Самое главное о GPS-навигации: что такое GPS и зачем он нужен? Что такое GPS и A-GPS

Спутниковая навигация GPS давно уже является стандартом для создания систем позиционирования и активно применяется в различных трекерах и навигаторах. В проектах Arduino GPS интегрируется с помощью различных модулей, не требующих знания теоретических основ. Но настоящему инженеру должно быть интересно разобраться со принципом и схемой работы GPS, чтобы лучше понимать возможности и ограничения этой технологии.

Схема работы GPS

GPS – это спутниковая навигационная система, разработанная Министерством обороны США, которая определяет точные координаты и время. Работает в любой точке Земли в любых погодных условиях. GPS состоит из трех частей – спутников, станций на Земле и приемников сигнала.

Идея создания спутниковой навигационной системы зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. Американская группа ученых, наблюдающая за запуском советских спутников, заметила, что при приближении спутника частота сигнала увеличивается и уменьшается при его отдалении. Это позволило понять, что возможно измерить положение и скорость спутника, зная свои координаты на Земле, и наоборот. Огромную роль в развитии навигационной системы сыграл запуск спутников на низкую околоземную орбиту. А в 1973 году была создана программа «DNSS» («NavStar»), по этой программе спутники запускались на среднюю околоземную орбиту. Название GPS программа получила в том же 1973 году.

Система GPS на данный момент используется не только в военной области, но и в гражданских целях. Сфер применения GPS много:

Мобильная связь;
Тектоника плит – происходит слежение за колебаниями плит;
Определение сейсмической активности;
Спутниковое отслеживание транспорта – можно проводить мониторинг за положением, скоростью транспорта и контролировать их движение;
Геодезия – определение точных границ земельных участков;
Картография;
Навигация;
Игры, геотегинт и прочие развлекательные области.

Важнейшим недостатком системы можно считать невозможность получения сигнала при определенных условиях. Рабочие частоты GPS лежат в дециметровом диапазоне волн. Это приводит к тому, что уровень сигнала может снизиться из-за высокой облачности, плотной листвы деревьев. Радиоисточники, глушилки, а в редких случаях даже магнитные бури также могут мешать нормальной передаче сигнала. Точность определения данных будет ухудшаться в приполярных районах, так как спутники невысоко поднимаются над Землей.

Навигация без GPS

Основным конкурентом GPS является российская система ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система). Свою полноценную работу система начала с 2010 года, попытки активно использовать ее предпринимались с 1995 года. Существует несколько отличий между двумя системами:

Разные кодировки – американцы используют CDMA, для российской системы используется FDMA;
Разные габариты устройств – ГЛОНАСС использует более сложную модель, поэтому повышается энергопотребление и размеры устройств;
Расстановка и движение спутников на орбите – российская система обеспечивает более широкий охват территории и более точное определение координат и времени.
Срок службы спутников – американские спутники делаются более качественными, поэтому они служат дольше.

Помимо ГЛОНАСС и GPS существуют и другие менее популярные навигационные системы – европейский Galileo и китайский Beidou.

Описание GPS

Принцип работы GPS

Работает система GPS следующим образом – приемник сигнала измеряет задержку распространения сигнала от спутника до приемника. Из полученного сигнала приемник получает данные о местонахождении спутника. Для определения расстояния от спутника до приемника задержка сигнала умножается на скорость света.

С точки зрения геометрии работу навигационной системы можно проиллюстрировать так: несколько сфер, в середине которых находятся спутники, пересекаются и в них находится пользователь. Радиус каждой из сфер соответственно равен расстоянию до этого видимого спутника. Сигналы от трех спутников позволяют получить данные о широте и долготе, четвертый спутник дает информацию о высоте объекта над поверхностью. Полученные значения можно свести в систему уравнений, из которых можно найти координату пользователя. Таким образом, для получения точного местоположения необходимо провести 4 измерения дальностей до спутника (если исключить неправдоподобные результаты, достаточно трех измерений).

