что такое gps и кто их использует
GPS — что это такое и как работает, принципы
GPS является важной системой глобального позиционирования, которая позволяет нам узнавать местоположение любого объекта на планете.
Пользоваться GPS может абсолютно любой человек с любого смартфона, навигатора или персонального компьютера. И это очень удобно.
Из прошлого материала вы узнали, что делать если телефон не включается. Сейчас мы подробно рассмотрим термин GPS, дадим ему определение, и вы узнаете, как, вообще, работает эта система.
Что такое GPS
GPS (джипиэс, гпс) — система глобального позиционирования, использующая спутниковую систему навигации для определения местоположения наземных, воздушных и водных объектов с точностью до 1.8 метра. Это одна из двух основных спутниковых систем, которая предоставляет информацию о геолокации, вторая это — ГЛОНАСС. Но кроме них есть и другие, менее известные, европейский Galileo и китайский Beidou.
Принадлежит правительству Соединенных Штатов и управляется ее космическими силами. На английском пишется — Global Positioning System, что в переводе означает — Глобальная Позиционирующая Система.
GPS дает важные возможности позиционирования всем пользователям: как простым гражданским, так и военным или коммерческим организациям. Она доступна абсолютно для всех.
Работает даже при плохой погоде, и позволяет определять местоположение практически на всей поверхности земли, кроме приполярных областей и околоземного космического пространства.
Какую информацию об объекте дает GPS:
Что представляет собой GPS:
Представляет собой сеть из 24 спутников (сейчас их уже 30), которые летают по орбите земли на высоте 20 000 км и наземных станций слежения, объединенных в единую сеть.
Абоненты/пользователи, получают доступ к системе с помощью устройств с установленным GPS-приемником. Это может быть, к примеру, навигатор или смартфон.
Интересно! Система работает в двух диапазонах, первый секретный и он доступен только для военных, второй доступен для всех остальных. В любой момент США могут заблокировать доступную частоту и GPS перестанет работать. Чтобы быть независимыми от них в РФ разработана своя спутниковая система навигации — ГЛОНАСС.
Какие радиосигналы отправляет спутник на землю:
Как работает GPS
Чтобы определить местоположение какого-либо объекта, необходимо чтобы на нем был установлен GPS-приемник, и он был включен. Спутниковая система обеспечивает измерение расстояния до него, просчитывает время и определяет местоположение во всемирной системе координат WGS 84.
На экране смартфона или навигатора мы видим наше расположение на карте. Можем выбрать точку, к которой хотим добраться, и программа настроит ближайший маршрут, учитывая наше настоящее местоположение.
GPS работает независимо от телефонной связи или интернет соединения. Если на устройстве установлен соответствующий датчик, и он включен, сигнал уже будет передаваться.
Как вычисляются координаты:
GPS работает на основе радиосигналов. Скорость распространения радиосигналов постоянна и равняется скорости света. Когда GPS-навигатор отправляет сигнал, вместе с ним отсылается точное время отправки. Спутник принимает этот сигнал с определенной задержкой, плюс отправляет навигатору свое точное местоположение и тоже отсылает точное время отправки этого сигнала.
Эта задержка (миллисекунды) между отправкой и приемом, плюс информация о местоположении спутника и используется в расчетах.
Значение задержки умножается на скорость радиоволн, таким образом рассчитывается расстояние до спутника. Имея данные расположения, как минимум трех, а лучше четырех спутников и расстояние до них, высчитанное по задержке, GPS-навигатор вычисляет свои координаты (смотрите картинку). Данные местоположения показываются на карте, которая загружена в навигатор.
Чтобы правильно определить местоположение, объект должен находится в прямой видимости для трех или более спутников. Сигнал может блокироваться горами, зданиями и другими препятствиями.
Немного истории GPS
Сама идея создания спутниковой системы навигации родилась еще в 1 957 году, когда был запущен первый искусственный спутник в космос. Ученые, следившие за его полетом, заметили интересный эффект Доплера.
