentru navigația tridimensională, este suficient să cunoaștem distanțele de la receptor la trei sateliți.

Cu toate acestea, în viață totul nu este atât de simplu. Raționamentul de mai sus a fost făcut pentru cazul în care distanțele de la punctul de observare la sateliți sunt cunoscute cu acuratețe absolută. Bineînțeles, oricât de sofisticați sunt inginerii, apare întotdeauna o eroare (cel puțin din cauza sincronizării inexacte a ceasurilor receptorului și satelitului indicate în secțiunea anterioară, a dependenței vitezei luminii de starea atmosferei etc. .). Prin urmare, pentru a determina coordonatele tridimensionale ale receptorului, nu sunt implicați trei, ci cel puțin patru sateliți.

După ce a primit un semnal de la patru (sau mai mulți) sateliți, receptorul caută punctul de intersecție al sferelor corespunzătoare. Dacă nu există un astfel de punct, procesorul receptor începe să-și ajusteze ceasul prin metoda aproximărilor succesive până când ajunge la intersecția tuturor sferelor într-un punct.

Trebuie remarcat faptul că acuratețea determinării coordonatelor este asociată nu numai cu calculul precis al distanței de la receptor la sateliți, ci și cu magnitudinea erorii în specificarea locației sateliților înșiși. Pentru a controla orbitele și coordonatele sateliților, există patru stații de urmărire la sol, sisteme de comunicații și un centru de comandă, controlate de Departamentul de Apărare al SUA. Stațiile de urmărire monitorizează în mod constant toți sateliții din sistem și transmit date despre orbitele lor către centrul de control, unde sunt calculate elementele de traiectorie actualizate și corecțiile ceasului satelitului. Acești parametri sunt introduși în almanah și transmiși către sateliți, iar ei, la rândul lor, trimit aceste informații către toți receptorii care lucrează.

În plus față de cele de mai sus, există multe sisteme speciale care măresc acuratețea navigației - de exemplu, schemele speciale de procesare a semnalului reduc erorile cauzate de interferență (interacțiunea unui semnal satelit direct cu unul reflectat, de exemplu, de la clădiri). Nu vom aprofunda în specificul funcționării acestor dispozitive, pentru a nu complica inutil textul.

După anularea modului de acces selectiv descris mai sus, receptorii civile sunt „legați de teren” cu o eroare de 3-5 metri (înălțimea se determină cu o precizie de aproximativ 10 metri). Cifrele de mai sus corespund recepției simultane a unui semnal de la 6-8 sateliți (majoritatea dispozitivelor moderne au un receptor cu 12 canale, care permite procesarea simultană a informațiilor de la 12 sateliți).

Așa-numitul mod de corecție diferențială (DGPS - Differential GPS) permite reducerea calitativă a erorii (până la câțiva centimetri) în măsurarea coordonatelor. Modul diferențial constă în folosirea a două receptoare - unul este staționar într-un punct cu coordonate cunoscute și se numește „bază”, iar al doilea, ca și înainte, este mobil. Datele primite de receptorul de bază sunt folosite pentru a corecta informațiile colectate de vehiculul mobil. Corectarea poate fi efectuată atât în ​​timp real, cât și în timpul prelucrării datelor „offline”, de exemplu, pe un computer.

De obicei, un receptor profesionist deținut de o companie de navigație sau topografie este folosit ca bază. De exemplu, în februarie 1998, lângă Sankt Petersburg, compania NavGeoCom a instalat prima stație de sol GPS diferențială din Rusia. Puterea emițătorului stației este de 100 wați (frecvență 298,5 kHz), ceea ce permite utilizarea DGPS la distanță de stație la o distanță de până la 300 km pe mare și până la 150 km pe uscat. În plus față de receptoarele de la sol, sistemul de serviciu diferențial prin satelit al OmniStar poate fi utilizat pentru corecția diferențială a datelor GPS. Datele de corecție sunt transmise de la mai mulți sateliți geostaționari ai companiei.

Trebuie remarcat faptul că principalii clienți ai corecției diferențiale sunt serviciile geodezice și topografice - pentru un utilizator privat, DGPS nu prezintă interes datorită costului ridicat (pachetul de servicii OmniStar în Europa costă mai mult de 1.500 USD pe an) și a volumului. a echipamentului. Și este puțin probabil ca în viața de zi cu zi să existe situații în care trebuie să-ți cunoști coordonatele geografice absolute cu o eroare de 10-30 cm.

