Что такое GPS в телефоне? Технология глобальной спутниковой навигации: какие бывают системы, параметры и функции

Глобальная система позиционирования – Global Positioning System – появилась в 50-е благодаря запуску спутника. Когда первый советский спутник вышел на орбиту, американцы обратили внимание: при отдалении он равномерно меняет частоту сигнала. Ученые проанализировали данные и поняли, что спутниковый сигнал позволяет точно определить координаты объектов на земле, а также скорость их передвижения. Первыми систему GPS взяли на вооружение военные: Министерство обороны запустило спутниковую навигацию в своих целях, но уже через несколько лет она стала доступна гражданским.

Сейчас на околоземной орбите находятся 24 спутника, которые передают сигналы привязки. Число спутников периодически меняется, но всегда остается достаточным, чтобы поддерживать бесперебойную работу Global Positioning System. На случай форс-мажора предусмотрены запасные спутники, и каждое десятилетие на орбиту выходят новые, модернизированные космические аппараты, потому что ничто не должно нарушить режим работы GPS.

Спутники вращаются по шести орбитам, образуя взаимосвязанную сеть. Ею управляют специальные станции GPS, которые расположены в тропиках, но связаны с координационным центром в Соединенных Штатах. Благодаря этой сети вы можете узнать точные координаты человека, машины или самолета со скоростью прохождения сигнала от спутников, то есть практически мгновенно, а точность показаний не зависит от погодных условий и времени суток. При этом само по себе использование Global Positioning System – бесплатное, и единственное, что нужно, чтобы пользоваться этой навигационной системой, – навигатор или другое устройство, поддерживающее функцию джипиэс.

Принцип работы GPS

В основе технологии – простой навигационный принцип маркерных объектов, который использовался задолго до появления GPS. Маркерный объект – это ориентир, координаты которого точно известны. Для определения координат объекта нужно знать также расстояние от него до маркерного объекта, тогда можно провести на карте линии в сторону маркеров от возможного местоположения: точка пересечения этих линий и будет координатами.

Спутники на околоземной орбите играют в GPS роль маркерных объектов. Они быстро вращаются, но их местоположение постоянно отслеживается, а в каждом навигаторе есть приемник, настроенный на нужную частоту. Спутники посылают сигналы, в которых закодирован большой объем информации, включая точное время. Данные точного времени – одни из самых важных для определения географических координат: ориентируясь на разницу между отдачей и приемом радиосигнала, спутники вычисляют расстояние между собой и навигатором.

Как работает GPS в смартфонах

Навигаторы – один из самых востребованных товаров на рынке гаджетов, по популярности их обгоняют только смартфоны. Но и в смартфоны производители встраивают чипы GPS, чтобы устройство могло выполнять функции навигатора. Однако здесь пользователя может подстерегать ловушка, потому что в погоне за прибылью производители допускают умышленные или случайные неточности в описании своего товара, позволяя покупателям перепутать технологии GPS и AGPS.

Джипиэс – бесплатная навигационная система высокой точности. Подписки на нее нет и быть не может, потому что американцы позволяют пользоваться своими спутниками для навигации безвозмездно. Владельцы смартфонов если и оплачивают, то только приложения или карты. У приемников GPS есть небольшие минусы: они работают только на улице, а из-за плохой погоды могут возникнуть проблемы с приемом сигнала от спутника, но эти недостатки решили с помощью технологии A-GPS (не путать с AGPS). Суть в том, что сигнал от приемника перенаправляют на сервер, на котором содержится вся информация о положении спутников, поэтому трудностей с приемом сигнала не существует. A-GPS используют все современные автомобильные навигаторы.

Но существует также сотовая навигация AGPS – она работает только в зоне покрытия сотовой сети и определяет местоположение с точностью до 500 м. Она менее точная в сравнении с GPS, дает общее представление о месте, где вы находитесь, зато предлагает спутниковую карту окрестностей. Важно, чтобы была подключена услуга мобильного интернета, а на счету оставались деньги. С сервисом AGPS работают Google Maps. Зачастую возможностей сотовой навигации достаточно, но ее все равно не стоит путать с точной и бесплатной системой GPS.

Виды GPS-устройств

Самое простое навигационное устройство – внешний приемник. Он обращается к спутникам и принимает от них сигнал, но чтобы вы могли воспользоваться информацией, приемник нужно подключить к другому устройству – например, смартфону или ноутбуку, благо, он совместим со всеми востребованными гаджетами и программами. В крайнем случае вам потребуется карта. Приемники GPS используют пешеходные туристы: устройство недорогое, а для расшифровки информации, которую оно принимает, можно пользоваться даже обычной туристической картой местности. Нужно лишь, чтобы на нее была наложена навигационная сетка.

Но самое востребованное сегодня GPS-устройство – это автомобильный навигатор. Он намного сложнее и функциональнее приемника: навигатор больше похож на уменьшенную версию компьютера. Весь необходимый софт уже установлен производителем, операционная система закрытая. К навигации прибавляют много дополнительных функций, включая выход в интернет.

Отдельный класс устройств – смартфоны со встроенными приемниками GPS. Не путайте их с моделями, использующими сотовую навигацию! Система работает на смартфонах не так гладко, как на самостоятельных устройствах. Не все модели позволяют поставить полноценный навигационный софт, а если пользоваться онлайн-решениями, то функция станет недоступна при отключении интернета, и тогда исчезнет одно из преимуществ технологии: постоянный доступ. Однако смартфоны со спутниковой навигацией подходят для пешеходов – ориентироваться удобно и данные точные, поэтому вы не заблудитесь даже в непроходимой чаще.

ГЛОБАЛЬНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМА (англ. Global Positioning System, сокр. GPS; иногда называется ГСМ — глобальная система местоопределения), радиосистема определения местоположения, использующая навигационные спутники. Такие системы обеспечивают круглосуточную информацию о трехмерном положении, скорости и времени для пользователей, обладающих соответствующим оборудованием (GPS-приемник; Glospace) и находящихся на или вблизи земной поверхности (а иногда и вне ее). Первой системой GPS, широко доступной гражданским пользователям, стала NAVSTAR, обслуживаемая Министерством обороны США. Своя система была разработана и в СССР, но использовалась исключительно для военных целей (до 1991 использование GPS на территории СССР было вообще запрещено, кроме военных). Первый спутник ГЛОНАСС был выведен Советским Союзом на орбиту 12 октября 1982. 24 сентября 1993 года система была официально принята в эксплуатацию. Необходимое число спутников, 24, было достигнуто к 1995, но в дальнейшем из-за экономических и политических трудностей орбитальная группировка сократилась. В 2007 начато коммерческое использование отечественной системы ГЛОНАСС (сокр. от Глобальная навигационная спутниковая система). Находится в стадии разработки система «Галилео», развиваемая странами ЕС.

Американская система NAVSTAR началась с запуска первого спутника в феврале 1978.

Для получения информации о скорости большинство навигационных приемников используют эффект Доплера. Систему образуют 24 спутника, находящиеся на точно заданных орбитах. Они передают непрерывные сигналы приемникам на суше, в море, в воздухе и с космосе. GPS служит для определения местоположения, навигации, картографирования, прокладки маршрутов, отсчета времени и синхронизации событий. Орбиты спутников располагаются примерно между 60 градусами северной и южной широты. Этим достигается то, что сигнал от хотя бы некоторых спутников может приниматься повсеместно в любое время.

Приемное устройство GPS использует спутниковые сигналы для измерения расстояния от каждого от четырех (или больше) спутников, которые в этот момент находятся в его поле зрения. Альманах (астрономический календарь) в приемном устройстве, который обновляется корректирующими сигналами со спутников, определяет, где именно находятся сейчас спутники. Зная положение четырех спутников и расстояние до каждого из них, приемник может вычислить скорость своего движения. Стандартные приемники могут фиксировать местоположение с точностью в несколько метров и время — до 1 миллионной секунды. Новейшие приемники имеют точность до нескольких сантиметров.

GPS обеспечивает единый мировой стандарт для измерения пространства и времени. Ее точность позволяет самолетам летать ближе друг к другу, по более прямым маршрутам, повышает безопасность полетов.

Сигнал NAVSTAR содержит т. н. «псевдослучайный код» (PRN - pseudo-random code), эфимерис (ephimeris) и альманах (almanach). Псевдослучайный код служит для идентификации передающего спутника. Все они пронумерованы от 1 до 32 и этот номер показывается на экране GPS-приемника во время его работы. Количество PRN-номеров больше, чем число спутников (24), т. к. это облегчает обслуживание GPS-сети: новый спутник может быть запущен, проверен и введен в эксплуатацию еще до того, как старый выйдет из строя. Такому спутнику просто будет присвоен новый номер (от 1 до 32).

Данные эфимериса, постоянно передаваемые каждым спутником, содержат такую важную информацию, как состояние спутника (рабочее или нерабочее), текущая дата и время. Данные альманаха говорят о том, где в течение дня должны находиться все GPS-спутники. Каждый из них передает альманах, содержащий параметры своей орбиты, а также всех других спутников системы.

Двадцать четыре спутника вращаются вокруг Земли на высоте ок. 20 тыс. км. На каждой из шести орбитальных плоскостей располагается по четыре спутника. Несмотря на то, что орбиты точно выверены, ошибки все же случаются и спутники передают на приемники GPS навигационные поправки для обновления альманахов. Навигационные поправки сообщаются спутникам наземными станциями, которые непрерывно следят за их местоположением и скоростью.

Определение дальности

Приемник GPS определяет свое положение путем вычисления расстояния до каждого из четырех спутников, точное местоположение которых известно. Каждый спутник передает сигналы; на то, чтобы они достигли приемника, требуется определенное время. Встроенные часы приемника синхронизированы с атомными часами спутников, что позволяет вычислять время прохождения сигналов. Расстояние до каждого спутника вычисляется по времени прохождения сигнала и скорости распространения радиоволн. С помощью метода, называемого триангуляцией, измеренные расстояния объединяются с данными о положении спутников, и это позволяет определить местоположение приемника.

GPS (Global Positioning System, система глобального позиционирования) — система определения местоположения объектов, основанная на использовании искусственных спутников Земли. Точность системы от 2 до 100 м в зависимости от вида терминального оборудования. GPS-navigators — широкий по практическому назначению и конструктивному исполнению класс устройств, предназначенных для определения местоположения объектов и определения параметров их движения непосредственно с мест их нахождения или на расстоянии. В основе принципов их построения лежит использование GPS, вычислительной техники и телекоммуникационных систем и сетей, в первую очередь Интернета. GPS-навигаторы нашли распространение в военном деле, на всех видах транспорта и в быту. Достижения микроэлектроники и вычислительной техники позволили сократить размеры терминального оборудования, устанавливаемого на подвижных объектах при одновременном повышении их функциональных и эксплуатационных характеристик. В результате появились различные модификации, предназначенные для персонального использования вне транспортной среды (непосредственно человеком), в частности, устанавливаемые на КПК и ноутбуках. К малогабаритным GPS-навигаторам можно отнести GPS-локаторы и часы-навигаторы. GPS-locators обеспечивают контроль (в том числе круглосуточный) местонахождения объектов слежения, например, детей, условно осужденных лиц, людей, страдающих болезнью Альцгеймера.

ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) — российский аналог GPS. В июне 2005 года постановлением правительства РФ принято решение о поэтапном (до 1 января 2009 года) оснащении аппаратурой ГЛОНАСС (или комбинированными средствами ГЛОНАСС/GPS) космических аппаратов, воздушных, морских и речных судов, автомобильного и железнодорожного транспорта, используемого для перевозки пассажиров, специальных или опасных грузов, а также приборов и оборудования, применяемых при проведении геодезических и кадастровых работ.

