Десять лет назад вряд ли можно было поверить в то, что каждый человек сможет купить недорогой карманный прибор, который на основе современных космических технологий точно указывает местоположение в любой точке земного шара. Казалось, что известные уже несколько столетий компас и карта останутся вечными спутниками тех, кто находится в пути. Сегодня же мы видим, как бытовые GPS-навигаторы используются не только практически всеми яхтсменами и летчиками-любителями, но также находят широкое применение в автомобильных навигационных системах и все чаще сопровождают любителей отдыха на природе в их разнообразных путешествиях.
Что такое GPS?
GPS - это аббревиатура названия глобальной навигационной спутниковой системы определения местоположения Global Position System. GPS-система состоит из некоторого количества специально разработанных низкоорбитальных спутников, которые служат для определения точных координат.
Принцип определения координат заключается в одновременном измерении расстояния до нескольких спутников с известными параметрами их орбит на каждый момент времени и последующем вычислении по измененным расстояниям своих координат, при этом таких спутников должно быть не менее трех.
Первоначально система GPS навигации была разработана, как это часто бывает, для военных целей, но постепенно стало ясно, что она может успешно применяться и для решения ряда гражданских задач, например, морской или автомобильной навигации, о которой мы поговорим отдельно.
Как работает GPS
Над планетой на высоте 20 000 километров вращаются 24 спутника американской системы NAVSTAR. Задача всех этих спутников - непрерывная передача своего идентификационного номера и точного времени, которое отсчитывается по атомным часам, установленным на каждом спутнике. При излучении сигнала используется фазовая модуляция, использование которой совместно с шумоподобным типом сигнала позволяет применять передатчики относительно малой мощности, избавиться от многих помех, возникающих при преодолении немаленького расстояния от спутника до GPS-приемника при прохождении через слои атмосферы, и многих других природных и искусственных помех, встающих на пути сигнала.
Для того чтобы определить координаты любой точки в пространстве, необходимо знать координаты как минимум трех спутников и расстояние от спутников до искомой точки. Если все это известно, то точка пересечения трех сфер вращения, образованных их радиусами длиной в расстояние от спутника до GPS-приемника, и есть местоположение точки в пространстве. Путем несложных математических вычислений эта информация преобразовывается в любую систему координат. Остается единственная задача - узнать расстояние от спутника до GPS-приемника. Траектории всех спутников рассчитаны с огромной точностью на десятки лет вперед, т.е. в любой момент времени известно, где и какой спутник находится. Это необходимо для синхронизации точного времени спутников с обычными часами GPS-приемника. Как только время синхронизировано, начинается непосредственное определение расстояния до спутников. Еще из курса школы известно, что, зная скорость и время, всегда можно найти расстояние. Скорость распространения сигнала, опять же, известна заранее с достаточной точностью, время посчитать не составляет труда, т.к. известно с точностью атомных часов, во сколько сигнал был отправлен спутником и во сколько он был принят GPS-приемником. Все неизвестные найдены, остается измерить расстояния еще несколько сотен раз для достижения заданной точности.
Учитывая вышесказанное, мы видим, что для определения точного местоположения в двумерном пространстве (т.е. по широте и долготе) необходимо получить сигналы минимум от 3-х спутников. К счастью, сегодня количество GPS-спутников достаточно велико даже для того, чтобы в любой точке земного шара определить не только двумерные, но и трехмерные координаты - широту, долготу и высоту над уровнем моря. Для этого нужно получать сигналы минимум от 4-х спутников. При этом, чем больше спутников “видит” Ваш GPS-приемник, тем точнее он может определить координаты местоположения - вплоть до максимального предела, определяемого точностью системы. Из этого, в частности, следует, что точность работы GPS-навигатора снижается, если сигналы от некоторых спутников экранируются местными предметами (рельефом местности, деревьями с плотной кроной, высокими зданиями и т.п.).
Способ радиообмена между спутниками и GPS-приемником также достаточно необычен. Дело в том, что все спутники вещают одновременно на одной и той же частоте. Для того чтобы GPS-приемник мог определить, от какого спутника исходит данная информация, бортовые передатчики посылают в составе своего сигнала стандартный идентификационный код, который сравнивается с кодами, находящимися в памяти приемника. Таким образом независимо от того, сколько и каких спутников находятся в поле зрения приемника, последний может без труда идентифицировать источники сигналов. Такой подход не только упрощает схему GPS-приемника, но и, несмотря на малый уровень радиосигналов, позволяет использовать в них малогабаритные приемные антенны.
