Что такое GPS и зачем это нужно.

Сегодняшней статьёй на нашем сайте мы открываем цикл: «Что такое GPS и зачем это нужно?»

Статья №1. Обзор технологий и технических возможностей системы GPS.

Сегодня технология GPS все больше завоёвывает популярность среди широкого круга людей разных профессий, рода деятельности и увлечений от "профессиональных" путешественников и людей ведущих активный образ жизни до любителей рыбалки или просто автолюбителей. Этому существует простое объяснение:

• Стоимость оборудования сегодня все более доступна и для людей разного уровня достатка.
• Эксплуатация GPS навигации абсолютно бесплатна!
• GPS навигация покрывает всю территорию Земли, даже нашу нэньку Украину :-)
• Массовый выход на рынок устройств и программ для всех категорий пользователей. От защищенных и лёгких спец устройств до автомобильной навигационной системы с экраном 23 сантиметра и выводом кроме GPS карты всех данных об эксплуатации автомобиля.

Таким образом, сейчас любой человек которому нужно знать где он находится, как ему добраться до нужного места, с какой скоростью он движется и понять когда он доберется до цели, может все это легко узнать, воспользовавшись преимуществами которые предоставляет GPS.

Немного о том, что же такое GPS.

GPS - аббревиатура от английского Global Positioning System, проект был реализован и принадлежит военному ведомству США и первоначально задумывался только для военных целей. Основной задачей проекта является высокоточное позиционирование различных подвижных и статических объектов на местности. Основой системы являются 24 NAVSTAR (Navigation Satellite Time and Ranging) спутника работающих в единой сети, находящихся на шести разных круговых орбитах расположенных под углом 60° друг к другу, таким образом, чтобы из любой точки земной поверхности были видны от четырех до двенадцати таких спутников. На каждой орбите находится по 4 спутника, высота орбит примерно равна 20200 км а период обращения каждого спутника вокруг земли 12 часов.

Система не полностью автономна, ее работоспособность контролируется станциями наблюдения с Земли. Территориально станции наблюдения находятся на Гавайях, атолле Кваджелейн, островах Вознесения, Диего-Гарсия и в Колорадо-Спрингс, вся информация записывается и передается на главную командную станцию, расположенную на военной базе Falcon в Колорадо откуда производится корректировка орбит и навигационной информации.

О космосе.

Разговор о системе GPS был бы не полным без упоминания о том, что же представляют из себя сами спутники и краткой истории существования технологии.

Датой рождения технологии, без которой сегодня уже тяжело представить совремменый мир, считатается февраль 1978 года - дата, когда был выведен на орбиту первый спутник положивший начало тому, что сейчас называется GPS, а в полную мощность система заработала только в декабре 1993 года.

Каждый спутник весит более 900 кг и с раскрытыми солнечными батареями имеет размер около 5 метров, мощность радиопередатчика составляет 50 ватт.

Средний срок службы каждого спутника системы приблизительно 10 лет, и по мере того как спутник вырабатывает свой ресурс, на замену ему на орбиту выводится новый спутник.

В основу работы всей системы заложена идея определения координат местоположения объектов на земле на основе расчета расстояний до группы спутников в космосе измеренных системой, при этом спутники выполняют роль, точно координированных точек отсчета. Расстояние рассчитывается по обычной формуле известной из курса математики начальной школы :-), расстояние есть скорость умноженная на время, скорость в данном случае равна скорости распространения радиоволн 300000 км/с, и если точно знать время, когда этот сигнал был отправлен со спутника, то можно рассчитать расстояние до него. Для определения местоположения объекта в горизонтальной плоскости достаточно расчёта основанного на приеме сигналов с трех спутников системы.

Для того чтобы понять, как это происходит, нужно немного пространственного мышления, допустим, расстояние от одного спутника известно, и мы можем описать сферу заданного радиуса вокруг него, когда становится известным расстояние и до второго спутника, то определяемое местоположение будет расположено где-то в круге, задаваемом пересечением двух сфер, а третий спутник определяет две точки на окружности, остаётся рассчитать какая из них, и есть искомое местоположение? Одна из точек всегда может быть отброшена, так как она имеет высокую скорость перемещения или находится под поверхностью Земли. Таким образом, зная расстояние до трёх спутников, можно вычислить координаты определяемой точки.