Когда спутник удалялся частота принимаемого сигнала, который он посылал — уменьшалась, а когда приближался, то, наоборот, становилась сильнее — появлялась задержка между отправкой и приемом сигнала. Таким образом, зная точное расположение/координаты, как минимум трех, а лучше четырех спутников, становится возможным узнать точное расположение объекта на земле по этой самой задержке.
Проект GPS был начат в 1 973 году Министерством обороны США, назвали программу NavStar. Первый навигационный спутник был запущен в 1 978 году, а полная группировка из 24 спутников была введена в эксплуатацию в 1 993 году.
Изначально предполагалось, что пользоваться системой будут только военные, но гражданское использование было разрешено 1 980 году. Такой указ принял президент США Рональд Рейган.
В заключение
В ближайшее время, скорее всего, все спутниковые системы будут объединены в одну, международную. Если это произойдет, то процесс определения геолокации будет происходит куда быстрее и точнее, за счет того, что спутников много, и навигатор сможет подключаться сразу к любому, который находится в пределах приема сигнала.
Система GPS. Взгляд изнутри и снаружи
Немного истории.
Первые шаги по развертыванию навигационной сети были предприняты в середине семидесятых, коммерческая же эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась с 1995 года. В настоящий момент в работе находятся 28 спутников, равномерно распределенных по орбитам с высотой 20350 км (для полнофункциональной работы достаточно 24 спутников).
Попробуем разобраться в общих чертах, как устроена система глобального позиционирования, а потом коснемся ряда пользовательских аспектов. Рассмотрение же начнем с принципа определения дальности, лежащего в основе работы космической навигационной системы.
Алгоритм измерения расстояния от точки наблюдения до спутника.
Дальнометрия основана на вычислении расстояния по временной задержке распространения радиосигнала от спутника к приемнику. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить, просто умножив время на скорость света.
Период повторения кода довольно велик (например, для P-кода он равен 267 дням). Каждый GPS-приемник имеет собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, по времени задержки между одинаковыми участками кода, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние до спутника.
Одной из основных технических сложностей описанного выше метода является синхронизация часов на спутнике и в приемнике. Даже мизерная по обычным меркам погрешность может привести к огромной ошибке в определении расстояния. Каждый спутник несет на борту высокоточные атомные часы. Понятно, что устанавливать подобную штуку в каждый приемник невозможно. Поэтому для коррекции ошибок в определении координат из-за погрешностей встроенных в приемник часов используется некоторая избыточность в данных, необходимых для однозначной привязки к местности (подробней об этом чуть позже).
Кроме самих навигационных сигналов, спутник непрерывно передает разного рода служебную информацию. Приемник получает, например, эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере (так как скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), а также сведения о работоспособности спутника (так называемых «альманах», содержащий обновляемые каждые 12.5 минут сведения о состоянии и орбитах всех спутников). Эти данные передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.
Общие принципы определения координат с помощью GPS.
Основой идеи определения координат GPS-приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным (эти данные содержатся в принятом со спутника альманахе). В геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами называется трилатерацией. 
Рис2.
Однако в жизни все не так просто. Приведенные выше рассуждения были сделаны для случая, когда расстояния от точки наблюдения до спутников известны с абсолютной точностью. Разумеется, как бы ни изощрялись инженеры, некоторая погрешность всегда имеет место (хотя бы по указанной в предыдущем разделе неточной синхронизации часов приемника и спутника, зависимости скорости света от состояния атмосферы и т.п.). Поэтому для определения трехмерных координат приемника привлекаются не три, а минимум четыре спутника.
Получив сигнал от четырех (или больше) спутников, приемник ищет точку пересечения соответствующих сфер. Если такой точки нет, процессор приемника начинает методом последовательных приближений корректировать свои часы до тех пор, пока не добьется пересечения всех сфер в одной точке.
Следует отметить, что точность определения координат связана не только с прецизионным расчетом расстояния от приемника до спутников, но и с величиной погрешности задания местоположения самих спутников. Для контроля орбит и координат спутников существуют четыре наземных станции слежения, системы связи и центр управления, подконтрольные Министерству Обороны США. Станции слежения постоянно ведут наблюдения за всеми спутниками системы и передают данные об их орбитах в центр управления, где вычисляются уточнённые элементы траекторий и поправки спутниковых часов. Указанные параметры вносятся в альманах и передаются на спутники, а те, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим приемникам.