Часы-навигаторы — часы, снабженные GPS-приемниками. Часы-навигаторы имеют габариты обычных наручных часов, в них реализованы функции определения местоположения (долгота и широта), отправная точка пути и расстояние до места движения, текущая скорость, промежуточные пункты, направления между ними. Часы-навигаторы могут связываться с компьютером для передачи и обработки GPS-данных, импортировать и просматривать растровые изображения карт (в форматах JPEG и BMP), планировать перемещение по заданному маршруту.

Первоначально GPS была создана министерством обороны США, предназначалась для военных нужд и имела название Navstar (Navigaion System with Time and Ranging — навигационная система с возможностью определения времени и расстояния). Система Navstar имела цель обеспечить военных возможностью определять координаты объекта в любой точке поверхности Земли. В дальнейшем было разрешено использование системы в коммерческих целях. До 2000 года все пользователи системы делились на две категории: привилегированные (военные) и обычные (гражданские). Для гражданских пользователей GPS в сигнале спутников была доступна лишь часть информации, которая позволяла определять координаты с ошибкой до нескольких десятков или даже сотен метров, в то время как для военных система работала с максимальной точностью — погрешность составляла не более нескольких метров. С 2000 года ограничения для гражданских пользователей были отменены.

В период с 1978 по 1994 год на орбиту высотой около 20 тысяч км были выведены 24 основных спутника, обеспечивающих функционирование системы GPS. В дальнейшем было добавлено еще четыре резервных спутника. За работой системы следят четыре наземные станции, в обязанности которых входит корректировка навигационной информации и часов в спутниках, а также контроль работоспособности каждого из них. Коммерческая эксплуатация GPS началась в 1995 году. Владельцем всех спутников и наземных сооружений, несмотря на коммерциализацию GPS, является министерство обороны США.

Спутники излучают фазомодулированный сигнал на двух частотах — L1 на 1575.42 МГц и L2 на 1227.60 МГц. Первая предназначена для гражданских пользователей, вторая — для военных. Информация, передаваемая спутником, делится на три категории: C/A-код, P-код и Y-код. C/A-код (Coarse Acquisition — грубое приближение) позволяет оценить местонахождение с точностью до 100 м. P-код (Precision code — прецизионный код) позволяет определять положение с точностью до нескольких метров. Y-код представляет собой шифрованную версию P-кода. Кодами типа C/A и P модулируется частота L1, частота L2 модулируется либо кодом P, либо кодом Y (в случае форс-мажорных обстоятельств, когда необходимо запретить использование сервиса GPS гражданским пользователям или противнику). К сигналу с частотой L1 подмешивается так называемое навигационное сообщение (Navigation message) — блок информации о текущем состоянии спутника (время, координаты). Навигационное сообщение имеет размер 25x1500 бит и передается блоками по 300 бит со скоростью 50 бит/с. Полное навигационное сообщение принимается за 12,5 минут.

В системе GPS абонентский терминал представляет собой многоканальный приемник, имеющий возможность одновременно принимать сигнал с нескольких спутников. GPS-терминал — абсолютно пассивное устройство, не имеющее собственного передатчика. Принцип работы системы основан на сравнении временных задержек между принятыми сигналами с минимум трех (обычно — четырех-восьми) спутников и вычисление координат по удаленности от нескольких точек с известными координатами (то есть спутников). При этом приемник, рассчитав расстояние до всех спутников, сигнал которых он уверенно принимает, строит несколько сфер и по точкам пересечения этих сфер вычисляет приблизительное собственное местоположение на основе навигационной информации о координатах спутников, также приходящей с сигналом.

Для увеличения точности определения координат (например, в геодезии и картографии точность в несколько метров может оказаться недостаточной) используется метод дифференциального GPS. При этом, помимо спутникового сигнала, приемник использует сигнал стационарного, мощного передатчика, положение которого известно и стабильно. Это позволяет нивелировать проблемы позиционирования, так как можно вычислить текущую ошибку системы, сравнив реальные координаты стационарного передатчика с данными, полученными через систему GPS.

Журнал "Капитан-Клуб" № 2, 1999
Копия статьи публикуется с согласия редакции.

Эта публикация еще раз затрагивает тему GPS. Статьи в ряде отечественных изданий, к сожалению, не дают достаточной информации об организации системы, о степени точности показаний приемников. Многие судоводители задаются вопросом: можно ли слепо доверять приборам или их следует воспринимать только как дополнение к традиционным методам определения места? И почему яхты, оснащенные этими самыми современными средствами навигации, иногда оказываются на камнях далеко от намеченного курса? Данная статья - это попытка обобщить информацию, которая, по мнению автора, может помочь пользователям GPS.

"Все навигационное оборудование производится и продается лишь как средство помощи в навигации. Пользователь сам ответственен за совершенствование своего навигационного мастерства, независимо от любого, приобретенного им оборудования".
(Из Руководства по эксплуатации.)

Как система GPS устроена и работает

Разработки концепции NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) начались 1973 г. Самые современные на тот момент радионавигационные системы (РНС), наземные Loran-C и Omega и спутниковая (СНС) Transit перестали удовлетворять требованиям военных в отношении точности, всепогодности, круглосуточной работы и зоны охвата. В феврале 1978 г. был запущен первый экспериментальный спутник GPS. О гражданском применении GPS широко заговорили в 1983 г. после катастрофы южнокорейского авиалайнера, сбитого над Курильскими островами. Президент Рейган провозгласил, что система GPS должна стать доступной каждому.

Система GPS предоставляет два вида услуг: SPS - стандартной точности (для гражданских пользователей) и PPS - высокой точности (для военных). При разработке системы, точность SPS в 100 м считалась достаточной для гражданских целей. По мере испытаний оказалось, что подсистема SPS точнее, чем предполагалось. Для сохранения преимущества высокой точности для военных, с марта 1990 г. был введен режим "ограничения доступа" SA (Selective Availability), искусственно снижающий точность гражданского GPS.

