Содержание
Спу́тниковая систе́ма навига́ции (англ. Global Navigation Satellite System, GNSS, ГНСС) — система, предназначенная для определения местоположения (географических координат) наземных, водных и воздушных объектов. Спутниковые системы навигации также позволяют получить скорости и направления движения приёмника сигнала. Кроме того, могут использоваться для получения точного времени. Такие системы состоят из космического оборудования и наземного сегмента (систем управления). В настоящее время только две спутниковые системы обеспечивают полное и бесперебойное покрытие земного шара — GPS и ГЛОНАСС.
Содержание
Принцип работы
Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел — мгновенно использует его. Каждый спутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.
Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на том, что скорость распространения радиоволн предполагается известной (на самом деле этот вопрос крайне сложный, на скорость влияет множество слабопредсказуемых факторов, таких как характеристики ионосферного слоя и пр.). Для осуществления возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляются на основе измерения времени, которое объект затратил на перемещение между двумя или более точками с определёнными координатами.
Основные элементы
Основные элементы спутниковой системы навигации:
- орбитальная группировка спутников, излучающих специальные радиосигналы;
- наземная система управления и контроля (наземный сегмент), включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах;
- аппаратура потребителя спутниковых навигационных систем («спутниковые навигаторы»), используемая для определения координат;
- опционально: наземная система радиомаяков, позволяющая значительно повысить точность определения координат; [1]
- опционально: информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат [2] .
Примечания к списку:
1 Является наземным (неотъемлемым) сегментом для Системы дифференциальной коррекции (ССДК) 2 С середины 2010-х, является неотъемлемой частью ГНСС.
Обзор спутниковых систем навигации
Исторические системы
- Transit — первая в мире спутниковая навигационная система, США, 1960-е — 1996.
- Циклон — первая спутниковая система навигации в СССР [1] , 1976—2010.
- Цикада — низкоорбитальная «космическая навигационная система»* (КНС) — гражданский вариант морской спутниковой навигационной системы «Циклон», аналог Transit — 1976—2008 гг.
- Парус — низкоорбитальная КНС (именно с таким названием была принята на вооружение в 1976 г.) — серия российских (советских) навигационных спутников военного назначения.
Действующие спутниковые системы
- GPS — принадлежит министерству обороны США. Этот факт, по мнению некоторых государств, является её главным недостатком. Устройства, поддерживающие навигацию по GPS, являются самыми распространёнными в мире. Также известна под более ранним названием NAVSTAR.
- ГЛОНАСС — принадлежит министерству обороны РФ. Разработка системы официально началась в 1976 г., полное развёртывание системы завершилось в 1995 г. После 1996 года спутниковая группировка сокращалась и к 2002 году пришла в упадок. Была восстановлена к концу 2011 г. В настоящее время на орбите находится 27 спутников, из которых 22 используется по назначению [2] . К 2025 году предполагается глубокая модернизация системы.
- DORIS — французская навигационная система. Принцип работы системы связан с применением эффекта Допплера. В отличие от других спутниковых навигационных систем основана на системе стационарных наземных передатчиков, приёмники расположены на спутниках. После определения точного положения спутника система может установить точные координаты и высоту маяка на поверхности Земли. Первоначально предназначалась для наблюдения за океанами и дрейфом материков.
- Be >[3] .
Действующие региональные спутниковые системы
- IRNSS — индийская навигационная спутниковая система, в состоянии разработки. Предполагается для использования только в Индии. Первый спутник был запущен в 2008 году. Общее количество спутников системы IRNSS — 7.
- QZSS — японская квази-зенитная спутниковая система (Quasi-Zenith Satellite System, QZSS) была задумана в 2002 г. как коммерческая система с набором услуг для подвижной связи, вещания и широкого использования для навигации в Японии и соседних районах Юго-Восточной Азии. Первый QZSS-спутник был запущен в 2010 г. Предполагается создание группировки из трёх спутников, находящихся на геосинхронных орбитах, а также собственной системы дифференциальной коррекции.