После отмены описанного выше режима селективного доступа гражданские приемники «привязываются к местности» с погрешностью 3-5 метров (высота определяется с точностью около 10 метров). Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников (большинство современных аппаратов имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников).
В заключение части, повествующей о «теоретических» аспектах функционирования GPS, скажу, что Россия и в случае с космической навигацией пошла своим путем и развивает собственную систему ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Но из-за отсутствия должных инвестиций в настоящее время на орбите находятся лишь семь спутников из двадцати четырех, необходимых для нормального функционирования системы…
Краткие субъективные заметки пользователя GPS.
С первого взгляда GPS II+ можно принять за мобильный телефон, выпущенный пару лет назад. Лишь только присмотревшись, замечаешь необычно толстую антенну, огромный дисплей (56х38 мм!) и малое, по телефонным меркам, количество клавиш.
Интерфейс GPS II+ построен по принципу «перелистываемых» страниц (для этого даже есть специальная кнопка PAGE). Выше была описана «страница спутников», а кроме нее, есть «страница навигации», «карта», «страница возврата», «страница меню» и ряд других. Следует заметить, что описываемый аппарат не русифицирован, однако даже с плохим знанием английского можно понять его работу.
Заключение.
Но в любой бочке меда есть ложка дегтя. В данном случае в роли последнего выступают российские законы. Я не буду подробно рассуждать о юридических аспектах использования GPS-навигаторов в России (кое-что об этом можно найти здесь ), замечу лишь, что теоретически высокоточные навигационные приборы (коими, без сомнения являются даже любительские GPS-приемники) у нас запрещены, а их владельцев ждет конфискация аппарата и немалый штраф.
Как работает GPS
Содержание
Содержание
Надо найти библиотеку в 3 часа ночи — пожалуйста, доехать до Рубинштейна «24» — нет проблем, найти север без фокусов с иголкой — запросто. Портативные гаджеты давно заменили бумажные карты и компасы благодаря GPS и ее аналогам. Система спутниковой навигации — популярная тема для споров, обросшая мифами и легендами, как исландское дерево мхом. Попытаемся разобраться во всем по порядку.
Маленький, но уже военный
В 1967 году руководство СССР задумалось о создании системы глобальной навигации. Спустя 9 лет родился «Циклон» — комплекс спутников, снабженных атомными часами, передатчиками и возобновляемым источником питания. Перспективный космический страж не долго сиял золотыми эполетами солнечных батарей. В начале 90-х прекратили выделять ассигнования, несколько спутников сломались и сошли с орбиты. Сменив в 1993 году военную форму на гражданский костюм, Циклон взял новое имя — ГЛОНАСС. В этом же году американцы запустили двадцать четвертый спутник, завершив девятнадцатилетнюю эпопею создания GPS. До этого момента СССР и США шли ноздря в ноздрю, создавая практически идентичные системы, но кризис 1998 года изменил расстановку сил навсегда.
Слухи и факты
Среди форумных забияк бытует мнение, что ГЛОНАСС — плохая система с очень низкой точностью позиционирования, ее работе может помешать даже дерево. Слухи начали распространяться в начале 2000 годов.
Десяток спутников отправились в космос полетать, один сошел с орбиты, их осталось девять.
Девять спутников, в космосе летая, ловили солнца луч, один не смог поймать, их осталось восемь.
Из-за недостатка финансирования в 2001 году количество летунов сократилось до шести. В те времена пациент был скорее мертв, чем жив. В 2007 аппаратов стало 18, в 2010 на орбиту вывели 26 штук. Космические скитальцы постоянно падают, срок жизни американского образчика технического искусства — 10 лет, у российского меньше.
Как это работает?