Боевое крещение система получила в ходе операции "Буря в пустыне". К тому времени еще не было запущено достаточно спутников. Потребовалось маневрировать имеющимися, для обеспечения круглосуточного покрытия зоны боевых действий. Интересно, что в сентябре 1989 г. фирма "MAGELLAN SYSTEMS CORP." Выпустила приемник GPS -"NAV-1000M" - для применения военных целях, и была выбрана 10 странами-членами НАТО в качестве поставщика приемников. Более 3000 приемников типа "NAV-1000M" наряду с прочими использовались США и Силами Коалиции во время войны в Персидском заливе. Сухопутные подразделения и морская пехота были тогда, в основном, укомплектованы носимыми одноканальными приемниками, аналогичными гражданским, и не способными принимать сигналы высокой точности. Было решено отключить на время боевых действий режим SA, что давало возможность пользования высокой точностью также и противнику.

К середине 1993 г. на орбитах находились уже 24 спутника, достаточно для непрерывной навигации в любой точке Земли. Об окончательном вводе системы в эксплуатацию объявили только в июле 1995 г.

В 1996 г. Президент Клинтон подтвердил, что система, работающая на деньги американских налогоплательщиков, и в следующем столетии будет предоставлять свои услуги гражданским пользователям во всем мире. Объявлено, что до 2006 г. режим "ограничения доступа" будет устранен. Президент США сохраняет за собой право снижать точность сигналов GPS в случае угрозы национальной безопасности.

Система GPS состоит из трех частей: космической, наземной и пользовательского оборудования.

Космическая часть - это 24 спутника, вращающихся по 6 орбитам. Наклон орбит к земному экватору - 55 град., угол между плоскостями орбит - 60 град. Высота орбит 20180 км., период обращения - 12 ч. Мощность спутникового передатчика 50 Вт. С вводом в строй усовершенствованных спутников, частые потери сигналов остались в прошлом. Спутники GPS способны, передвигаясь заполнять бреши в системе (если один из них вышел из строя). Важным элементом спутника являются атомные часы, рубидиевые и цезиевые, по четыре на каждом. Спутники идентифицируются номером PRN (Pseudo Random Number), который отображается на приемнике GPS.

Наземная часть GPS состоит из 4 станций слежения, расположенных на тропических островах. Они отслеживают видимые спутники и передают данные на Главную станцию (MCS) управления и контроля на авиабазе в Колорадо-Спрингс для обработки на сложных компьютерных программных моделях. Эти наборы данных называются эфемеридами. Через наземные станции данные передаются обратно на спутники, а затем спутник передает их приемникам GPS.

Сигналы GPS

Все частоты в системе GPS кратны основной частоте часов спутника, 10.23 МГц. Спутник передает сигналы в диапазонах L1=1575.42 МГц и L2=1227.6 МГц. Сигналы содержат два вида информации: "навигационные сообщения" и "псевдослучайный код" (Рис. 1). Код представляет собой последовательность единиц и нулей, на первый взгляд случайную, но изменяющуюся по сложному закону. Псевдослучайный код содержит номер спутника (PRN).

Существуют два вида кода. Гражданские GPS используют C/A (Coarse Acquisition) - код, передаваемый только на частоте L1. Один цикл передачи кода состоит из 1023 бит и повторяется 1000 раз(сек. Военные GPS высокой точности используют P-код (Precise), который передается на обеих частотах, L1 и L2.

Навигационные сообщения передаются со скоростью 50 бит/сек дополнительной модуляцией несущей частоты под псевдослучайным кодом. Каждое сообщение состоит из 25 "порций" (страниц) по 1500 бит. Полный цикл передачи всего сообщения занимает 12.5 мин. Навигационное сообщение включает в себя "эфемеридные данные" и "данные альманаха"; данные о времени в системе GPS и коэффициенты для его пересчета во всемирное время, ключевые слова к P-коду и специальные сообщения. Эфемериды - это данные об исправности спутника и параметры его орбиты - коэффициенты, с помощью которых приемник вычисляет текущее и будущее положение спутника, используя математическую Кеплеровскую модель. Кроме того, эти сообщения содержат коэффициенты поправки к спутниковым часам и к задержке распространения сигнала в ионосфере для пользователей C/A-кода. Альманах - это данные об эфемеридах и состоянии остальных спутников в системе (хранятся в памяти приемника). Благодаря этим данным приемник всегда "знает", где находятся все спутники системы, даже когда он их не видит, и какие спутники лучше использовать для определения координат.

Как приемник GPS определяет свое положение?

Система GPS использует способ определения по дальности до ориентиров-спутников, определяемой с помощью псевдослучайного кода. Для этого приемник генерирует свой внутренний код в то же самое время, чтобы он точно дублировал код спутника. Приемник сравнивает разницу во времени между приемом соответствующей части спутникового кода с такой же частью своего кода. Зная сдвиг по времени и скорость распространения радиоволн, приемник получает расстояние до спутника, называемое псевдодальностью, и по двум расстояниям может определить свое точное положение (Рис 2.) Почему "псевдо"? Проблема в том, чтобы убедиться, что псевдослучайные коды приемника и спутника сгенерированы одновременно . Со стороны спутника тут сложности нет. Часы спутника очень точные и корректируются по сигналам с Земли. Часы приемника менее точны, кроме того, задержки распространения сигнала в ионосфере, тропосфере и т.д. создают суммарную ошибку (Рис.3). Для ее исправления GPS использует измерение дальности от третьего спутника.

При определении двухмерных координат по двум окружностям равных расстояний приемник "не знает", находится ли он на самом деле на них или нет. Например, если часы приемника отстают, истинная позиция будет ближе, но в каждом случае пропорционально ближе к каждому из спутников. Вводя линию положения от 3-го спутника, мы можем получить однозначный результат. Приемник GPS имеет программу, которая берет информацию для трех линий положения и решает её алгебраически. Эти вычисления дают решение трех уравнений для трех неизвестных: долготы, широты и ошибки часов. Вот почему для определения двухмерных координат необходимы как минимум 3 спутника, 4 - для трехмерных.