În încheierea părții despre aspectele „teoretice” ale funcționării GPS, voi spune că Rusia, în cazul navigației spațiale, și-a parcurs propriul drum și își dezvoltă propriul sistem GLONASS (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM). Dar, din cauza lipsei investițiilor adecvate, în prezent există doar șapte sateliți pe orbită din douăzeci și patru necesari pentru funcționarea normală a sistemului...

Scurte note subiective ale utilizatorului GPS.

S-a întâmplat că, în al nouăzeci și șaptelea an, am aflat despre capacitatea de a-mi determina locația folosind un dispozitiv portabil de dimensiunea unui telefon mobil dintr-o revistă. Cu toate acestea, perspectivele minunate desenate de autorii articolului au fost spulberate fără milă de prețul aparatului de navigație menționat în text - aproape 400 de dolari!

Un an și jumătate mai târziu (în august 1998), soarta m-a adus la un mic magazin de sport din orașul american Boston. Care a fost surpriza și bucuria mea când, pe una dintre ferestre, am observat din greșeală mai multe navigatoare diferite, dintre care cele mai scumpe costau 250 de dolari (modele nepretențioase erau oferite pentru 99 de dolari). Desigur, nu mai puteam părăsi magazinul fără dispozitiv, așa că am început să chinuiesc vânzătorii cu privire la caracteristicile, avantajele și dezavantajele fiecărui model. Nu am auzit nimic inteligibil de la ei (și deloc pentru că nu știu bine engleza), așa că a trebuit să-mi dau seama. Și ca urmare, așa cum se întâmplă adesea, a fost achiziționat cel mai avansat și mai scump model - Garmin GPS II +, precum și o carcasă specială pentru acesta și un cablu de alimentare de la priza brichetei auto. Magazinul mai avea două accesorii pentru dispozitivul meu acum-my - un dispozitiv pentru atașarea navigatorului la ghidonul unei biciclete și un cablu pentru conectarea la un PC. Pe acesta din urmă l-am jucat mult timp în mâinile mele, dar, până la urmă, am decis să nu cumpăr din cauza prețului considerabil (puțin peste 30 de dolari). După cum sa dovedit mai târziu, nu am cumpărat cablul destul de corect, deoarece toată interacțiunea dispozitivului cu computerul se reduce la „crema” din computerul traseului parcurs (și, de asemenea, cred, coordonatele în timp real). , dar există anumite îndoieli cu privire la acest lucru), și chiar și atunci sub rezerva achiziției de software de la Garmin. Din păcate, nu există posibilitatea de a încărca hărți în dispozitiv.

Nu voi oferi o descriere detaliată a dispozitivului meu, fie și doar pentru că a fost deja întrerupt (cei care doresc să se familiarizeze cu caracteristicile tehnice detaliate pot face acest lucru). Voi observa doar ca greutatea navigatorului este de 255 de grame, dimensiunile sunt 59x127x41 mm. Datorită secțiunii transversale triunghiulare, dispozitivul este extrem de stabil pe masa sau bordul mașinii (velcro este inclus în pachet pentru o fixare mai sigură). Alimentarea este furnizată de la patru baterii AA AA (aceștia țin doar 24 de ore muncă continuă) sau o sursă externă. Voi încerca să vă povestesc despre principalele capabilități ale dispozitivului meu, care cred că au majoritatea covârșitoare a navigatoarelor de pe piață.

La prima vedere, GPS II + poate fi confundat cu un telefon mobil lansat acum câțiva ani. Imediat ce te uiți cu atenție, observi o antenă neobișnuit de groasă, un afișaj uriaș (56x38 mm!) Și un număr mic de taste conform standardelor de telefon.

Când dispozitivul este pornit, începe procesul de colectare a informațiilor de la sateliți, iar pe ecran apare o animație simplă (un glob rotativ). După inițializarea inițială (care durează câteva minute într-un loc deschis), pe afișaj apare o hartă primitivă a cerului cu numerele de sateliți vizibili, iar lângă ea este o histogramă care indică nivelul semnalului de la fiecare satelit. În plus, este indicată eroarea de navigare (în metri) - cu cât dispozitivul vede mai mulți sateliți, cu atât determinarea coordonatelor va fi mai precisă.

Interfața GPS II + este construită pe principiul „întoarcerii” paginilor (există chiar și un buton PAGE dedicat pentru aceasta). „Pagina satelit” a fost descrisă mai sus și, pe lângă aceasta, există o „pagină de navigare”, „hartă”, „pagină de întoarcere”, „pagină de meniu” și o serie de altele. Trebuie remarcat faptul că dispozitivul descris nu este rusificat, cu toate acestea, chiar și cu o cunoaștere slabă a limbii engleze, puteți înțelege funcționarea acestuia.