Спутник в космосе — летающая радиостанция, посылающая приветственные сигналы приемникам. Роль приемников играют наши смартфоны и навигаторы. Вопреки расхожему заблуждению, телефон никуда и никакие сигналы не отправляет с помощью супермощной антенны. Для точного вычисления координат необходимо минимум 4 спутника — три передают данные о своем местоположении относительно земли и друг друга, четвертый фиксирует время прохождения сигнала от передатчика к приемнику. Местоположение устройства определяет процессор — он должен быть мощным. Флагманский вычислитель обрабатывает информацию практически мгновенно. Старенький же процессор, как Сусанин, будет долго водить по кустам, кочкам и болотам. Современные устройства умеют принимать сигналы от 12 летающих радиостанций, в скором времени научатся и от всех 24. Чем больше источников информации — тем лучше.
Кроме широко известной GPS и отечественного аналога, существует еще несколько похожих систем навигации — китайский Beidou, европейский Galileo, индийский IRNSS. Но чтобы точно определять координаты, достаточно только одной. Такое многообразие обуславливается лишь страхом пред отключением GPS и необходимостью координировать передвижение войск в случае войны.
Не такой, как все
У ГЛОНАСС, в отличии от GPS, отсутствует привязка к планете. Из-за этого спутники не видят краев и часто падают, сгорая в атмосфере. Точность тоже страдает — 4–8 метров против 2,5 метров у американцев. Зато в России можно пользоваться двумя системами одновременно, получая точность в 1,5 метра. В США такая опция доступна только в некоторых штатах, устройства просто не видят российские спутники. Для точного определения местоположения на территории РФ достаточно 18 спутников на орбите. ГЛОНАСС лучше всего ловит на севере, потому что изначально система создавалась для позиционирования войск в северных регионах страны. GPS info — приложение, помогающее ловить сигналы от двух систем одновременно. Узнать, сколько космических летунов видит конкретное устройство, можно с помощью софта GPS Test.
Почему тупит?
Спутники все время находятся в движении, их траекторию отслеживают наземные станции. Актуальная информация отправляется на гаджеты в альманахах — библиотеках с самыми точными сведениями о местоположении всех доступных спутников. Обновляются альманахи по воздуху через GPRS или Wi-Fi. Если скорость Интернет-соединения низкая, процедура поиска может затянутся на 5–10 минут. В нормальном режиме на обновление уйдет 30 секунд.
Для тех, у кого с интернетом все норм, придумали A-GPS — специальный софт, передающий данные о местоположении спутника с помощью всемирной сети. Используется там, куда не пробиться сигналу от крылатой радиостанции — горы, подвалы, низины. По сути A-GPS — это цифровой репитер, повторяющий сигналы от GPS по другим каналам.
Незаменимые помощники
Акселерометр приходит на помощь спутникам, показывая куда поворачивает телефон, с какой скоростью он движется.
Магнитометр помогает акселерометру понять, где север, чтобы сориентировать в пространстве. Чем больше всяких датчиков в гаджете, тем точнее будут определены координаты.
Датчик компаса помогает определить направление движения. Если он не настроен, точность позиционирования значительно снижается. Чтобы привести его в рабочее состояние, достаточно запустить приложение и откалибровать, следуя инструкции от производителя.
А что в целом?
ГЛОНАСС — ровесник GPS, идеален для северных регионов, об этом хорошо осведомлены Шведы, использующие именно эту систему спутниковой связи. Самый большой минус — низкая точность, компенсируется подключением GPS-спутников через специальное приложение для Android и iOS.
В смартфонах антенна не важна, главное процессор и вспомогательные датчики, топовые устройства не имеют проблем с навигацией. A-GPS и другой софт — отличные костыли, помогающие престарелым устройствам ориентироваться в условиях мегаполисов и бездорожий. Для быстрого и правильного позиционирования навигатор необходимо подключать к 4G или регулярно обновлять информацию с помощью ноутбука, смартфона по Bluetooth.
Путешествуйте чаще, не бойтесь открывать новые места, ведь современные технологии не стоят на месте и в ногу идут с желаниями человека, помогая и упрощая ему жизнь в исследовании неизведанного.