Применение систем навигации
Кроме навигации, координаты, получаемые благодаря спутниковым системам, используются в следующих отраслях:
- Геодезия: с помощью систем навигации определяются точные координаты точек
- Навигация: с применением систем навигации осуществляется как морская, так и дорожная навигация
- Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью систем навигации ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением
- Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах (например, США) это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В России в 2010 году начата реализация аналогичного проекта — Эра-ГЛОНАСС.
- Тектоника, тектоника плит: с помощью систем навигации ведутся наблюдения движений и колебаний плит
- Активный отдых: существуют различные игры, где применяются системы навигации, например, Геокэшинг и др.
- Геотегинг: информация, например фотографии «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам
Основные характеристики систем навигационных спутников
| параметр, способ | GPS NAVSTAR | СРНС ГЛОНАСС | TEN GALILEO | BDS COMPASS |
|---|---|---|---|---|
| Начало разработки | 1973 | 1976 | 2001 | 1983 |
| Первый запуск | 22 Февраля 1978 | 12 Октября 1982 | 28 Декабря 2005 | 30 октября 2000 |
| Число НС (резерв) | 24 (3) | 24 (3) | 27 (3) | 30 (5) |
| Число орбитальных плоскостей | 6 | 3 | 3 | 3 |
| Число НС в орбитальной плоскости (резерв) | 4 | 8 (1) | 9 (1) | 9 |
| Тип орбит | Круговая | Круговая (e=0±0.01) | Круговая | Круговая |
| Высота орбиты (расчетная), км | 20183 | 19100 | 23224 | 21528 |
| Наклонение орбиты, градусы |
55 (63) |
64.8±0.3 | 56 | |
| Номинальный период обращения по среднему солнечному времени | 11 ч 15 мин 44 ± 5 с | 14 ч 4 мин. и 42 с. | 12 ч 53 мин 24 | |
| Характеристики сигнала | CDMA | FDMA (CDMA планируется) | CDMA | CDMA |
| Способ разделения сигналов НС | Кодовый | Кодово-частотный (кодовый на испытаниях) | Кодово-частотный | нет данных |
| число частот | 2 + 1 планируется | 24 + 12 планируется | 5 | 2 + 1 планируется |
| Несущие частоты радиосигналов, МГц | L1=1575.42 | L1=1602.5625…1615.5 L2=1246.4375…1256.5
L3= 1207,2420. 1201,7430 сигнал L5 на частоте 1176,45 МГц (планируется) |
E1=1575.42 (L1)
E5=1191.795 E5A=1176.46 (L5) E5B=1207.14 E6=12787.75 |
B1=1575,42 (L1)
B2=1191,79 (E5) B3=1268,52 B1-2=1589,742 B1-2=1589,742 B1=1561,098 B2=1207,14 B3=1268,52 |
| Период повторения дальномерного кода (или его сегмента) | 1 мс (С/А-код) | 1 мс | нет данных | нет данных |
| Тип дальномерного кода | Код Голда (С/А-код 1023 зн.) | М-последовательность (СТ-код 511 зн.) | М-последовательность | нет данных |
| Тактовая частота дальномерного кода, МГц | 1.023 (С/А-код) 10.23 (P,Y-код) | 0.511 | Е1=1.023 E5=10.23 E6=5.115 | нет данных |
| Скорость передачи цифровой информации(соответственно СИ- и D- код) | 50 зн/с (50Гц) | 50 зн/с (50Гц) | 25, 50, 125, 500, 100 Гц | 50/100 25/50 |
| Длительность суперкадра, мин | 12.5 | 2.5 | 5 | нет данных |
| Число кадров в суперкадре | 25 | 5 | нет данных | нет данных |
| Число строк в кадре | 5 | 15 | нет данных | нет данных |
| Система отсчета времени | UTC (USNO) | UTC (SU) | UTC (GST) | UTC (BDT) |
| Система отсчета координат | WGS-84 | ПЗ-90/ПЗ-90.02/ПЗ-90.11 | ETRF-00 | CGCS -2000 |
| Тип эфемирид | Модифицированные кеплеровы элементы | Геоцентрические координаты и их производные | Модифицированные кеплеровы элементы | нет данных |
| Сектор излучения от направления на центр земли | L1=±21 в 0 L2=±23.5 в 0 | ±19 в 0 | нет данных | нет данных |
| Сектор Земли | ±13.5 в 0 | ±14.1 в 0 | нет данных | нет данных |
| Система дифференциальной коррекции | WAAS | СДКМ | EGNOS | SNAS |
| Высокоорбитальные Геосинхронный Сегмент | нет | ведутся НИР | ведутся НИР | 3 НС |
| Геостационарный сегмент | нет | ведутся НИР | ведутся НИР | 5 НС |
| Точность | 5м (без DGPS) | 4.5м – 7.4м (без DGPS) | 1м (Открытый Сигнал), 0.01м (Закрытый) | 10м (Открытый Сигнал), 0.1м (Закрытый) |
Дифференциальное измерение
Отдельные модели спутниковых приёмников позволяют производить т. н. «дифференциальное измерение» расстояний между двумя точками с большой точностью (сантиметры). Для этого измеряется положение навигатора в двух точках с небольшим промежутком времени. При этом, хотя каждое такое измерение имеет погрешность, равную 10-15 метров без наземной системы корректировки и 10-50 см с такой системой, измеренное расстояние имеет погрешность намного меньшую, так как факторы, мешающие измерению (погрешность орбит спутников, неоднородность атмосферы в данном месте Земли и т. д.) в этом случае взаимно вычитаются.