Pagina de navigare afișează: coordonatele geografice absolute, distanța parcursă, viteza instantanee și medie, altitudinea, timpul de mișcare și, în partea de sus a ecranului, o busolă electronică. Trebuie să spun că înălțimea este determinată cu o eroare mult mai mare decât două coordonate orizontale (există chiar și o remarcă specială în manualul de utilizare pentru aceasta), care nu permite utilizarea GPS-ului, de exemplu, pentru a determina înălțimea de către parapanta. . Dar viteza instantanee este calculată extrem de precis (în special pentru obiectele care se mișcă rapid), ceea ce face posibilă utilizarea dispozitivului pentru a determina viteza snowmobilelor (ale căror vitezometre tind să se afle semnificativ). Pot da „sfaturi proaste” - după închirierea unei mașini, opriți-i vitezometrul (pentru ca acesta să numere mai puțini kilometri - până la urmă, plata este adesea proporțională cu kilometrajul) și să determin viteza și distanța parcursă de GPS (din moment ce poate măsura atât în ​​mile, cât și în kilometri).

Viteza medie de deplasare se determină după un algoritm oarecum ciudat - timpul inactiv (când viteza instantanee este zero) nu este luat în calcul în calcule (mai logic, după părerea mea, să se împartă distanța parcursă de timpul total de călătorie, dar creatorii GPS II + s-au ghidat după alte considerații).

Distanța parcursă este afișată pe „hartă” (dispozitivul are memorie suficientă pentru 800 de kilometri - dacă kilometrajul este mai mare, cele mai vechi semne sunt șterse automat), așa că dacă doriți puteți vedea diagrama plimbărilor dumneavoastră. Scara hărții variază de la zeci de metri la sute de kilometri, ceea ce este, fără îndoială, extrem de convenabil. Cel mai remarcabil lucru este că în memoria dispozitivului există coordonatele principalelor așezări ale lumii întregi! Statele Unite, desigur, sunt reprezentate mai detaliat (de exemplu, toate zonele din Boston sunt prezente pe hartă cu nume) decât Rusia (localizarea doar a orașelor precum Moscova, Tver, Podolsk etc. este indicată aici) . Imaginați-vă, de exemplu, că vă îndreptați de la Moscova la Brest. Găsiți în memoria navigatorului „Brest”, apăsați butonul special „GO TO”, iar direcția locală a mișcării dvs. apare pe ecran; direcția globală către Brest; numărul de kilometri (în linie dreaptă, desigur) rămași până la destinație; viteza medie și ora estimată de sosire. Și așa oriunde în lume - chiar și în Republica Cehă, chiar și în Australia, chiar și în Thailanda ...

La fel de utilă este așa-numita funcție return. Memoria dispozitivului vă permite să înregistrați până la 500 de puncte cheie (waypoints). Utilizatorul poate denumi fiecare punct la discreția sa (de exemplu, DOM, DACHA etc.), sunt prevăzute și diverse pictograme pentru afișarea informațiilor pe afișaj. Prin activarea funcției de întoarcere la punct (oricare dintre cele preînregistrate), proprietarul navigatorului obține aceleași posibilități ca și în cazul Brest descris mai sus (adică distanța până la punct, ora estimată de sosire și orice altceva). De exemplu, am avut un astfel de caz. Ajunși la Praga cu mașina și instalându-ne într-un hotel, eu și prietenul meu am mers în centrul orașului. Lăsând mașina în parcare, ne-am dus la plimbare. După o plimbare fără scop de trei ore și o cină la un restaurant, ne-am dat seama că nu avem absolut nicio amintire despre locul unde am lăsat mașina. Afară e noapte, suntem pe una dintre străduțele unui oraș necunoscut... Din fericire, înainte de a părăsi mașina, am notat locația acesteia în navigator. Acum, după ce am apăsat câteva butoane de pe dispozitiv, am aflat că mașina stătea la 500 de metri de noi și în 15 minute deja ascultam muzică liniștită, îndreptându-ne cu mașina spre hotel.