О точности

Пользователя GPS интересует реальная точность системы; другими словами, насколько близко можно пройти от какой-то навигационной опасности, полагаясь только на приемник GPS? К сожалению, однозначного ответа на этот вопрос не существует. Это связано со статистическим характером ошибки GPS.

Причины ошибок GPS

Режим SA
В мирное время добавляет ошибку в несколько десятков метров; в особых случаях могут вводится ошибки в сотни метров. (Правительство США отвечает за работоспособность системы перед миллионами пользователей, и можно рассчитывать, что столь значительное снижение точности не будет введено без достаточно серьезных причин.) Достигается путем хаотического сдвига времени передачи псевдослучайного кода. Ошибки, возникающие от SA, случайные и равновероятные в каждую сторону. SA влияет также на точность курса и скорости по GPS. По этой причине неподвижный приемник часто показывает слегка изменяющиеся скорость и курс. Так что, в некоторой степени, оценить степень воздействия SA можно по периодическим изменениям курса и скорости по GPS.

Задержки распространения радиоволн в ионосфере и тропосфере
Скорость радиоволн в пустоте постоянна, но при входе сигнала в атмосферу она изменяется. Для сигналов от разных спутников задержка времени различна. Ошибки распространения радиоволн зависят от состояния атмосферы и высоты спутника над горизонтом: чем ниже спутник, тем больший путь проходит его сигнал через атмосферу и тем больше искажения. Большинство приемников исключают использование сигналов от спутников с возвышением над горизонтом менее 7,5. (Еще атмосферные помехи зависят от времени суток: после захода солнца плотность ионосферы и ее влияние на радиосигналы уменьшается (явление, хорошо знакомое радистам-коротковолновикам).

Влияние отраженного сигнала (Multypath)
Кроме прямого сигнала от спутника приемник также может принять сигналы, отраженные от скал, зданий, проходящих судов. Если прямой сигнал закрыт от приемника надстройками или такелажем, отраженный сигнал может быть сильнее. Этот сигнал проделывает более длинный путь, и приемник "думает", что находится дальше от спутника, чем на самом деле. Эти ошибки много меньше 100 м, поскольку только близко расположенные предметы способны дать достаточно сильное эхо.

Спутниковая геометрия
Зависит от расположения относительно приемника спутников, по которым определяется позиция. Если приемник "поймал" четыре спутника, и все они находятся на севере, то спутниковая геометрия плохая. Результат - ошибка до 90-150 м. или даже невозможность определения координат. (Все четыре измерения - из одного и того же направления, и область их пересечения, слишком велика; рис.4)

С теми же 4-мя спутниками точность намного возрастает, если они расположены равномерно по сторонам горизонта. В этом случае, даже с SA, точность достигает 30 м. и выше.

Спутниковая геометрия измеряется фактором PDOP (Position Dilution Of Precision) или HDOP (Horizontal Dilution Of Precision). Идеальному расположению спутников соответствует PDOP=1; большие значения говорят о плохой спутниковой геометрии. PDOP используется как множитель для других ошибок. Каждая измеренная приемником псевдодальность имеет свою погрешность, зависящую от атмосферных помех, ошибок в эфемеридах, SA, отраженного сигнала и т.д. Так, если предполагаемые значения этих ошибок в сумме составляют 50 м. и PDOP=1,5, то ожидаемая ошибка определения места будет 75 м.

Приемники GPS по-разному представляют информацию для оценки точности с использованием PDOP. Кроме HDOP, используется GQ (Geometric Quality, величина, обратная HDOP) или качественная оценка в баллах. Многие современные приемники показывают EPE (Estimated Position Error - ожидаемую ошибку позиции) непосредственно в единицах дистанции. EPE учитывает расположение спутников и прогноз погрешности сигналов для каждого спутника в зависимости от SA, состояния атмосферы, ошибок спутниковых часов, передаваемый в составе эфемеридной информации.

Спутниковая геометрия также становится проблемой при использовании приемника GPS внутри транспортных средств, в густом лесу, в горах, вблизи высоких зданий. Когда сигналы от отдельных спутников блокированы, положение оставшихся спутников определит, насколько точной будет позиция GPS (и их число покажет, может ли позиция вообще быть определена).

Хороший приемник GPS показывает не только, какие спутники используются, но и где они находятся (азимут и возвышение над горизонтом), так что Вы можете определить, затруднен ли прием данного спутника. На рис.5 показан пример плохого расположения спутников на дисплее GPS: спутники № 22, 01 и 09 не видны. В такой ситуации можно ожидать больших ошибок долготы; широта, вероятно, будет определена достаточно точно.

Количественная оценка точности

Простой тест, чтобы наглядно увидеть точность Вашего приемника GPS - периодическая запись показаний неподвижного приемника за достаточно большой период времени. Например, раз в 2 мин. в течении суток. Это проще сделать, если есть плоттер или компьютер, подключенный к GPS. Проложив полученные координаты на планшете, получаем картинку, подобную рис. 7.

Считается, что распределение позиции GPS достаточно хорошо соответствует нормальному (Гауссову) закону. То есть для большего числа измерений смещение или систематическая ошибка равна нулю. Гражданская GPS обеспечивает точность без SA 15 метров RMS, а в режиме SA 2DRMS=100 м. Что это означает? RMS (Root Mean Square) - квадратный корень из суммы квадратов отклонений по долготе и широте, разделенный на число измерений. В круг радиусом RMS попадает 65% точек. 2DRMS означает удвоенное RMS. Для пространственного двухмерного распределения Гаусса в интервал плюс-минус 2DRMS попадает от 95% точек, если распределение эллиптическое (различные ошибки по широте и долготе), при круговом распределении - до 98%. Распределение позиции GPS становится эллиптическим, если небо с одной из сторон закрыто для сигналов.

GPS и "Проблема-2000"

Руководство GPS обещает, что все наземные службы будут полностью подготовлены, и на передаче спутниковых сигналов эта проблема не отразится. Другое важное событие в системе GPS, известное как "GPS system time rollover", произойдет в полночь с 21 на 22 августа 1999 г., когда завершится 1024-недельный цикл, по которому изменяются навигационные сообщения спутников, и отсчет начнется заново.