Кроме того, есть несколько систем, которые посылают потребителю уточняющую информацию («дифференциальную поправку к координатам»), позволяющую повысить точность измерения координат приёмника до 10 сантиметров. Дифференциальная поправка пересылается либо с геостационарных спутников, либо с наземных базовых станций, может быть платной (расшифровка сигнала возможна только одним определённым приёмником после оплаты «подписки на услугу») или бесплатной.
На 2009 год имелись следующие бесплатные системы предоставления поправок: американская система WAAS (GPS), европейская система EGNOS (Galileo), японская система MSAS (QZSS) [4] . Они основаны на нескольких передающих поправки геостационарных спутниках, позволяющих получить высокую точность (до 30 см).
Создание системы коррекции для ГЛОНАСС под названием СДКМ завершено к 2016.
GPS — это слово знакомо практически всем, кто-то имеет представление о его значении, но далеко не каждый может точно представить как оно устроено и работет. В статье Вы найдёте ответы на общие вопросы и сможете разобраться как работает эта система.
Для начала, GPS — это система глобального позиционирования (Global Positioning System) позволяющая однозначно и достаточно точно определить местоположение объекта на планете.
Навигационная система входит в состав военного комплекса США — NAVSTAR, который был начат в 1973 году. Первый спутник NAVSTAR был выведен на орбиту в 1974 году а последний из 24 необходимых спутников для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993. Гражданский сегмент военной спутниковой сети NAVSTAR принято называть аббревиатурой GPS, коммерческая эксплуатация началась в 1995 году.
1 мая 2000 года мин обороны США отменило особые условия пользования системой. Американцы выключили помеху, снижающую точность гражданских устройств, после чего точность определения координат с помощью бытовых навигаторов возросла более чем в 5 раз и составила от 5 до 20 метров (высота до 10 метров) Точность зависит от условий приема сигналов в конкретной точке, количества видимых спутников и ряда других причин. Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала где-то с 6-8 спутников. Большинство современных приёмников имеют 12-канальный приемник, обрабатывающий информацию от 12 спутников. Точность военных приёмников доходит до нескольких миллиметров.
Ядро GPS составляют спутники навигации, которые двигаются вокруг Земли по 6 орбитальным траекториям на высоте в 20180км. 24 спутника обеспечивают сто процентную работоспособность системы в любой точке планеты 24 часа в сутки. Следят за спутниками с главной управляющей станции на базе ВВС Шривер, шт. Колорадо, США. Оттуда и осуществляется управление системой в мировом масштабе.
Наземная часть GPS состоит из десяти станций слежения, которые находятся на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесения, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане, а также в Колорадо-Спрингс, в мысе Канаверел, шт. Флорида и т.д.. При этом Количество наземных станций непрерывно растет. Информация со станций наблюдения обрабатывается на главной управляющей станции MCS и используется для обновления эфемерид спутников. Загрузка навигационных данных, состоящих из прогнозированных орбит и поправок часов, производится для каждого спутника каждые 24 часа.
