Что такое спутниковая навигационная система GPS? Каким образом маленькая коробочка размером с мобильный телефон может определить свое местонахождение с точностью до нескольких метров, причем в любой точке планеты?
Об этом и поговорим.
СВОИМ появлением на свет спутниковая навигационная система Global Positioning System (GPS) обязана американскому военно-промышленному комплексу. И возможность видеть свои точные координаты человечеству подарило правительство США 1 мая 2000 года по распоряжению из Белого Дома министерство обороны отменило особые условия пользования системой GPS, существовавшие до тех пор. Американцы наконец выключили помеху, искусственно загрублявшую гражданские GPS-приемники, точность определения координат с помощью бытовых навигаторов возросла как минимум в 15 раз, а лавина конверсионных спутниковых технологий накрыла весь мир...
ВОЕННЫЙ КОСМОС И МИРНЫЙ АТОМ
В 1973 году с подачи министерства обороны США представители различных американских военных ведомств начали разработку космической навигационной программы, эволюция которой привела к созданию комплекса NavSTAR (Navigation system with timing and ranging). Гражданский сегмент этой сугубо военной спутниковой сети и принято называть аббревиатурой GPS. В настоящий момент в нее входит 28 космических спутников (24 основных и 4 резервных), которые распределены по орбитам на высоте около 20000 км.
Каким образом GPS-приемник общается со спутниками?
Каждый из спутников постоянно передает на Землю навигационные сигналы (система GPS использует две частоты 1227 и 1575 МГц), в которых псевдослучайным кодом зашифрована информация о взаимном расположении всех спутников навигационной группировки (так называемый альманах), очень точные индивидуальные поправки к своей орбите (эфемерис) и другую служебную информацию. Данные альманаха не изменяются в течение нескольких месяцев, эфемерис же устаревает уже через полчаса. Принимая космические сигналы в какой-либо точке Земли, GPS-приемник измеряет временные задержки между отдельными участками принятого из космоса кода и сравнивает их с аналогичными кусками точно такой же последовательности, но сгенерированной собственным процессором. По разнице во времени приемник вычисляет расстояние до своего орбитального адресата. Обработав таким образом информацию от второго и третьего спутников, взаимное расположение которых известно из альманаха, навигатор вычисляет собственные координаты ? такой принцип определения местоположения называется трилатерацией.
Правда, в этом алгоритме есть одно слабое звено точность встроенного в приемник электронного хронометра не идет ни в какое сравнение с прецизионной работой атомных часов на спутниках. Поэтому, чтобы скоррелировать временное рассогласование и избежать огромных ошибок в позиционировании, в систему GPS введен принцип избыточности: для определения трехмерных координат на поверхности Земли (долгота/широта/высота) электронный навигатор использует сигналы не трех, а как минимум четырех спутников и на основании вспомогательных сигналов вносит все необходимые коррективы в работу своих часов.
После отмены американцами режима селективного доступа точность определения координат с помощью простейшего гражданского навигатора составляет 5-15 метров разброс определяется условиями приема сигналов в конкретной точке, количеством видимых спутников и рядом других причин. Для того, чтобы ориентироваться на местности, этого более чем достаточно!
Но есть и резервы. К примеру, с помощью так называемой дифференциальной коррекции (DGPS) можно снизить ошибку позиционирования на порядок! Для этого используется специальный базовый GPS-приемник, установленный в точке с известными координатами, по сигналам которого корректируется информация, принятая мобильным навигатором. Поскольку дифференциальные подсистемы используются в сугубо профессиональных областях (геодезия, картография, услуги навигации и т.д.), за доступ к ним надо платить. Услуги же обычной системы GPS совершенно бесплатны пользователю достаточно просто купить спутниковый навигатор.
По конструктивному исполнению и назначению бытовые GPS-приемники условно подразделяются на три класса. К первому относятся компактные устройства или встраиваемые модули, не имеющие дисплеев и предназначенные для работы в тандеме с другой электронной аппаратурой например, с сотовым телефоном или с компьютером.
Второй класс переносные или стационарные устройства, которые отображают на дисплее всю навигационную информацию (время, координаты, скорость, высоту, направление на точку, курс, азимут и т.д.) и позволяют прокладывать маршрут и сохранять введенные данные.
И наконец, третий класс GPS-аппаратуры образуют навигаторы, способные работать с картографической информацией встроенной или загружаемой. Причем в наиболее дорогих приборах предусмотрена возможность использования карт, записанных на флэш-носителях.
Производством GPS-оборудования сегодня занимаются несколько десятков фирм, но в бытовом сегменте наибольшее распространение получила американская продукция под торговыми марками Garmin и Magellan.
Принцип работы всех GPS-приемников одинаков. После включения и короткой самодиагностики навигатор приступает к поиску сигналов спутников. Делается это по одному из трех алгоритмов. Если прибор хранился в выключенном состоянии долгое время или был перевезен на большое расстояние, то поиск спутников пойдет с чистого листа: приемнику сначала придется обновить данные альманаха (грубые данные об орбитах всех спутников), а потом уже точные поправки к индивидуальным параметрам каждого из них (тот самый эфемерис). Такой режим носит название холодного старта и может продлиться довольно долго. Но после получасовой паузы в работе старт будет значительно более быстрым (теплым): используя пока еще свежий альманах, приемник просто дополнит его полученными данными эфемериса. И наконец, быстрее всего спутники будут найдены в режиме горячего старта после кратковременного отключения питания.
Константин СОРОКИН
Фото автора и Марка Кожуры
Журнал Авторевю - http://www.autoreview.ru