Pe lângă trecerea la marcajul înregistrat în linie dreaptă, ceea ce nu este întotdeauna convenabil în condiții de oraș, Garmin oferă o funcție TrackBack - o întoarcere pe drum. În linii mari, curba de mișcare este aproximată printr-un număr de secțiuni drepte, iar semnele sunt plasate la punctele de rupere. Pe fiecare secțiune în linie dreaptă, navigatorul ghidează utilizatorul către cel mai apropiat reper, iar la atingerea acestuia, trece automat la următorul reper. O funcție extrem de convenabilă atunci când conduceți o mașină pe un teren necunoscut (desigur, semnalul de la sateliți nu trece prin clădiri, prin urmare, pentru a obține date despre coordonatele dvs. într-un mediu dens construit, trebuie să căutați un spațiu mai mult sau mai puțin loc deschis).

Nu voi aprofunda mai departe în descrierea capacităților dispozitivului - credeți-mă, pe lângă cele descrise, are și o mulțime de gadgeturi plăcute și necesare. O singură schimbare a orientării afișajului merită - puteți utiliza dispozitivul atât în ​​poziție orizontală (automobil), cât și verticală (pietonală) (vezi Fig. 3).

Unul dintre principalele avantaje ale GPS-ului pentru utilizator, consider absența oricărei plăți pentru utilizarea sistemului. Am cumpărat dispozitivul o dată - și bucurați-vă!

Concluzie.

Cred că nu este nevoie să enumeram domeniile de aplicare ale sistemului de poziționare globală considerat. Receptoarele GPS sunt încorporate în mașini, telefoane mobile și chiar ceasuri de mână! Recent, am dat peste un mesaj despre dezvoltarea unui cip care combină un receptor GPS în miniatură și un modul GSM - se propune echiparea zgardelor pentru câini cu dispozitive bazate pe acesta, astfel încât proprietarul să poată găsi cu ușurință un câine pierdut prin intermediul celularului. reţea.

Dar în orice butoi de miere există o muscă în unguent. În acest caz, legile ruse acționează ca acesta din urmă. Nu voi vorbi în detaliu despre aspectele legale ale utilizării navigatoarelor GPS în Rusia (se poate găsi ceva despre asta), voi observa doar că dispozitivele de navigație de înaltă precizie teoretic (care, fără îndoială, sunt chiar și receptoarele GPS de amatori) sunt interzise. la noi, iar proprietarii lor așteaptă confiscarea aparatului și o amendă considerabilă.

Din fericire pentru utilizatori, în Rusia strictețea legilor este compensată de neobligația implementării lor - de exemplu, un număr mare de limuzine cu o antenă de spălat de receptoare GPS pe capacul portbagajului circulă prin Moscova. Toate navele maritime mai mult sau mai puțin serioase sunt echipate cu GPS (și o întreagă generație de iahtisti a crescut deja, având dificultăți în navigarea în spațiu folosind o busolă și alte mijloace tradiționale de navigație). Sper că autoritățile nu vor pune o spiță în roțile progresului tehnic și vor legaliza în curând folosirea receptoarelor GPS în țara noastră (au anulat permisiunile pentru telefoane mobile), dar și să dea voie pentru declasificare și replicare. de hărți detaliate ale zonei necesare pentru utilizarea deplină a sistemelor de navigație auto.

Navigația prin satelit GPS a fost mult timp un standard pentru crearea sistemelor de poziționare și este utilizat în mod activ în diverse trackere și navigatoare. În proiectele Arduino, GPS-ul este integrat folosind diverse module care nu necesită cunoașterea fundamentelor teoretice. Dar un inginer adevărat ar trebui să fie interesat să înțeleagă principiul și schema de funcționare a GPS-ului pentru a înțelege mai bine posibilitățile și limitările acestei tehnologii.

Schema de lucru GPS

GPS este un sistem de navigație bazat pe satelit dezvoltat de Departamentul de Apărare al SUA care oferă coordonate precise și ora. Funcționează oriunde în lume în toate condițiile meteorologice. GPS-ul este format din trei părți - sateliți, stații de pe Pământ și receptoare de semnal.

Ideea creării unui sistem de navigație prin satelit a apărut în anii 50 ai secolului trecut. O echipă americană de oameni de știință care observă lansarea sateliților sovietici a observat că pe măsură ce satelitul se apropie, frecvența semnalului crește și scade odată cu distanța sa. Acest lucru a făcut posibil să înțelegem că este posibil să se măsoare poziția și viteza unui satelit, cunoscându-i coordonatele pe Pământ și invers. Lansarea sateliților pe orbita joasă a pământului a jucat un rol imens în dezvoltarea sistemului de navigație. Și în 1973 a fost creat programul DNSS (NavStar), în cadrul acestui program, sateliții au fost lansati pe orbită terestră medie. Programul a primit numele GPS în același 1973.