Изготовители большинства современных приемников заявляют о защищенности своих изделий от этих проблем, но для большей безопасности, владельцам старых моделей GPS рекомендуется проконсультироваться у поставщиков. Автор полагает, что после полуночи 22 августа и 31 декабря 1999 г. (по Гринвичскому времени) следует единовременно убедится в правильности показаний GPS по другим средствам навигации. Особенно, если приемник покажет неправильную дату или время.

Заключение

Большую часть времени GPS обеспечивает высокую точность, в пределах нескольких десятков метров, что вполне достаточно для навигации в обычных условиях. Но для пользователя важно, что в отдельные моменты возможны отклонения до кабельтова и больше. Вероятность таких ошибок крайне мала, но пренебрегать ею не следует. Всегда рекомендуется пользоваться более чем одним средством навигации. Принимая решение о степени доверия к показаниям GPS, можно учесть следующие признаки:

• информация приемника о расположении спутников. Максимальные ошибки возможны при неблагоприятном сочетании наибольших значений факторов, влияющих на точность и, в первую очередь, спутниковой геометрии. На Вашем приемнике, обычно показывавшем EPE 20-40 м, появилось 60 м и более.);
• видимость неба над антенной приемника;
• изменение позиции GPS за предшествующий период (прокладка, выполняемая в крупном масштабе).
• соответствие курса и скорости по GPS показаниям компаса и лага.
• наличие предметов, отражающих сигнал.

Дополнительно уместно сказать, что координатные системы карт (Map Datum) связаны с разными моделями земного эллипсоида, используемыми при построении карт в различных странах. Разница между ними может достигать 500 м. При работе с GPS и картой пользователь должен учитывать это и делать соответствующие поправки.

И последнее. До этого рассматривалась только точность показаний самого приемника GPS. А максимальные ошибки навигации с использованием GPS суммируются из максимальных ошибок всей цепочки: спутники - приемник - пользователь - карта - пользователь.

За помощь в подготовке материала автор благодарит фирмы "НАВИКОМ", "ТРАНЗАС МАРИН", "АЛЬТАИР" и мистера Питера Дана, (Университет штата Техас), (www.host.cc.utexas.edu.ftp?pub/grg/gcraft/notes/gps/gps.html).

Публикация подготовлена по материалам сети Интернет и Dahl, Bonnie. The User"s Guide to GPS - The Global Positioning System. Richardson Marine Publishing, 1993.

Александр Самойлов

GPS - спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположениe. Позволяет в любом месте Земли (не включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США.

Краткая характеристика GPS

Спутниковая навигационная система Министерства Обороны США — GPS, называется также NAVSTAR. Система состоит из 24 навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ) , наземного командно-измерительного комплекса и аппаратуры потребителей. Она является глобальной, всепогодной, навигационной системой, обеспечивающей определение координат объектов с высокой точностью в трехмерном околоземном пространстве. Спутники GPS помещены на шести средневысоких орбитах (высота 20183 км) и имеют период обращения 12 часов Плоскости орбит расположены через 60° и наклонены к экватору под углом 55°. На каждой орбите находится 4 спутника. 18 спутников — это минимальное количество для обеспечения видимости в каждой точке Земля не менее 4-х НИСЗ.

Основной принцип использования системы - определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами - спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно знать расстояние до трёх спутников и время GPS системы. Таким образом, для определения координат и высоты приёмника используются сигналы как минимум с четырёх спутников.

Система предназначена для обеспечения навигации воздушных и морских судов и определения времени с высокой точностью . Она может применяться в режиме двухмерной навигации – 2D определение навигационных параметров объектов на поверхности Земли) и в трехмерном режиме — ЗD (измерение навигационных параметров объектов над поверхностью Земли). Для нахождения трехмерного положения объекта требуется измерить навигационные параметры не менее 4-х НИСЗ, а при двухмерной навигации — не менее 3-х НИСЗ. В GPS используется псевдодальномерный способ определения позиции и псевдорадиально скоростной метод нахождения скорости объекта.

Для повышения точности результаты определений сглаживаются с помощью фильтра Калмана. Спутники GPS передают навигационные сигналы на двух частотах: F1 = 1575,42 и F2=1227,60 МГц. Режим излучения — непрерывный с псевдошумовой модуляцией. Навигационные сигналы представляют собой общедоступный С/А-код (course and acquisition), передаваемый только на частоте F1, и защищенный Р-код (precision code), излучаемый на частотах F1, F2.

В GPS для каждого НИСЗ определен свой уникальный С/А-код и уникальный Р-код. Такой вид разделения сигналов спутников называется кодовым. Он позволяет бортовой аппаратуре распознавать, какому спутнику принадлежит сигнал, когда все они осуществляют передачу на одной частоте GPS предоставляет два уровня обслуживания потребителей точные определения (РРS Precise positioning Service) и стандаршые данные (SPS Standart Positioning Service) PPS основывается на точном коде, а SPS — на общедоступном. Уровень обслуживания РРS предоставляется военным и федеральным службам США, а SPS — массовому гражданскому потребителю.Кроме навигационных сигналов, спутник регулярно передает сообщения, которые содержат информацию о состоянии спутника, его эфемеридах, системном времени, прогнозе ионосферной задержки, показателях работоспособности. Бортовая аппаратура GPS состоит из антенны и приемоиндикатора. ПИ включает в себя приемник, вычислитель, блоки памяти, устройства управления и индикации. В блоках памяти хранятся необходимые данные, программы решения задач и управления работой приемоиндикатора. В зависимости от назначения используется два вида бортовой аппаратуры: специальная и для массового потребителя.Специальная аппаратура предназначена для определения кинематических параметров ракет, военных самолетов, кораблей и специальных судов. При нахождении параметров объектов в ней используются Р и С/А коды. Эта аппаратура обеспечивает практически непрерывные определения с точностью: местоположения объекта — 5+7 м, скорости — 0.05+0.15 м/с, времени — 5+15 нс

Основное применение навигационных спутниковой системы GPS:

• Геодезия: с помощью GPS определяются точные координаты точек и границы земельных участков
• Картография: GPS используется в гражданской и военной картографии
• Навигация: с применением GPS осуществляется как морская, так и дорожная навигация
• Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью GPS ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением
• Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах, например США это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911.
• Тектоника, Тектоника плит: с помощью GPS ведутся наблюдения движений и колебаний плит
• Активный отдых: есть разные игры, где применяется GPS, например, Геокэшинг и др.
• Геотегинг: информация, например фотографии «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам.