Основой определения положения приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых известно. Определение местоположения приёмника в пространстве осуществляется с использованием алгоритма измерения расстояния от точки наблюдения до спутника. Измерение расстояния основано на вычислении расстояния по задержке времени распространения радиосигнала от спутника к GPS приемнику. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко найти. Приёмники работают в пассивном режиме и вычисляют свои координаты, но это совсем не означает, что координаты GPS-приёмника будут известны кому либо, кроме его владельца. Каждый спутник непрерывно генерирует радиоволны двух частот — L1=1575.42МГц и L2=1227.60МГц. Каждый приемник имеет собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, по задержке времени между одинаковыми участками кода сигналов, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние от устройства до спутника.
Основная проблема при вычислении расстояния до спутника связанна с синхронизацией часов на GPS спутнике и в приемнике. Даже мизерная погрешность может привести к огромной ошибке в определении расстояния объекта. Каждый GPS спутник несет на борту высокоточные атомные часы, которые встроить в обычный GPS приёмник невозможно. Чтобы сгладить временное рассогласование и избежать огромных ошибок в определении местоположения, в GPS введен принцип избыточности для определения 3d координат на поверхности Земли. Приёмник использует сигналы не трех, а как минимум четырех спутников и на основании вспомогательных сигналов вносит все необходимые коррективы в работу своих часов. Кроме навигационных сигналов, спутник непрерывно передает различную служебную информацию. Gриёмник получает, например, эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере, а также сведения о работоспособности спутника. Эти данные передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.
Теперь объясним, как вычисляются координаты приёмника. Расстояние от GPS устройства до навигационных спутников обозначим как А, В и С. Когда известно расстояние А до одного спутника координаты приемника определить нельзя, т.к. он может находится в любой точке сферы с радиусом А, описанной вокруг спутника. Если известно В приемника до второго спутника, то определение координат также не представляется возможным — объект находится где-то на окружности, которая является пересечением двух сфер. При известном С до третьего спутника сокращается неопределенность в координатах до двух точек. Этого уже достаточно для однозначного определения координат приемника. Не смотря на то, что мы имеем две точки с координатами, только одна находится на поверхности Земли, а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, для трехмерной GPS навигации достаточно знать расстояния от приемника до трех спутников, но как мы уже говорили GPS-приемник, использует сигналы не трех, а как минимум четырех спутников и на основании вспомогательных сигналов вносит все необходимые коррективы для повышения точности навигации.
Сегодня область применения системы глобального позиционирования достаточно велика. Всё чаще GPS-приемники встраивают в мобильные телефоны, в автомобили, часы и прочие объекты.
-
Недостатками навигации является в первую очередь то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до приёмника, поэтому невозможно определить своё точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания или в тоннеле.
Рабочая частота сигнала находится в дециметровом диапазоне радиоволн, следовательно уровень приёма сигнала от спутников может ухудшиться под плотной листвой деревьев, в районах с плотной городской застройкой или из-за сильной облачности, что скажется на точности позиционирования. Магнитные бури и наземные радиоисточники тоже способны помешать нормальному приёму сигналов.
Карты, предназначенные для GPS навигации, быстро устаревают и не всегда соответствуют действительности.
Немного истории.
Как нередко бывает с высокотехнологичными проектами, инициаторами разработки и реализации системы GPS (Global Positioning System – система глобального позиционирования) стали военные. Проект спутниковой сети для определения координат в режиме реального времени в любой точке земного шара был назван Navstar (Navigation system with timing and ranging – навигационная система определения времени и дальности), тогда как аббревиатура GPS появилась позднее, когда система стала использоваться не только в оборонных, но и в гражданских целях.
Первые шаги по развертыванию навигационной сети были предприняты в середине семидесятых, коммерческая же эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась с 1995 года. В настоящий момент в работе находятся 28 спутников, равномерно распределенных по орбитам с высотой 20350 км (для полнофункциональной работы достаточно 24 спутников).
Несколько забегая вперед, скажу, что поистине ключевым моментом в истории GPS стало решение президента США об отмене с 1 мая 2000 года режима так называемого селективного доступа (SA – selective availability) – погрешности, искусственно вносимой в спутниковые сигналы для неточной работы гражданских GPS-приемников. С этого момента любительский терминал может определять координаты с точностью в несколько метров (ранее погрешность составляла десятки метров)! На рис.1 представлены ошибки в навигации до и после отключения режима селективного доступа (данные U.S. Space Command ).