Sistemul GPS este utilizat în prezent nu numai în domeniul militar, ci și în scopuri civile. Există multe sfere de aplicație GPS:

• Conexiune mobilă;
• Tectonica plăcilor - urmărirea vibrațiilor plăcilor;
• Determinarea activității seismice;
• Urmărirea prin satelit a transportului - puteți monitoriza poziția, viteza de transport și puteți controla mișcarea acestora;
• Geodezie - determinarea limitelor exacte ale terenurilor;
• Cartografie;
• Navigare;
• Jocuri, geoetichetare și alte zone de divertisment.

Cel mai important dezavantaj al sistemului poate fi considerat imposibilitatea recepționării unui semnal în anumite condiții. Frecvențele de operare GPS sunt în intervalul de lungimi de undă decimetrice. Acest lucru duce la faptul că nivelul semnalului poate scădea din cauza norilor înalți, a frunzișului dens al copacilor. Sursele radio, bruiajele și, în cazuri rare, chiar și furtunile magnetice pot interfera cu transmisia normală a semnalului. Precizia determinării datelor se va deteriora în regiunile circumpolare, deoarece sateliții nu se află la înălțime deasupra Pământului.

Navigație fără GPS

Principalul concurent al GPS-ului este sistemul rusesc GLONASS (Global Navigation Satellite System). Sistemul și-a început activitatea cu drepturi depline în 2010; încercări de utilizare activă au fost făcute din 1995. Există mai multe diferențe între cele două sisteme:

• Codări diferite - americanii folosesc CDMA, sistemul rusesc folosește FDMA;
• Diferite dimensiuni ale dispozitivelor - GLONASS folosește un model mai complex, prin urmare, consumul de energie și dimensiunea dispozitivelor cresc;
• Amplasarea și mișcarea sateliților pe orbită - sistemul rus oferă o acoperire mai largă a teritoriului și o determinare mai precisă a coordonatelor și timpului.
• Viața sateliților - Sateliții americani devin de mai bună calitate, astfel încât durează mai mult.

Pe lângă GLONASS și GPS, există și alte sisteme de navigație mai puțin populare - Galileo european și Beidou chinezesc.

Descrierea GPS-ului

Cum funcționează GPS-ul

Sistemul GPS funcționează după cum urmează - receptorul de semnal măsoară întârzierea de propagare a semnalului de la satelit la receptor. Din semnalul primit, receptorul obține date despre locația satelitului. Întârzierea semnalului este înmulțită cu viteza luminii pentru a determina distanța de la satelit la receptor.

Din punct de vedere al geometriei, funcționarea sistemului de navigație poate fi ilustrată astfel: mai multe sfere, în mijlocul cărora se află sateliți, se intersectează și utilizatorul se află în ele. Raza fiecărei sfere este egală în mod corespunzător cu distanța până la acest satelit vizibil. Semnalele de la trei sateliți oferă informații despre latitudine și longitudine, al patrulea satelit oferă informații despre înălțimea unui obiect deasupra suprafeței. Valorile obținute pot fi rezumate într-un sistem de ecuații, din care puteți găsi coordonatele utilizatorului. Astfel, pentru a obține o poziție precisă, este necesar să se efectueze 4 măsurători ale distanțelor până la satelit (dacă excludem rezultate neplauzibile, sunt suficiente trei măsurători).

Ecuațiile obținute sunt corectate prin discrepanța dintre poziția calculată și cea reală a satelitului. Eroarea care apare ca urmare a acestui fapt se numește efemeride și variază de la 1 la 5 metri. Contribuie și interferența, presiunea atmosferică, umiditatea, temperatura, influențele ionosferice și atmosferice. În total, totalitatea tuturor erorilor poate aduce eroarea până la 100 de metri. Unele erori pot fi rezolvate matematic.

Pentru a reduce toate erorile, se utilizează modul diferenţial GPS. În el, receptorul primește prin canal radio toate corecțiile necesare la coordonatele de la stația de bază. Precizia de măsurare finală ajunge la 1-5 metri. În modul diferențial, există 2 metode de corectare a datelor primite - aceasta este corectarea coordonatelor în sine și corectarea parametrilor de navigare. Prima metodă este incomod de utilizat, deoarece toți utilizatorii trebuie să lucreze pe aceiași sateliți. În al doilea caz, complexitatea echipamentului de poziționare în sine crește semnificativ.