Поправки в полученные уравнения вносит расхождение между расчетным и фактическим положением спутника. Погрешность, которая возникает в результате этого, называется эфемеридной и составляет от 1 до 5 метров. Также свой вклад вносят интерференция, атмосферное давление, влажность, температура, влияние ионосферы и атмосферы. Суммарно совокупность всех ошибок может довести погрешность до 100 метров. Некоторые ошибки можно устранить математически.

Чтобы уменьшить все погрешности, используют дифференциальный режим GPS. В нем приемник получает по радиоканалу все необходимые поправки к координатам от базовой станции. Итоговая точность измерения достигает 1-5 метров. При дифференциальном режиме существует 2 метода корректировки полученных данных – это коррекция самих координат и коррекция навигационных параметров. Первый метод использовать неудобно, так как все пользователи должны работать по одним и тем же спутникам. Во втором случае значительно увеличивается сложность самой аппаратуры для определения местоположения.

Существует новый класс систем, который увеличивает точность измерения до 1 см. Огромное влияние на точность оказывает угол между направлениями на спутники. При большом угле местоположение будет определяться с большей точностью.

Точность измерения может быть искусственно снижена Министерством обороны США. Для этого на устройствах навигации устанавливается специальный режим S/A – ограниченный доступ. Режим разработан в военных целях, чтобы не дать противнику преимущества в определении точных координат. С мая 2000 года режим ограниченного доступа был отменен.

Все источники ошибок можно разделить на несколько групп:

Погрешность в вычислении орбит;
Ошибки, связанные с приемником;
Ошибки, связанные с многократным отражением сигнала от препятствий;
Ионосфера, тропосферные задержки сигнала;
Геометрия расположения спутников.

Основные характеристики

В систему GPS входит 24 искусственных спутника Земли, сеть наземных станций слежения и навигационные приемники. Станции наблюдения требуются для определения и контроля параметров орбит, вычисления баллистических характеристик, регулировка отклонения от траекторий движения, контроль аппаратуры на бору космических аппаратов.

Характеристики навигационных систем GPS :

Количество спутников – 26, 21 основной, 5 запасных;
Количество орбитальных плоскостей – 6;
Высота орбиты – 20000 км;
Срок эксплуатации спутников – 7,5 лет;
Рабочие частоты – L1=1575,42 МГц; L2=12275,6МГц, мощность 50 Вт и 8 Вт соответственно;
Надежность навигационного определения – 95%.

Навигационные приемники бывают нескольких типов – портативные, стационарные и авиационные. Приемники также характеризуются рядом параметров:

Количество каналов – в современных приемников используется от 12 до 20 каналов;
Тип антенны;
Наличие картографической поддержки;
Тип дисплея;
Дополнительные функции;
Различные технические характеристики – материалы, прочность, защита от влаги, чувствительность, объем памяти и другие.

Принцип действия самого навигатора – в первую очередь устройство пытается связаться с навигационным спутником. Как только связь будет установлена, происходит передача альманаха, то есть информации об орбитах спутников, находящихся в рамках одной навигационной системы. Связи с одним только спутником недостаточно для получения точного местоположения, поэтому оставшиеся спутники передают навигатору свои эфемериды, необходимые для определения отклонений, коэффициентов возмущения и других параметров.

Холодный, теплый и горячий старт GPS навигатора

Включив навигатор впервые или после долгого перерыва, начинается долгое ожидание для получения данных. Долгое время ожидания связано с тем, что в памяти навигатора отсутствуют либо устарели альманах и эфемериды, поэтому устройство должно выполнить ряд действий по получению или обновлению данных. Время ожидания, или так называемое время холодного старта, зависит от различных показателей – качество приемника, состояние атмосферы, шумы, количество спутников в зоне видимости.

Чтобы начать свою работу, навигатор должен:

Найти спутник и установить с ним связь;
Получить альманах и сохранить его в памяти;
Получить эфемериды от спутника и сохранить их;
Найти еще три спутника и установить с ними связь, получить от них эфемериды;
Вычислить координаты при помощи эфемерид и местоположения спутников.

Только пройдя весь этот цикл, устройство начнет работать. Такой запуск и называется холодным стартом .