Рис1.
Попробуем разобраться в общих чертах, как устроена система глобального позиционирования, а потом коснемся ряда пользовательских аспектов. Рассмотрение же начнем с принципа определения дальности, лежащего в основе работы космической навигационной системы.
Алгоритм измерения расстояния от точки наблюдения до спутника.
Дальнометрия основана на вычислении расстояния по временной задержке распространения радиосигнала от спутника к приемнику. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить, просто умножив время на скорость света.
Каждый спутник системы GPS непрерывно генерирует радиоволны двух частот – L1=1575.42МГц и L2=1227.60МГц. Мощность передатчика составляет 50 и 8 Ватт соответственно. Навигационный сигнал представляет собой фазовоманипулированный псевдослучайный код PRN (Pseudo Random Number code). PRN бывает двух типов: первый, C/A-код (Coarse Acquisition code – грубый код) используется в гражданских приемниках, второй Р-код (Precision code – точный код), используется в военных целях, а также, иногда, для решения задач геодезии и картографии. Частота L1 модулируется как С/А, так и Р-кодом, частота L2 существует только для передачи Р-кода. Кроме описанных, существует еще и Y-код, представляющий собой зашифрованный Р-код (в военное время система шифровки может меняться).
Период повторения кода довольно велик (например, для P-кода он равен 267 дням). Каждый GPS-приемник имеет собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, по времени задержки между одинаковыми участками кода, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние до спутника.
Одной из основных технических сложностей описанного выше метода является синхронизация часов на спутнике и в приемнике. Даже мизерная по обычным меркам погрешность может привести к огромной ошибке в определении расстояния. Каждый спутник несет на борту высокоточные атомные часы. Понятно, что устанавливать подобную штуку в каждый приемник невозможно. Поэтому для коррекции ошибок в определении координат из-за погрешностей встроенных в приемник часов используется некоторая избыточность в данных, необходимых для однозначной привязки к местности (подробней об этом чуть позже).
Кроме самих навигационных сигналов, спутник непрерывно передает разного рода служебную информацию. Приемник получает, например, эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере (так как скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), а также сведения о работоспособности спутника (так называемых "альманах", содержащий обновляемые каждые 12.5 минут сведения о состоянии и орбитах всех спутников). Эти данные передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.
Общие принципы определения координат с помощью GPS.
Основой идеи определения координат GPS-приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным (эти данные содержатся в принятом со спутника альманахе). В геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами называется трилатерацией. 
Рис2.
Если известно расстояние А до одного спутника, то координаты приемника определить нельзя (он может находится в любой точке сферы радиусом А, описанной вокруг спутника). Пусть известна удаленность В приемника от второго спутника. В этом случае определение координат также не представляется возможным – объект находится где-то на окружности (она показана синим цветом на рис.2), которая является пересечением двух сфер. Расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек (обозначены двумя жирными синими точками на рис.2). Этого уже достаточно для однозначного определения координат – дело в том, что из двух возможных точек расположения приемника лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близи от нее), а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, теоретически для трехмерной навигации достаточно знать расстояния от приемника до трех спутников.
Однако в жизни все не так просто. Приведенные выше рассуждения были сделаны для случая, когда расстояния от точки наблюдения до спутников известны с абсолютной точностью. Разумеется, как бы ни изощрялись инженеры, некоторая погрешность всегда имеет место (хотя бы по указанной в предыдущем разделе неточной синхронизации часов приемника и спутника, зависимости скорости света от состояния атмосферы и т.п.). Поэтому для определения трехмерных координат приемника привлекаются не три, а минимум четыре спутника.
Получив сигнал от четырех (или больше) спутников, приемник ищет точку пересечения соответствующих сфер. Если такой точки нет, процессор приемника начинает методом последовательных приближений корректировать свои часы до тех пор, пока не добьется пересечения всех сфер в одной точке.