Există o nouă clasă de sisteme care mărește precizia de măsurare la 1 cm. Unghiul dintre direcțiile către sateliți are un impact enorm asupra preciziei. La un unghi mare, locația va fi determinată mai precis.

Precizia măsurătorilor poate fi redusă artificial de către Departamentul de Apărare al SUA. Pentru aceasta, pe dispozitivele de navigație este setat un mod special S/A - acces limitat. Modul este conceput pentru scopuri militare, pentru a nu oferi inamicului un avantaj în determinarea coordonatelor exacte. Din mai 2000, regimul de acces restricționat a fost anulat.

Toate sursele de erori pot fi împărțite în mai multe grupuri:

• Eroare de calcul al orbitei;
• Erori la receptor;
• Erori asociate cu reflexiile multiple ale semnalului de la obstacole;
• Ionosferă, întârzieri ale semnalului troposferic;
• Geometria locației sateliților.

Principalele caracteristici

Sistemul GPS include 24 de sateliți artificiali de pământ, o rețea de stații de urmărire la sol și receptoare de navigație. Stațiile de observare sunt necesare pentru determinarea și monitorizarea parametrilor orbitali, calcularea caracteristicilor balistice, ajustarea abaterii de la traiectorii de mișcare, monitorizarea echipamentelor de la bordul navelor spațiale.

Caracteristicile sistemelor de navigație GPS:

• Număr de sateliți - 26, 21 principali, 5 de rezervă;
• Număr de planuri orbitale - 6;
• Altitudinea orbitală - 20.000 km;
• Durata de viață a sateliților este de 7,5 ani;
• Frecvențe de operare - L1 = 1575,42 MHz; L2 = 12275,6 MHz, putere 50 W, respectiv 8 W;
• Fiabilitatea determinării navigației - 95%.

Există mai multe tipuri de receptoare de navigație - portabile, staționare și de aviație. Receptoarele sunt, de asemenea, caracterizate de o serie de parametri:

• Număr de canale - receptoarele moderne folosesc 12 până la 20 de canale;
• Tip antenă;
• Disponibilitatea suportului cartografic;
• Tipul de afișare;
• Funcții suplimentare;
• Diferite caracteristici tehnice - materiale, rezistență, protecție la umiditate, sensibilitate, capacitate de memorie și altele.

Principiul de funcționare al navigatorului în sine - în primul rând, dispozitivul încearcă să comunice cu satelitul de navigație. Imediat ce se stabilește conexiunea, se transmite almanahul, adică informații despre orbitele sateliților aflați în cadrul aceluiași sistem de navigație. Comunicarea doar cu un satelit nu este suficientă pentru a obține o poziție precisă, așa că sateliții rămași își transmit efemeridele către navigator, ceea ce este necesar pentru a determina abaterile, coeficienții de perturbație și alți parametri.

Pornire rece, caldă și caldă a navigatorului GPS

După pornirea navigatorului pentru prima dată sau după o pauză lungă, începe o lungă așteptare pentru primirea datelor. Timpul lung de așteptare se datorează faptului că almanahul și efemeridele lipsesc sau sunt depășite în memoria navigatorului, astfel încât dispozitivul trebuie să efectueze o serie de acțiuni pentru a primi sau actualiza date. Timpul de așteptare, sau așa-numitul timp de pornire la rece, depinde de diverși indicatori - calitatea receptorului, starea atmosferei, zgomot, numărul de sateliți la vedere.

Pentru a începe, navigatorul trebuie să:

• Găsiți un satelit și stabiliți comunicarea cu acesta;
• Primește un almanah și păstrează-l în memorie;
• Primește efemeride de la satelit și salvează-le;
• Găsiți încă trei sateliți și stabiliți contact cu aceștia, primiți efemeride de la ei;
• Calculați coordonatele folosind efemeride și pozițiile satelitului.

Abia după parcurgerea întregului ciclu, dispozitivul va începe să funcționeze. Această lansare se numește pornire la rece.

O pornire la cald este semnificativ diferită de o pornire la rece. Memoria navigatorului conține deja actualul almanah și efemeride. Datele almanahului sunt valabile 30 de zile, datele efemeride - 30 de minute. De aici rezultă că dispozitivul a fost oprit pentru o perioadă scurtă de timp. Cu o pornire la cald, algoritmul va fi mai simplu - dispozitivul stabilește o conexiune cu satelitul, actualizează efemeridele dacă este necesar și calculează locația.

Există un început cald - caz în care almanahul este la zi și efemeridele trebuie actualizate. Acest lucru durează puțin mai mult decât o pornire la cald, dar mult mai puțin decât una rece.