Определение координат потребителя

Местоопределение по расстояниям до спутников

Координаты местоположения вычисляются на основе измеренных дальностей до спутников. Для определения местоположения необходимо провести четыре измерения. Трех измерений достаточно, если уметь исключать неправдоподобные решения какими-то другими доступными способами. Еще одно измерение требуется по техническим причинам.

Измерение расстояния до спутника

Расстояние до спутника определяется путем измерения промежутка времени, который требуется радиосигналу, чтобы дойти от спутника до нас. Как спутник, так и приемник генерируют один и тот же псевдослучайный код строго одновременно в общей шкале времени. Определим, сколько времени потребовалось сигналу со спутника, чтобы дойти до нас, путем сравнения запаздывания его псевдослучайного кода по отношению коду приемника.

Обеспечение совершенной временной привязки

Точная временная привязка — ключ к измерению расстояний до спутников. Спутники точны по времени, поскольку на борту у них — атомные часы. Часы приемника могут и не быть совершенными, так как их уход можно исключить при помощи тригонометрических вычислений. Для получения этой возможности необходимо произвести измерение расстояния до четвертого спутника. Необходимость в проведении четырех измерений определяет устройство приемника.

Определение положения спутника в космическом пространстве.

Для вычисления своих координат нам необходимо знать как расстояния до спутников, так и местонахождение каждого в космическом пространстве. Спутники GPS движутся настолько высоко, что их орбиты очень стабильны и их можно прогнозировать с большой точностью. Станции слежения постоянно измеряют незначительные изменения в орбитах, и данные об этих изменениях передаются со спутников.

Ионосферные и атмосферные задержки сигналов.

Существуют два метода, которые можно использовать, чтобы сделать ошибку минимальной. Во-первых, можно предсказать, каково будет типичное изменение скорости в обычный день, при средних ионосферных условиях, а затем ввести поправку во все наши измерения. Но, к сожалению, не каждый день является обычным. Другой способ состоит в сравнении скоростей распространения двух сигналов, имеющих разные частоты несущих колебаний. Если сравнить время распространения двух разночастотных компонентов сигнала GPS, то сможем выяснить, какое замедление имело место. Этот метод корректировки достаточно сложен и используется только в наиболее совершенных, так называемых «двухчастотных» приемниках GPS.

Многолучевость.

Еще один тип погрешностей — это ошибки «многолучевости». Они возникают, когда сигналы, передаваемые со спутника, многократно переотражаются от окружающих предметов и поверхностей до того, как попадают в приемник.

Геометрический фактор уменьшения точности.

Хорошие приемники снабжают вычислительными процедурами, которые анализируют относительные положения всех доступных для наблюдения спутников и выбирают из них четырех кандидатов, т.е. наилучшим образом расположенные четыре спутника.

Результирующая точность GPS.

Результирующая погрешность GPS определяется суммой погрешностей от различных источников. Вклад каждого из них варьируется в зависимости от атмосферных условий и качества оборудования. Кроме того, точность может быть целенаправленно снижена Министерством обороны США в результате установки на спутниках GPS так называемого режима S/A («Selective Availability»- ограниченный доступ). Этот режим разработан для того, чтобы не дать возможному противнику тактического преимущества в определении местоположения с помощью GPS. Когда и если этот режим установлен, он создает наиболее существенную компоненту суммарной погрешности GPS.

Вывод:

Точность измерений с помощью GPS зависит от конструкции и класса приёмника, числа и расположения спутников (в реальном времени), состояния ионосферы и атмосферы Земли (сильной облачности и т.д.), наличия помех и других факторов. «Бытовые» GPS-приборы, для «гражданских» пользователей, имеют погрешность измерения в диапазоне от ±3-5м до ±50м и больше (в среднем, реальная точность, при минимальной помехе, если новые модели, составляет ±5–15 метров в плане). Максимально возможная точность достигает +/- 2-3 метра на горизонтали. По высоте – от ±10-50м до ±100-150 метров. Высотомер будет точнее, если проводить калибровку цифрового барометра по ближайшей точке с известной точной высотой, (из обычного атласа, например) на ровном рельефе местности или по известному атмосферному давлению (если оно не слишком быстро меняется, при перемене погоды). Измерители высокой точности «геодезического класса» – точнее на два-три порядка (до сантиметра, в плане и по высоте). Реальная точность измерений обусловлена различными факторами, например – удаленностью от ближайшей базовой (корректирующей) станции в зоне обслуживания системы, кратностью (числом повторных измерений / накоплений на точке), соответствующим контролем качества работ, уровнем подготовки и практическим опытом специалиста. Такое высокоточное оборудование — может применяться только специализированными организациями, специальными службами и военными.

Для повышения точности навигации рекомендуется использовать GPS-приёмник – на открытом пространстве (нет рядом зданий или нависающих деревьев) с достаточно ровным рельефом местности, и подключать дополнительную внешнюю антенну. Для целей маркетинга, таким аппаратам приписывают «двойную надёжность и точность» (ссылаясь на, одновременно используемые, две спутниковые системы, Глонасс и Джипиэс), но реальное фактическое, улучшение параметров (повышение точности определения координат) может составлять величины — лишь до нескольких десятков процентов. Возможно только заметное сокращение времени горячего-тёплого старта и продолжительности измерений

Качество измерений джипиэс ухудшается, если спутники располагаются на небе плотным пучком или на одной линии и «далеко» – у линии горизонта (всё это называется «плохая геометрия») и есть помехи сигналу (закрывающие, отражающие сигнал высотные здания, деревья, крутые горы поблизости). На дневной стороне Земли (освещённой, в данный момент, Солнцем) — после прохождения через ионосферную плазму, радиосигналы ослабляются и искажаются на порядок сильнее, чем на ночной. Во время геомагнитной бури, после мощных солнечных вспышек — возможны перебои и длительные перерывы в работе спутникового навигационного оборудования.