Следует отметить, что точность определения координат связана не только с прецизионным расчетом расстояния от приемника до спутников, но и с величиной погрешности задания местоположения самих спутников. Для контроля орбит и координат спутников существуют четыре наземных станции слежения, системы связи и центр управления, подконтрольные Министерству Обороны США. Станции слежения постоянно ведут наблюдения за всеми спутниками системы и передают данные об их орбитах в центр управления, где вычисляются уточнённые элементы траекторий и поправки спутниковых часов. Указанные параметры вносятся в альманах и передаются на спутники, а те, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим приемникам.
Кроме перечисленных, существует еще масса специальных систем, увеличивающих точность навигации, – например, особые схемы обработки сигнала снижают ошибки от интерференции (взаимодействия прямого спутникового сигнала с отраженным, например, от зданий). Мы не будем углубляться в особенности функционирования этих устройств, чтобы излишне не осложнять текст.
После отмены описанного выше режима селективного доступа гражданские приемники "привязываются к местности" с погрешностью 3-5 метров (высота определяется с точностью около 10 метров). Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников (большинство современных аппаратов имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников).
Качественно уменьшить ошибку (до нескольких сантиметров) в измерении координат позволяет режим так называемой дифференциальной коррекции (DGPS – Differential GPS). Дифференциальный режим состоит в использовании двух приемников – один неподвижно находится в точке с известными координатами и называется "базовым", а второй, как и раньше, является мобильным. Данные, полученные базовым приемником, используются для коррекции информации, собранной передвижным аппаратом. Коррекция может осуществляться как в режиме реального времени, так и при "оффлайновой" обработке данных, например, на компьютере.
Обычно в качестве базового используется профессиональный приемник, принадлежащий какой-либо компании, специализирующейся на оказании услуг навигации или занимающейся геодезией. Например, в феврале 1998 года недалеко от Санкт-Петербурга компания "НавГеоКом" установила первую в России наземную станцию дифференциального GPS. Мощность передатчика станции – 100 Ватт (частота 298,5 кГц), что позволяет пользоваться DGPS при удалении от станции на расстояния до 300 км по морю и до 150 км по суше. Кроме наземных базовых приемников, для дифференциальной коррекции GPS-данных можно использовать спутниковую систему дифференциального сервиса компании OmniStar. Данные для коррекции передаются с нескольких геостационарных спутников компании.
Следует заметить, что основными заказчиками дифференциальной коррекции являются геодезические и топографические службы – для частного пользователя DGPS не представляет интереса из-за высокой стоимости (пакет услуг OmniStar на территории Европы стоит более 1500 долларов в год) и громоздкости оборудования. Да и вряд ли в повседневной жизни возникают ситуации, когда надо знать свои абсолютные географические координаты с погрешностью 10-30 см.
В заключение части, повествующей о "теоретических" аспектах функционирования GPS, скажу, что Россия и в случае с космической навигацией пошла своим путем и развивает собственную систему ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Но из-за отсутствия должных инвестиций в настоящее время на орбите находятся лишь семь спутников из двадцати четырех, необходимых для нормального функционирования системы…
Краткие субъективные заметки пользователя GPS.
Так уж получилось, что о возможности определять свое местоположение с помощью носимого приборчика размерами с сотовый телефон я узнал году в девяносто седьмом из какого-то журнала. Однако замечательные перспективы, нарисованные авторами статьи, были безжалостно разбиты заявленной в тексте ценой навигационного аппарата – почти 400 долларов!
Года через полтора (в августе 1998) судьба занесла меня в маленький спортивный магазинчик в американском городе Бостон. Какого же было мое удивление и радость, когда на одной из витрин я случайно заметил несколько разных навигаторов, самый дорогой из которых стоил 250 долларов (простенькие же модели предлагались за $99). Конечно, уйти из магазина без прибора я уже не мог, поэтому принялся пытать продавцов о характеристиках, преимуществах и недостатках каждой модели. Ничего вразумительного от них я не услышал (и отнюдь не из-за того, что плохо знаю английский), так что пришлось разбираться во всем самому. И в результате, как это нередко бывает, была приобретена самая продвинутая и дорогая модель – Garmin GPS II+, а также специальный чехол к ней и шнур для питания от гнезда прикуривателя автомобиля. В магазине имелось еще два аксессуара для теперь уже моего аппарата – устройство для крепления навигатора на велосипедном руле и шнур для соединения с РС. Последний я долго крутил в руках, но, в конце концов, все же решил не покупать из-за немалой цены (немногим более 30 долларов). Как потом оказалось, шнур я не купил совершенно правильно, ибо все взаимодействие прибора с компьютером сводится к "сливке" в ЭВМ пройденного маршрута (а также, думаю, координат в режиме реального времени, но насчет этого есть определенные сомнения), да и то при условии покупки софта от Garmin. Возможность загружать в прибор карты, к сожалению, отсутствует.