Restricții privind achiziționarea și utilizarea modulelor GPS de casă

Legislația rusă cere producătorilor să reducă acuratețea detectării receptorilor. Lucrarea cu o precizie grosieră poate fi efectuată numai dacă utilizatorul are o licență de specialitate.

Sub interdicția în Federația Rusă există mijloace tehnice speciale destinate obținerii în secret de informații (STS NPI). Acestea includ trackere GPS, care sunt folosite pentru a controla în secret mișcarea vehiculelor și a altor obiecte. Principala caracteristică a unui dispozitiv tehnic ilegal este secretul acestuia. Prin urmare, înainte de a cumpăra un dispozitiv, trebuie să studiați cu atenție caracteristicile, aspectul, pentru prezența funcțiilor ascunse și, de asemenea, să vedeți certificatele de conformitate necesare.

De asemenea, este important sub ce formă este vândut dispozitivul. Este posibil ca dispozitivul dezasamblat să nu aparțină STS NPI. Dar atunci când este asamblat, dispozitivul finit poate fi deja clasificat ca interzis.

Unul dintre cele mai mari două sisteme globale de poziționare prin satelit - GPS - poate fi utilizat într-un format standard sau ca serviciu A-GPS. Care sunt principalele caracteristici ale acestor tehnologii?

Date despre GPS

sistem GPS este conceput pentru a determina coordonatele geografice ale unui obiect pe care se află un receptor, navigator sau alt dispozitiv capabil să primească semnale GPS de la un satelit. Acest sistem presupune utilizarea standardului WGS 84, care permite în măsurători tridimensionale să se determine coordonatele unui obiect de pe suprafața Pământului cu o precizie de 2 cm. În plus, navigarea folosind tehnologia GPS vă permite și măsurarea vitezei. de mișcare a unui receptor sau a unui dispozitiv similar pe suprafața Pământului.

Fapte A-GPS

Tehnologia A-GPS completează standardul GPS în mai multe aspecte simultan. În primul rând, în ceea ce privește accelerarea funcționării receptoarelor folosite în navigație. Cert este că determinarea coordonatelor doar prin sateliți implică o încărcare semnificativă a resurselor hardware ale acestui dispozitiv. Dar dacă îi oferiți receptorului posibilitatea de a utiliza surse auxiliare de determinare a locației sale (cele utilizate în infrastructura A-GPS), atunci va funcționa mult mai rapid.

Un navigator GPS care acceptă tehnologia A-GPS se încarcă mult mai repede decât dispozitivele care nu sunt compatibile cu standardul corespunzător. În plus, A-GPS poate îmbunătăți semnificativ stabilitatea urmăririi continue a coordonatelor receptorului: semnalul de la satelit nu este întotdeauna stabil (mai ales în condiții urbane), iar utilizarea canalelor auxiliare pentru determinarea locației navigatorului în acest simțul poate deveni o condiție critică pentru ca receptorul să își îndeplinească funcțiile personalizate.

Ce canale auxiliare specifice pentru determinarea coordonatelor navigatorului sunt folosite atunci când se utilizează tehnologia A-GPS? De regulă, acesta este Internetul mobil care utilizează tehnologia 3G sau 4G. În unele cazuri, este potrivită și o conexiune prin Wi-Fi.

Dacă canalele 3G, 4G sau Wi-Fi nu sunt disponibile, atunci determinarea coordonatelor poate fi efectuată prin stațiile de bază ale operatorilor celulari. Adevărat, această metodă are o precizie relativ scăzută - până la 20 de metri, adesea - câteva sute de metri.

Comparaţie

Principala diferență dintre GPS și A-GPS este că prima tehnologie implică determinarea coordonatelor geografice ale navigatorului prin satelit, a doua - prin canale alternative (3G, 4G, Wi-Fi, stații de bază ale operatorilor).

Un receptor care acceptă standardul A-GPS pornește de obicei mult mai rapid decât un dispozitiv care acceptă doar canale GPS „clasice”. Acest lucru este posibil datorită primirii prompte a coordonatelor și, în unele cazuri, și a actualizării hărților prin internet sau canale celulare.

In plus, un navigator compatibil cu tehnologia A-GPS isi poate indeplini functiile in cazurile in care semnalul de la satelit este foarte slab sau deloc prezent. Desigur, numai dacă funcționează canalele alternative pentru obținerea coordonatelor dispozitivului.