Фактическая точность джипиэски зависит от типа GPS-приемника и особенностей сбора и обработки данных. Чем больше каналов (их должно быть не меньше 8) в навигаторе, тем точнее и быстрее определяются верные параметры. При получении «вспомогательных данных A-GPS сервера местоположения» по сети Интернет (путём пакетной передачи данных, в телефонах и смартфонах) — увеличивается скорость определения координат и расположения на карте

WAAS (Wide Area Augmentation System, на американском континенте) и EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Services, в Европе) – дифференциальные подсистемы, передающие через геостационарные (на высоте от 36 тыс.км в нижних широтах до 40 тысяч километров над средними и высокими широтами) спутники корректирующую информацию на GPS-приёмники (вводятся поправки). Они могут улучшить качество позиционирования ровера (полевого, передвижного приемника), если поблизости располагаются и работают наземные базовые корректирующие станции (стационарные приёмники опорного сигнала, уже имеющие высокоточную координатную привязку). При этом полевой и базовый приёмник должны одновременно отслеживать одноимённые спутники.

Для повышения скорости измерений рекомендуется применять многоканальный (8-и канальный и более), приёмник с внешней антеной. Должны быть видимы, как минимум, три спутника GPS. Чем их больше, тем лучше результат. Необходима, так же, хорошая видимость небосвода (открытый горизонт). Быстрый, «горячий» (длительностью в первые секунды) или «тёплый старт» (полминуты или минута, по времени) приёмного устройства — возможен, если он содержит актуальный, свежий альманах. В случае, когда навигатор долго не использовался, приёмник вынужден получать полный альманах и, при его включении, будет производиться холодный старт (если прибор с поддержкой AGPS, тогда быстрее — до нескольких секунд). Для определения только горизонтальных координат (широта / долгота) может быть достаточно сигналов трёх спутников. Для получения трёхмерных (с высотой) координат — нужны, как минимум, четыре сп-ка. Необходимость создания собственной, отечественной системы навигации связана с тем, что GPS – американская, потенциальных противников, которые могут в любой момент Ч, в своих военных и геополитических интересах, селективно отключить, «глушить», модифицировать её в каком-либо регионе или увеличить искусственную, систематическую ошибку в координатах (для иностранных потребителей этой услуги), что и в мирное время всегда присутствует.

Смартфоны давно перестали быть простыми «звонилками». Своим владельцам они открыли массу новых возможностей.

На первом месте полноценный скоростной доступ в интернет и общение в социальных сетях и мессенджерах. Но не менее востребовано и GPS-позиционирование, о котором мы сейчас подробно расскажем.

Что такое GPS?

GPS - система навигации, которая определяет местоположение смартфона, строит маршруты и позволяет найти нужный объект на карте.

Практически в каждый современный гаджет встроен GPS-модуль. Это антенна, настроенная на сигнал спутников системы геолокации GPS. Изначально она была разработана в США для военных целей, но позже ее сигнал стал доступен всем желающим. GPS-модуль гаджет является принимающей антенной с усилителем, но передавать сигнал она не может. Получая сигнал от спутников, смартфон определяет координаты своего местоположения.

Практически каждый современный хотя бы раз пользовался GPS-навигацией на смартфоне или планшете. Потребность в ней может возникнуть в любой момент у людей разных профессий и разного рода занятий. Она необходима водителям, курьерам, охотникам, рыболовам и даже простым пешеходам, оказавшимся в незнакомом городе. Благодаря такой навигации можно определить свое местонахождение, найти нужный объект на карте, выстроить маршрут, а при наличии доступа в интернет объехать пробки.

Оффлайн-карты для GPS

Google разработала для своей операционной системы Android специальное геолокационное приложение - Google Maps. Оно быстро находит спутники, разрабатывает маршруты до объектов и предлагает альтернативы. К сожалению, при отсутствии зоны покрытия сотовой сети Google Maps не работает, так как географические карты тут подгружаются через интернет.

Для навигации без использования сети лучшим выходом будет скачать приложения с поддержкой оффлайн-карт, например, Maps.me, Navitel и 2GIS. Также можно установить приложение «Карты: транспорт и навигация» для Google Maps.

В этом случае придется расходовать интернет-трафик для загрузки карт не придется - они будут всегда в вашем устройстве, независимо от местоположения. Особенно это актуально при нахождении за границей, так как стоимость роуминга для доступа в интернет весьма высока.

Как включить GPS на Android?

Активация GPS-модуля в операционной системе Android возможна двумя способами:

• Верхняя шторка. Проведите по дисплею сверху вниз и в открывшемся меню нажмите кнопку «Местоположение», «Геолокация» или «Геоданные» (зависит от версии Android).
• В настройках Android найдите пункт аналогичные пункты передвиньте флажок в положение «Включено».

Во время активной работы навигационной системы смартфона заряд его аккумулятора начинает расходоваться достаточно активно, поэтому стоит позаботиться о дополнительных источниках питания. Например, за рулем нужно воспользоваться автомобильной зарядкой, а при передвижении на велосипеде или пешком - .

Также стоит помнить, что уверенный прием спутникового сигнала возможен на открытой местности, поэтому при нахождении в помещении или туннеле геолокация становится невозможной. Пасмурная погода также влияет - из-за туч устройство дольше ищет спутники и менее точно определяет свои координаты.

Не так давно GPS была единственной системой геолокации, поэтому в ранних версиях Android упоминалась только она, а кнопка активации службы так и называлась. С 2010 года полноценно заработала российская , а с 2012 - .