Давать подробное описание своего прибора я не буду хотя бы потому, что он уже снят с производства (желающие ознакомиться с подробной технической характеристикой могут сделать это здесь ). Замечу лишь, что вес навигатора – 255 гр., размеры – 59х127х41 мм. Благодаря своему треугольному сечению аппарат исключительно устойчиво располагается на столе или панели приборов автомобиля (для более прочной фиксации в комплект входит липучка Velcro). Питание осуществляется от четырех пальчиковых батареек АА (их хватает лишь на 24 часа непрерывной работы) или внешнего источника. Попробую рассказать об основных возможностях моего прибора, которые, думаю, имеет подавляющее большинство присутствующих на рынке навигаторов.
С первого взгляда GPS II+ можно принять за мобильный телефон, выпущенный пару лет назад. Лишь только присмотревшись, замечаешь необычно толстую антенну, огромный дисплей (56х38 мм!) и малое, по телефонным меркам, количество клавиш.
При включении прибора начинается процесс сбора информации со спутников, а на экране появляется простенькая мультипликация (вращающийся земной шар). После первоначальной инициализации (которая в открытом месте занимает пару минут) на дисплее возникает примитивная карта неба с номерами видимых спутников, а рядом – гистограмма, свидетельствующая об уровне сигнала от каждого спутника. Кроме того, указывается погрешность навигации (в метрах) – чем больше спутников видит прибор, тем, разумеется, точнее будет определение координат.
Интерфейс GPS II+ построен по принципу "перелистываемых" страниц (для этого даже есть специальная кнопка PAGE). Выше была описана "страница спутников", а кроме нее, есть "страница навигации", "карта", "страница возврата", "страница меню" и ряд других. Следует заметить, что описываемый аппарат не русифицирован, однако даже с плохим знанием английского можно понять его работу.
На странице навигации отображаются: абсолютные географические координаты, пройденный путь, мгновенная и средняя скорости движения, высота над уровнем моря, время движения и, в верхней части экрана, электронный компас. Надо сказать, что высота определяется с гораздо большей погрешностью, чем две горизонтальные координаты (на этот счет есть даже специальная ремарка в руководстве пользователя), что не позволяет использовать GPS, например, для определения высоты парапланеристами. Зато мгновенная скорость вычисляется исключительно точно (особенно для быстродвижущихся объектов), что дает возможность использовать прибор для определения скорости снегоходов (спидометры которых имеют обыкновение значительно врать). Могу дать "вредный совет" – взяв напрокат автомобиль, отключите его спидометр (чтобы он насчитал поменьше километров – ведь оплата зачастую пропорциональна пробегу), а скорость и пройденное расстояние определяйте по GPS (благо он может вести измерения как в милях, так и в километрах).
Средняя скорость движения определяется по несколько странному алгоритму – время простоя (когда мгновенная скорость равна нулю) в вычислениях не учитывается (более логично, на мой взгляд, было бы просто делить пройденное расстояние на общее время поездки, но создатели GPS II+ руководствовались каким-то иными соображениями).