Согласование времени, в котором работает передатчик спутника и времени, по которому работает приемник на земле во всей этой цепи расчетов, пожалуй, самая сложная задача, поскольку речь идет о скорости света (300000 км/с), сигнал с высоты 20 тысяч километров до земли доходит за ничтожно короткое время, равное примерно 0.06 секунды!!! При таких малых интервалах времени рассинхронизация шкал времени системы даже на 0.01 секунду, вызовет погрешность измерения координат на величины, измеряемые тысячами километров. Эта проблема была решена путем относительной привязки времени приемников ко времени спутников.

На борту каждого спутника установлены атомные часы. Это исключительно точный прибор, точность хода которого составляет около одной наносекунды! Причем на каждом спутнике установлены не одни такие часы, а несколько, это сделано для того, чтобы абсолютно точно гарантировать правильность отсчета времени.

О Земле.

Основы работы GPS в космосе я описал. Пора спускаться на Землю. Важный момент как «наш» приемник понимает, где находится спутник, по отношению к Земле? Все относительно просто, в сигнале передаваемом спутником содержится информация о параметрах орбиты на которой он находится, и информация о всех других спутниках системы, условно говоря спутник передает информацию о том, что я спутник такой то, нахожусь там-то, сообщение было послано в такое- то время, это конечно очень упрощенно но суть примерно такова. GPS-приемник получая это сообщение, запоминает переданную спутником информацию для дальнейшего использования. Эта же информация используется для установки или коррекции часов приемника.

Кроме того, существует способ, благодаря которому есть возможность, чтобы точность хода часов, по которым работает приемник, не была столь точной как в часах спутников, суть в том чтобы измерить дальность еще до одного спутника, и если три измерения позволяют определить местоположение в пространстве то четыре позволят исключить относительное смещение шкалы времени приемника.

Вообще говоря, сам приемник представляет из себя узкоспециализированный мини компьютер способный не только определять место, но и вычислять скорость движения, может показывать направление движения и рассчитывать время необходимое для достижения конкретного пункта назначения, время восхода и заката, и много еще чего, это уже скорее вопрос программного обеспечения чем возможностей самой системы.

GPS приёмник.

За практическую реализацию того, о чем было сказано в главе «О Земле», отвечает чипсет GPS приемника и его ПЗУ. От чипсета GPS приёмника зависит скорость определения координат при включении устройства, точность позиционирования и чувствительность приёмника. На сегодняшний день существует несколько производителей чипсетов для GPS устройств, но наибольшее распространение получил чипсет компании SiRF Technology, по крайней мере, в таких устройствах как карманные ПК, и Bluetooth совместимые GPS приемники.

Последний чипсет от этого производителя называется  SiRFstarIII, в нем реализован абсолютно новый подход к использованию сигналов спутников. По сути SiRFstarIII это ARM процессор с интегрированным GPS ядром, обладающий 4 Мб энергонезависимой памяти используемых для хранения информации о местоположении спутников и 1мБ RAM памяти используемой для вычислительной работы приемника. Все это работает по строго определенным алгоритмам целью которых в конечном итоге, является определение координат по сигналам полученным со спутников.
Приемники, построенные на SiRFstarIII обладают значительно меньшим временем холодного старта (от нескольких секунд ) причем это достигается как возможностью одновременно принимать сигналы от 20 спутников (в документации к GPS приёмнику это называется 20 каналов) так и способностью работать совместно с сетями сотовой связи (GSM), перекладывая часть  расчётов по стартовому определению координат на сервер мобильного оператора сервис Assisted GPS.
Чипы SiRFstarIII поддерживают ряд алгоритмов использовавшихся и в более ранних моделях SnapLock, SingleSat, Dual Multipath, FoliageLoc. Особенно интересны в этом списке малопонятных терминов алгоритмы  Dual Multipath и FoliageLoc, благодаря алгоритму FoliageLoc приемник способен принимать ослабленные сигналы с уровнем 144dBm, и далее с помощью алгоритма Dual Multipath выбирать из них те, по которым он реально может определять положение, игнорируя сигналы образованные отражением основного сигнала от различных препятствий, использование таких алгоритмов, учитывая высокую чувствительность SiRFstarIII, дает высокую точность определения координат.

Вот, пожалуй, и все, что касается основ теории GPS.

В следующей статье мы перейдём к практическим испытаниям.

Дмитрий Ревенко.

При исользовании статьи гипер ссылка на интернет магазин Rozetka.com.ua обязательна.