Как известно, спутниковая GPS-система оплачивается и контролируется Департаментом обороны США, который зарезервировал предельную точность исключительно для своих военных целей. Для этого передаваемый спутниками сигнал кодируется с помощью специального Р-кода, который может быть декодирован только военными GPS-приемниками. В дополнение к этому в сигналы времени от спутниковых атомных часов добавляется случайная ошибка, которая искажает полученные значения координат. В результате точность гражданских GPS-приемников ухудшается в несколько раз по сравнению с военными. Если бы была хоть какая-нибудь возможность отследить желающих принимать сигналы спутников, GPS-навигация наверняка была бы платной. Но, учитывая, что на данный момент развития науки это невозможно в принципе, и то, что после запуска спутников практически никаких расходов на поддержание их в рабочем состоянии не требуется, система оставалась, остается и останется бесплатной.
Немного терминологии
Рассматривая технические характеристики того или иного приемника, вы можете увидеть различные термины, вроде Cold Start или Warm Start (холодный и теплый старт). Что же означают эти термины?
При холодном старте время и координаты приемнику известны с некоторыми ограничениями, а альманах и эфемерида не известны.
При теплом старте время, координаты и альманах известны, опять же, с ограничениями. Эфемерида как минимум от 3-х спутников известна после последнего выключения приемника.
Что такое альманах и эфемерида? Давайте попробуем разобраться, но по порядку. Спутники постоянно передают два типа данных: альманах и эфемериду.
- Альманах – данные об орбитах всех спутников. Каждый спутник передает альманах для всех спутников. Эти данные не всегда точны и обновляются примерно один раз в несколько месяцев.
- Эфемерида - сравнительно более точные данные об орбите спутника. Часы корректируются отдельно для каждого спутника, что очень важно для максимально точного позиционирования, а каждый спутник передает только собственную эфемериду. Достоверность этих данных определяется особенностями конкретного спутника, а сами данные актуальны в течение короткого времени - от 30 минут до 4-6 часов. Каждый набор эфемерид имеет свой индикатор, сообщающий о том, как долго эти данные будут оставаться актуальными. Эфемериды передаются спутником каждые 30 секунд. Такой промежуток времени выбран для того, чтобы GPS-приемники успевали принимать и обрабатывать эту информацию.
Когда вы включаете GPS-приемник, он начинает искать спутники там, где, по его мнению, они должны находиться. Это мнение основывается на альманахе и текущем времени, и, исходя из этих данных, приемником выбираются спутники для первоначального поиска. Эфемериды принимаются от каждого спутника, видимого приемником, проверяются на достоверность и достаточность информации для определения координат.
Если питание приемника выключить и сразу же включить, эфемериды будут считаться актуальными, и приемник быстро найдет спутники, так как ему нет необходимости обновлять данные. Такая ситуация называется «теплый» старт. Если же эфемериды устарели, GPS-приемник начнет заново собирать новые эфемериды для всех спутников с устаревшими данными, хотя в реальности GPS-приемники постоянно собирают свежие эфемериды.
Рассмотрим ситуацию, когда на момент включения приемника «свежие» эфемериды были менее, чем для трех спутников – в таком случае определение координат местоположения станет невозможным, пока не будет пойман хотя бы еще один дополнительный спутник.
Если приемник перемещается, например, находясь в автомобиле, то сбор эфемерид займет более длительное время, чем при неизменном местоположении, а если GPS-приемник увезти на расстояние нескольких сотен километров в выключенном состоянии, или если в нем сбилось точное время, то эфемериды окажутся недостоверными, и приемник попытается найти спутники там, где их уже нет.
Когда вы приобретаете GPS-приемник и включаете его в первый раз, то он «находится в растерянности», потому что не знает, где находится. Чтобы определить свое местоположение, приемник начинает сканировать частоту в поисках сигналов спутников. Такой процесс принято называть «холодным» стартом. Холодный старт состоит из поиска спутника, декодирования получаемых сигналов и проведения необходимых расчетов, что в совокупности может занимать от 5 до 20 минут. Точная продолжительность процесса зависит от множества факторов, которые включают количество видимых спутников и алгоритм поиска, реализованный в отдельно взятой модели.
Если же приемник знает свое местоположение, то процесс определения местоположения сокращается в несколько раз, а при наличии в памяти устройства ранее запомненного альманаха точные координаты будут определены в течение нескольких секунд. Такую ситуацию называют «горячий» старт.
Довольно часто можно услышать или прочитать в описаниях программ и самих устройств аббревиатуры, такие как NMEA, SiRF, WAAS, DGPS. А иногда у обывателя возникает вопрос: “Зачем в приемниках одновременно и NMEA, и SiRF?” Чтобы ответить на этот вопрос, вернемся к терминологии.