Горячий старт значительно отличается от холодного. В памяти навигатора уже имеется актуальный на данный момент альманах и эфемериды. Данные для альманаха действительны в течение 30 дней, эфемерид – в течение 30 минут. Из этого следует, что устройство выключалось на непродолжительное время. При горячем старте алгоритм будет проще – устройство устанавливает связь со спутником, при необходимости обновляет эфемериды и вычисляет местоположение.

Существует теплый старт – в этом случае альманах является актуальным, а эфемериды нужно обновить. Времени на это затрачивается немного больше, чем на горячий старт, но значительно меньше, чем на холодный.

Ограничения на покупку и использование самодельных модулей GPS

Российское законодательство требует от производителей уменьшать точность определения приемников. Работать с незагрубленной точностью может производиться только при наличии у пользователя специализированной лицензии.

Под запретом в Российской Федерации находятся специальные технические средства, предназначенные для негласного получения информации (СТС НПИ). К таковым относятся GPS трекеры, которые используются для негласного контроля над перемещением транспорта и прочих объектов. Основной признак незаконного технического средства – его скрытность. Поэтому перед приобретением устройства нужно внимательно изучить его характеристики, внешний вид, на наличие скрытых функций, а также просмотреть необходимые сертификаты соответствия.

Также важно, в каком виде продается устройство. В разобранном виде прибор может не относиться к СТС НПИ. Но при сборе готовое устройство уже может относиться к запрещенным.

Просматривая разного рода GPS оборудование, наверняка Вы встречали аббревиатуру A-GPS (чаще всего встречается на смартфонах). Что же такое A-GPS и почему было бы хорошо иметь данную функцию?
Следует отметить, что начиная с 2012 года все GPS трекеры компании Интелли имеют данную функцию.

A-GPS расшифровывается как Assisted GPS (сопровождаемый GPS), функция помогает GPS модулю установить спутниковый сигнал. Так называемое «время холодного старта» - время необходимое для определения координат с момента включения GPS у полностью выключенного устройства. Существует, так называемый параметр TTFF (время определения координат), этот период значительно увеличивается в сложных условиях, когда нет прямой видимости всех спутников. Чаще всего такое происходит в условиях плотной городской застройки, когда спутниковые сигналы отражаются от все близлежащий зданий.

Необходимо сказать, что функция AGPS работает только при условии подключения к мобильному интернету. Это может быть GPRS передача данных или WCDMA (3g-мобильный интернет). Передавая и получая данные из интернета, связанные с местоположением, технология позволяет ускорить процесс определения своих координат. О том, какие данные передаются через интернет будет сказано ниже.

Первый старт устройства GPS - называется холодным стартом или заводским стартом. В это время в устройство подгружаются три типа данных: спутниковые сигналы, данные альманаха и эфемерид данных), для определения своего местоположения. Холодный старт происходит, после продолжительного выключенного состояния, перемещения на большие дистанции или при сбросе данных кеша (сохранённые данные о последнем местоположении модуля.

Для автономных GPS приемников, холодный старт может занять до 10 минут. Однако, в случае если сигнал неуверенный и прерывается во время запуска определения координат, (из-за низкого уровня сигнала, погодных условий, зданий, прочее), холодный старт может занять и больше времени.

A-GPS помогает ускорить определение координат, подключаясь через интернет к веб-серверу (называемый Assisted-сервер), который уже содержит актуальную информацию о всех спутниках. Эта информация передаются через GPRS на телефон.

Кроме того, было показано, что даже теплый старт происходит быстрее используя А-GPS, в среднем на минуту.

Что технология А-GPS не делает

Не смотря на то, что описанная функция замечательно улучшая показатели работы спутникового модуля, есть определенные ограничения. Спутниковый сигнал не будет обнаружен внутри больших и железобетонных зданий (далеко от окон). Также, GPS сигнал не будет работать под водой и, даже, под землей. Кстати, в отсутствии мобильной связи (интернета), данная функция тоже не работает.

Кроме того, не нужно путать функцию А-GPS с WI-Fi позиционированием или методом «триангуляции» для сотовых телефонов, когда определение координат по GPS невозможно.