Пройденный путь отображается на "карте" (памяти аппарата хватает километров на 800 – при большем пробеге автоматически стираются самые старые метки), так что при желании можно посмотреть схему своих блужданий. Масштаб карты меняется от десятков метров до сотен километров, что, несомненно, исключительно удобно. Самое же замечательное состоит в том, что в памяти прибора имеются координаты основных населенных пункты всего мира! США, конечно, представлено более подробно (например, все районы Бостона присутствуют на карте с названиями), чем Россия (тут указано расположение лишь таких городов как Москва, Тверь, Подольск и т.п.). Представьте, например, что Вы направляетесь из Москвы в Брест. Находите в памяти навигатора "Брест", жмете специальную кнопку "GO TO", и на экране появляется локальное направление Вашего движения; глобальное направление на Брест; количество километров (по прямой, разумеется), оставшееся до точки назначения; средняя скорость и расчетное время прибытия. И так в любой точке мира – хоть в Чехии, хоть в Австралии, хоть в Таиланде…
Не менее полезной является так называемая функция возврата. Память аппарата позволяет записывать до 500 ключевых точек (waypoints). Каждую точку пользователь может называть по своему усмотрению (например, DOM, DACHA и т.п.), также предусмотрены различные пиктрограммки для отображения информации на дисплее. Включив функцию возврата к точке (любой из заранее записанных), владелец навигатора получает те же возможности, что и в описанном выше случае с Брестом (т.е. расстояние до точки, расчетное время прибытия и все остальное). У меня, например, был такой случай. Приехав в Прагу на автомобиле и устроившись в гостинице, мы с приятелем отправились в центр города. Оставив машину на стоянке, пошли побродить. После бесцельной трехчасовой прогулки и ужина в ресторане мы поняли, что совершенно не помним, где оставили машину. На улице ночь, мы – на одной из маленьких улочек незнакомого города… К счастью, прежде чем покинуть автомобиль, я записал его местоположение в навигатор. Теперь же, нажав пару кнопок на аппарате, я узнал, что машина стоит в 500 метрах от нас и через 15 минут мы уже слушали тихую музыку, направляясь на автомобиле в гостиницу.
Кроме движения к записанной метке по прямой, что не всегда удобно в условиях города, Garmin предлагает функцию TrackBack – возврат по своему пути. Грубо говоря, кривая движения аппроксимируется рядом прямолинейных участков, а в точках излома ставятся метки. На каждом прямолинейном участке навигатор ведет пользователя к ближайшей метке, по достижении же ее осуществляется автоматическое переключение на следующую метку. Исключительно удобная функция при езде на автомобиле по незнакомой местности (сигнал со спутников сквозь здания, конечно, не проходит, поэтому, чтобы получить данные о своих координатах в условиях плотной застройки, приходится искать более-менее открытое место).
Я не буду дальше углубляться в описание возможностей прибора – поверьте, что кроме описанных, в нем есть еще масса приятных и нужных примочек. Одна смена ориентации дисплея чего стоит – можно использовать аппарат как в горизонтальном (автомобильном), так и в вертикальном (пешеходном) положении (см. рис.3).
Одной из основных же прелестей GPS для пользователя я считаю отсутствие какой-либо платы за пользование системой. Купил один раз прибор – и наслаждайся!
Заключение.
Я думаю, нет нужды перечислять области применения рассмотренной системы глобального позиционирования. GPS-приемники встраивают в автомобили, сотовые телефоны и даже наручные часы! Недавно я встретил сообщение о разработке чипа, совмещающего в себе миниатюрный GPS-приемник и модуль GSM – устройствами на его базе предлагается оснащать собачьи ошейники, чтобы хозяин мог без труда обнаружить потерявшегося пса посредством сотовой сети.
Но в любой бочке меда есть ложка дегтя. В данном случае в роли последнего выступают российские законы. Я не буду подробно рассуждать о юридических аспектах использования GPS-навигаторов в России (кое-что об этом можно найти здесь ), замечу лишь, что теоретически высокоточные навигационные приборы (коими, без сомнения являются даже любительские GPS-приемники) у нас запрещены, а их владельцев ждет конфискация аппарата и немалый штраф.
К счастью для пользователей, в России строгость законов компенсируется необязательностью их выполнения – например, по Москве разъезжает огромное количество лимузинов с шайбой-антенной GPS-приемников на крышке багажника. Все более-менее серьезные морские суда оборудованы GPS (и уже выросло целое поколение яхтсменов, с трудом ориентирующихся в пространстве по компасу и прочим традиционным средствам навигации). Надеюсь, власти не будут вставлять палки в колеса техническому прогрессу и в ближайшее время легализуют пользование GPS-приемниками в нашей стране (отменили же разрешения на сотовые телефоны), а также дадут добро на рассекречивание и тиражирование подробных карт местности, необходимых для полноценного использования автомобильных навигационных систем.