NMEA – протокол передачи сообщений между приборами, установленными на судах. Большинство из существующих навигационных приемников выдают данные в стандарте NMEA-0183, который является международным стандартом, разработанным «Национальной Ассоциацией Морской Электроники» для обмена данными между морскими электронными приборами. Данные NMEA-0183 - это самый обычный текст в кодах ASCII, пересылаемый со скоростью 4800 бод.
SiRF - главный электронный компонент в GPS-чипе приемника. Этот чип производит обработку получаемых от спутников сигналов, пытаясь принять сигналы от всех видимых спутников. Спутники с самыми слабыми сигналами будут проигнорированы чипом, который попытается выделить только спутники с наиболее сильными сигналами.
Исходя из этого делаем заключение: NMEA это протокол, а SiRF - электронный чип, обрабатывающий данные. Большинство GPS-приемников изготовлено на чипсетах американской компании SiRF Technology, а самая последняя разработка – чип SiRF STAR III, который отличается в лучшую сторону пониженным энергопотреблением и способностью принимать до 20 параллельных каналов, хотя есть и другие варианты.
WAAS - “Wide Area Augmentation System” - комплекс спутниковых и наземных средств, обеспечивающий навигаторы GPS корректирующими сигналами, что резко повышает точность определения координат, примерно в пять раз. Навигаторы с возможностями WAAS способны в 95% случаев определять координаты точнее 3м. Система WAAS бесплатна, и для ее использования никакого дополнительного оборудования приобретать не потребуется.
На данный момент система WAAS действует только на территории Северной Америки. В Южной Америке и Европе нет наземных станций, так что даже если ваш GPS-навигатор и может принимать сигналы WAAS, то на территории нашей страны отсутствует возможности получать подобный сигнал, а потому точность стандартной GPS-навигации не повысится.
В Европе существует аналог WAAS - система EGNOS, сокращение от «European Geostationary Navigation Overlay Service» (Европейская геостационарная навигационная оверлейная служба). Эта система разрабатывалась для улучшения точности передачи навигационных сигналов американских спутников GPS и российских ГЛОНАСС. Система EGNOS должна принимать сигналы со спутников обеих систем и обрабатывать их, используя метод коррекции сигнала, повышая точность получаемой информации до 2-3 метров. На самом деле EGNOS - это лишь начало реализации европейской глобальной спутниковой навигационной системы Galileo, которая, как предполагается, будет состоять из 30 собственных спутников и начнет работу в 2006-2008 годах.
DGPS – Differential GPS. Для DGPS используются координаты от двух GPS-приемников, рабочего и эталонного - стационарно установленного в строго определенном месте, координаты которого измерены с высокой точностью. Оба приемника пеленгуют GPS-спутники в один и тот же промежуток времени, что дает возможность вычислить поправку и довести точность до 3-5 метров. Для приема поправок необходимо иметь специальный приемник в дополнение к стандартному. Система трансляции поправок через FM-радиостанции является платной услугой. Подписчики данной услуги получают специальный FM-приемник, работающий в связке с GPS-приемником, но, опять же, – на территории нашей страны это неактуально.
A-GPS - Assisted GPS. A-GPS - система призванная улучшить работу GPS-приемника. По сути, A-GPS это сервис, который позволяет получить информацию о текущем положении спутников используя данные передаваемые по сотовой сети оператора связи, что в значительной мере ускоряет процесс определения координат. Говоря проще - для определения координат устройству необходимы данные со спутников, но на их получение тратится время, которое может отнять от нескольких десятков секунд, до нескольких минут, а получая информацию о текущем положении спутников с помощью интернет соединения через сотовую сеть, время ожидания можно сократить до минимума.
Конечно, теория не поможет вам выбрать
идеальный навигатор немедленно, но может послужить хорошим маяком,
поэтому, вооружившись знаниями следует приступать к изучению указанных
характеристик понравившегося устройства. Так же стоит отметить, что
иногда изготовитель предлагает гаджет с отличными техническими
характеристиками, но программное обеспечение оставляет желать лучшего.
Поменять же программу зачастую невозможно, так как большая часть
изготовителей блокирует такую возможность, но из любых правил есть
исключения. В идеале, лучше всего поспрашивать мнения знакомых уже
пользовавшихся подобным устройством, но не бежать за покупкой, слепо
доверившись мнению, а попробовать навигатор самому - все же, в немалой
степени именно от купленного прибора зависит состояние вашей нервной
системы 
При написании статьи использованы материалы сайтов:
- http://www.arsenalauto.ru
- http://www.ulov.ru