Некоторые устройства совмещают указанные методы позиционирования. Такие способы определения местоположения называются: гибридные системы позиционирования.

К чему движется компания ООО «Интелли» своих разработках? В первую очередь это интегрированные системы позиционирования.

В идеальных условиях GPS или Глонасс является самым быстрым и точным способом определения местоположения объекта. Вместе с тем, существуют определенные ограничения позиционирования: внутри зданий, под землей (подземный паркинг, например), под водой, прочее. Технология позиционирования, к которой мы пришли, заключается в предоставлении нашим клиентам комплексного решения.

В 2010 году на конгрессе FIG, основным трендом являлось повсеместное позиционирование используя все доступные технологии: GPS/Glonass, WI-Fi позиционирование и метод триангуляции для сотовых телефонов.

Объединение преимуществ указанных технологий позволит улучшить не только точность и стабильность работы систем GPS мониторинга, но и будет использоваться повсеместно во всех популярных мобильных устройствах.

Система глобального позиционирования GPS (Global Positioning System) изначально была запланирована для пользования вооруженными силами США. В дальнейшем стала первой системой спутниковой навигации, применяемой для гражданских целей, и используется в настоящее время для навигации по всему миру.

Принцип работы GPS базируется на использовании группировки из 30 спутников, которая кроме 27 действующих включает еще на случай поломки одного из основных 3 запасных спутника. Рабочая орбита спутников равна примерно 19 000 км, за сутки каждый спутник делает два оборота вокруг Земли. Комплект спутников сконфигурирован таким образом, что обеспечивает круглосуточный прием сигнала из любой точки Земли, как минимум, четырьмя спутниками, то есть тем минимумом, который требуется для определения точного местоположения. GPS-приемник рассчитывает свое местоположение по отношению к видимым спутникам. Чем больше будет количество доступных спутников в зоне и чем сильнее будет уровень сигнала от них, тем точнее будут результаты определения координат.

GPS-приемник по задержке передачи сигнала определяет расстояние до каждого спутника. Далее, имея пространственные координаты 3 точек и 3 расстояния до искомой точки, легко находится место нахождения приемника на плоскости. Поскольку система работает в пространстве, а не на плоскости, требуется наличие четвертого спутника, который позволяет однозначно определить координаты точки в трехмерном пространстве. По сравнению с решением теоретической геометрической задачи, практическое определение отличается наличием погрешностей определения расстояния до спутников, что приводит к тому, что результатом определения может стать не точка, а область определенного радиуса. Однако, увеличение количества видимых спутников приведет к уменьшению этого радиуса и, следовательно, точность определения местоположения возрастет. На практике, система GPS в гражданском исполнении обеспечивает точность с радиусом 30 метров, а военные приемники – до 3 метров. Количество видимых спутников зависит от конкретной модели приемника. Кроме того, для качественной работы системы GPS необходима взаимная точная синхронизация спутника и GPS-приемника, чтобы точно рассчитать задержку от заранее определенного времени посылки сигнала со спутника.

Навигация GPS в наше время нашла самое широкое применение. В частности, в навигаторах, где она объединена и привязана к электронным картам. Такая технология позволяет не только определять координаты местонахождения абонента, но и планировать маршрут передвижения в соответствии со способом перемещения и другими исходными требованиями. Многие модели мобильных телефонов оснащаются GPS-навигаторами. Сочетание мобильной связи с системой глобального позиционирования GPS привело к созданию новой вспомогательной технологии – A-GPS (Assisted GPS), которая предполагает использование Интернета для улучшения качества работы базовой системы позиционирования по двум направлениям. Во-первых, GPS-приемник после включения первым делом определяет местоположение спутников. Иногда по причине слабого сигнала процедура может растянуться на несколько минут. При помощи технологии A-GPS информация о месторасположении спутников запрашивается через сеть Интернет в специальных дата центрах. Во-вторых, для вычисления местоположения от большого количества спутников при плохих условиях прохождения сигналов от спутников требуются производительные вычислительные мощности, которые присутствуют далеко не во всех терминалах. Отправка полученных предварительных значений в дата центры и получение готовых координат может существенно ускорить процесс первоначального позиционирования. Кроме этого, доступ к Интернету может использоваться для других целей. Это могут быть, например, синхронизация или получение информации об атмосферном состоянии, что может оказать заметное влияние на расчеты.