După ce am stabilit care este diferența dintre GPS și A-GPS, să stabilim concluziile din tabel.

Din ce în ce mai des, smartphone-urile sunt folosite de proprietarii lor ca navigatori, deoarece este foarte convenabil să aveți întotdeauna la îndemână un dispozitiv compact care le permite să-și determine locația sau să traseze o rută către obiectul dorit.

Comunică cu sateliții aflați pe orbită, primește un semnal de la aceștia și își arată coordonatele pe hartă. Uneori, din cauza diverselor circumstanțe, găsirea sateliților disponibili poate fi dificilă și durează mult. Acest lucru se întâmplă în clădiri, tuneluri și în apropierea surselor de radiații electromagnetice. Chiar și în aer liber, în orașele dens construite, pot apărea întreruperi ale semnalului prin satelit.

Pentru a remedia această situație se folosește funcția A-GPS, care se găsește la majoritatea smartphone-urilor moderne.

Tehnologia A-GPS

A-GPS este o tehnologie care oferă modulului GPS informații suplimentare despre cei mai accesibili sateliți și puterea semnalului acestora. Când navigarea este activată, smartphone-ul își determină aproape instantaneu locația pe hartă, iar căutarea sateliților este posibilă chiar și în camere închise, iar podelele nu reprezintă un obstacol.

Lansarea cu succes a A-GPS a avut loc în Statele Unite în toamna anului 2001, ca parte a rețelelor de comunicații ale serviciului național de salvare (911).

Cum funcționează A-GPS?

Această tehnologie folosește canale de comunicare alternative pentru a obține informații actualizate. În cazul smartphone-urilor noastre, acesta este internetul oferit de un operator de telefonie mobilă sau prin Wi-Fi.

A-GPS comunică cu serverele sale, transmițând informații despre locație, care este determinată de stațiile de bază (turnuri) ale operatorului. Ca răspuns, aceste servere primesc mesaje noi despre sateliții activi din zonă. Folosindu-le, modulul de geolocalizare al smartphone-ului stabilește rapid comunicarea cu sateliții necesari, fără a pierde timpul căutând pe toți la rând. Cu cât sunt mai multe stații de bază în jurul smartphone-ului sau cu cât utilizatorul este mai aproape de turnul celular, cu atât mai precis este înregistrată locația smartphone-ului, ceea ce înseamnă că informațiile despre sateliții disponibili sunt mai precise.

Avantaje și dezavantaje ale A-GPS

După cum putem vedea, beneficiile de a avea A-GPS sunt incontestabile. Aceasta este o stabilire rapidă a comunicării cu sateliții și economisirea bateriei, deoarece în timpul pornirii la rece și la căutarea semnalelor, modulul GPS consumă intens bateria. În același timp, comunicarea cu serverele consumă foarte puțin trafic de internet - până la 10 kiloocteți per sesiune. Este important ca A-GPS să nu necesite intervenția utilizatorului, iar datele să fie actualizate automat după cum este necesar.

Dar această funcție are și dezavantaje, deși minore. Nu va oferi o comunicare rapidă cu sateliții în zonele cu deficit de turnuri de telefonie mobilă sau absența acestora. Prin urmare, departe de civilizație, A-GPS este inutil.

În ciuda consumului modest de internet, actualizările frecvente regulate și sincronizarea A-GPS vor duce la o creștere a traficului. Iar atunci când sunteți în roaming, în special internațional, costurile de comunicare pot crește semnificativ.

Cum activez și dezactivez A-GPS?

La activarea functiei "Geodata" (GPS-navigation, geolocalizare), smartphone-ul ofera sa selecteze metoda de determinare. Utilizatorul poate prefera conservarea bateriei sau precizia geolocalizării. De obicei, sunt disponibile următoarele metode (numele elementelor din meniu pot varia în funcție de versiunea Android și de producătorul telefonului):

• Toată sursă (înaltă fidelitate). Determinarea locației se realizează folosind GPS, Wi-Fi și traficul de internet al rețelelor mobile. Tehnologia A-GPS este activă.
• După coordonatele rețelei (economisirea încărcării bateriei). Locația poate fi descoperită folosind Wi-Fi și rețelele mobile. GPS dezactivat, A-GPS activ.
• Sateliți GPS (numai pentru dispozitiv). Determinarea poziției exclusiv de către sateliți fără a utiliza canale de comunicație suplimentare. Tehnologia A-GPS este dezactivată.

Tehnologia A-GPS este esențială pentru navigarea normală pe smartphone și poate fi utilizată în mod regulat.