В последнее время многие страны проявляют интерес в создании систем глобального позиционирования собственного производства. Примерами могут служить Глонас в России или Галилео в Европе. Такие устремления вызваны желанием получить независимость от Американской системы, так как остается возможность отключения системы по инициативе ее собственника, что может привести к серьезным сбоям в функционировании важных систем внутри государства. В таких ответственных гражданских системах для повышения надежности и точности обычно используются спаренные двойные системы из 2-х и более систем позиционирования.

Недостатки GPS

При эксплуатации системы глобального позиционирования GPS могут возникать следующие проблемы:

При первом определении координат время зависит от орбитальных данных и от актуальности хранящейся в приемнике истории. Другими словами, чем дольше устройство было отключено, тем больше оно должно получить информации до момента, когда определение позиции станет возможным. Например, если устройство было отключено 2 - 6 часов, то ему понадобится примерно 45 секунд. Если же устройство не работало несколько дней, либо при движении без получения информации более 300 км - до 12,5 минут.
Существуют сильные ограничения видимости GPS спутников в городских условиях, а в туннелях или закрытых помещениях видимость вообще невозможна.
Высокое энергопотребление GPS-приемника.

Функции A-GPS

Алгоритмы системы A-GPS требуют канала связи с удаленным сервером, предоставляющего информацию для приемника. Обычно для мобильных устройств таким каналом является сотовая связь. Для осуществления обмена информацией устройство должно располагаться в зоне действия базовой станции оператора мобильной связи и иметь доступ в сеть Интернет.

Существует два режима работы A-GPS:

Базовый режим On-line, при котором приёмник получает информацию об орбитах спутников через инфраструктуру и вычисляет местоположение по полученным от пользователей данным. Данный режим требует от оператора сотовой связи высокой плотности покрытия.
Вспомогательный режим Off-line, который ускоряет время холодного и горячего старта приёмника A-GPS, обновляющего альманах, эфемериды и перечень доступных спутников. Причем приём спутниковых сигналов и определение собственного местоположения GPS-приёмник выполняет самостоятельно. Однако некоторые A-GPS приёмники не могут работать в таком режиме.

Преимущества A-GPS

Среди преимуществ A-GPS стоит отметить быстрое получение местоположения сразу после включения и повышенную чувствительность приёма слабых сигналов в проблемных зонах (тоннелях, впадинах, в помещениях, на узких городских улицах, в густом лиственном лесу).

Недостатки A-GPS

A-GPS не может функционировать за пределами действия сотовой сети. Существуют приёмники с модулем A-GPS, объединенным с радиомодулем GSM, которые не могут стартовать при отключенном радиомодуле. Для старта самого модуля A-GPS наличие сети GSM не является обязательным. Модули A-GPS при запуске потребляют небольшой трафик 5-7 кБ, а вот при потере сигнала необходимо выполнение повторной синхронизации, что может увеличить затраты клиента, особенно в роуминге.

Практически каждый путешественник в наше время, путешествующий даже самым диким образом, почти не может обойтись без использования современных гаджетов. В данный момент на рынке представлено огромное количество техники, делающей нашу жизнь не только веселее и интересней, но еще и проще.

Как работает GPS-навигация?

GPS навигаторы - это незаменимая вещь как в путешествии, так и в обыденной жизни. Его преимущество заключается в том, что независимо от места вашего нахождения и наличия сотовой связи, он будет работать и определит ваши координаты.

GPS (Global Positioning System) - это глобальная система позиционирования, которая состоит из общей, единственной сети спутников. В путешествии GPS навигаторы могут быть различными, но самым оптимальным вариантом в нынешнее время является смартфон.

Современные смартфоны оснащены быстрыми процессорами, подходящими для навигатора дисплеем и достаточным объемом оперативной и внутренней памяти. Так что, если вдруг вы заблудитесь в лесу, это не станет для вас проблемой. Соответственно, с помощью смартфона с правильным программным обеспечением можно спланировать любой маршрут, узнать место вашего нахождения, рассчитать расстояния до определенного объекта, путь передвижения, среднюю скорость, а так же время от времени получать подсказки вдоль всего вашего маршрута.

При хороших условиях видимости погрешность определения оставляет от 6 до 15 метров. Турист даже с недорогим смартфоном (при наличии GPS навигатора, конечно) не потеряется в чужой стране, конечно, при условии, что он заранее скачал карты.

В чем преимущество A-GPS?

Иногда случается, что погодные условия или местность не позволяют определить место нахождения. Это происходит чаше всего в городах, где большое количество транспорта, тоннелей, небоскребов, они препятствуют хорошему сигналу. Именно для таких ситуаций была разработана технология A GPS (Assisted GPS).

Она ускоряет «холодный старт» GPS приемника. То есть ускоряет определение координат через иные доступные каналы связи. В данном случае это интернет вашего оператора. Сигнал о вашем местонахождении уже проходит не на прямую от спутника, а через базовые станции, которые позволяют ретранслировать сигналы GPS.

Превосходство A GPS в том, что для мобильной связи практически нет ограничений и работает он гораздо быстрее даже при слабом сигнале. Для получения данных через GPS устройству необходим доступ в интернет. Это несколько обязует. Оплата за доступ в интернет зависит от предоставляемых услуг вашего провайдера. Но трафик в данной ситуации очень мал, он передает исключительно числовое значение.

Заключение

Поддержка A GPS в вашем смартфоне 100% не будет лишней. Данная технология поможет найти дорогу там, где традиционная навигация не будет работать. Поэтому при выборе смартфона лучше учитывать ваш образ жизни и род деятельности. Вдруг вы окажетесь на необитаемом острове?

Это компьютер и приемник, заключенные в общий корпус. Приемник получает сигналы от спутников, находящихся на орбите, а компьютер, в свою очередь, расшифровывает эти сигналы и указывает местоположение приемника. В 1977 году был запущен GPS. Его запустили разработчики самой программы - американцы. Система GPS использовалась до 1983 года только военными, а уже после стала доступна для пользования обычных людей.

Многие владельцы GPS-навигаторов замечали, что в местах нахождения большого количества высоких сооружений и зданий устройство ищет спутники довольно продолжительное время. Решением этой проблемы стала система A-GPS.

Рассмотрим, что такое A-GPS и когда она необходима.

Учитывая то, что эта система достаточно молодая (ее дебют пришелся на 2001 год), вопрос о том, что такое A-GPS, в настоящее время актуален. Она, как и GPS, была разработана в США. A-GPS представляет собой систему, ускоряющую работу GPS-приемника в определении координат. Эта система пользуется сигналом, исходящим от вышек сотовой связи, соответственно, чем в видимости устройства этих вышек больше, тем выше точность определения расстояния. При каждом стартовом поиске спутников A-GPS предоставляет навигатору расположение наиболее близких спутников через специальные серверы. Узнав, что такое A-GPS, становится понятно, что с ее помощью работа GPS-навигатора станет гораздо эффективнее. Ведь благодаря совместной работе двух устройств определение местоположения ускоряется в разы.

Определившись, что такое A-GPS и GPS-навигатор, стоит уделить внимание GPS-трекеру. Это устройство предназначено для наблюдения через спутник за передвижением объекта, на котором «установлено» это маленькое электронное устройство. GPS-трекер представляет своеобразный «жучок», который без проблем можно спрятать, например, в салоне автомобиля, и таким образом отследить все дальнейшие перемещения данного объекта.

В основном, GPS-трекер включает в себя 2 устройства: GPS-приемник и GSM-модем. При помощи он имеет возможность определить координаты движения и скорость, а затем передать эти данные наблюдателю посредством GPRS-канала (через сотовую связь).

Узнав из нашей статьи все о навигаторах, можно смело приобретать это устройство, ведь в современном городе, особенно если просто невозможно обойтись без этой техники.