Gps навигационная система. Принципы спутниковой навигации. Типы информации навигационного сообщения
Спутниковая навигация - это в первую очередь высокоточное средство для определения координат местопребывания физических объектов. Находить искомые объекты при помощи современных навигационных систем можно практически в любой точке планеты. Активно развивающиеся современные способны обеспечить обширное покрытие для передачи точных навигационных данных.
навигация?
Спутниковые навигационные системы представляют собой широкий комплекс электронного оборудования и в виде совокупности космического и наземного оборудования.
Навигация - это средство для определения положения объектов. Впрочем, наиболее современные средства спутниковой навигации позволяют практически безошибочно определять такие параметры, как скорость или направление движения объекта и прочее.
В основе навигационных систем лежат орбитальные спутниковые группировки, в составе которых может находиться от двух до нескольких десятков спутников. Основной их задачей является обмен радиосигналами между собой и наземными системами контроля. В свою очередь, клиентское оборудование пользователей применяется для определения нужных координат на основе полученной из центров управления навигацией информации.
Принцип работы спутниковой системы навигации
Работа спутниковых систем основана на определении расстояния от спутника до антенны объекта, координаты которого необходимо вычислить. Условная карта расположения всех спутников в системе известна как альманах. Большинство приемников спутниковой навигации способны сохранять такую карту в памяти и мгновенно получать необходимые данные. Таким образом, программы навигации на основании геометрических построений координат позволяют вычислить точное положение объекта на карте.
Персональные спутниковые навигаторы
Современные персональные навигаторы являются высокотехнологичными устройствами, предназначенными не только для приема данных спутниковой навигации, но также для предоставления пользователю богатых мультимедийных возможностей.
В сочетании с абонентским оборудованием при наличии специализированного программного обеспечения, персональные навигаторы предоставляют возможности для мониторинга как стационарных объектов, так и транспорта.
Если говорить о водителях автотранспорта, то для них навигация - это, прежде всего, возможность получения подробных рекомендаций касательно выбора наиболее удачных маршрутов, следование которым позволяет оптимизировать расход топлива и значительно сократить время в пути.
Перспективы развития спутниковых навигационных систем
В настоящее время спутниковая навигация - это система, которая глобально применяется в картографических целях. Основная часть навигационных данных, получаемых по GPS, сегодня контролируется военным ведомством США. Поэтому из года в год все более насущным вопросом для становится развертывание альтернативных систем, где наиболее перспективными выглядят европейский проект «Galileo» и российский «Глонасс».
Основываясь на мнении маркетологов, можно утверждать, что ближайшие десятилетия сулят рынку навигационных услуг существенное развитие. Подобных взглядов придерживаются также разработчики проектов в области спутниковой навигации. Подтверждением этому выступают данные многочисленных исследовательских центров, которые отмечают рост спроса на навигационные услуги среди владельцев портативных цифровых устройств.
Некогда дорогие игрушки, доступные исключительно военным, уже давно стали использоваться простыми смертными. Спутниковая навигация на сегодняшний день самый популярный и самый точный метод ориентирования на местности. Но для того, чтобы не заблудиться и не плутать по неизвестным тропам, необходимо обзавестись надежным спутниковым навигатором.
Пожалуй, все из нас хотя бы один раз да слышали о спутниковой системе навигации. И чего делали люди до их внедрения? Как можно было жить без этого, не понятно. На самом деле, кроме бумажных и электронных карт ничего не было. Тем не менее, в восьмидесятые годы XX века началось распространение и международное признание системы глобального позиционирования (местоопределения) GPS, принадлежащей министерству обороны США. Она-то и изменила представление о картах и местоопределении объектов на местности.
Немного справочной информации
id="sub0">GPS представляет собой космический комплекс из 24 спутников , вращающихся на шести околоземных орбитах высотой около 17 тысяч км. GPS работает при любых погодных условиях по всему миру 24 часа в сутки.
С ее помощью можно с высокой степенью точности определять координаты и скорость подвижных объектов: автомобилей, поездов, самолетов и т.п. За пользование услугами системы GPS не взимается ни абонентская плата, ни плата за подключение. Для использования системы необходимо только приобрести GPS-приемник. Удивительно удобная штука!
Российские военные в конце 2008 года также начали коммерческую эксплуатацию своей спутниковой системы навигации, которая получила название ГЛОНАСС . Ее принцип действия аналогичен GPS.
Как было сказано выше, для навигации нужны конечные приемники - навигаторы. Практически 100% из них используются в автомобилях . Здесь они как родные. Сами и маршрут правильный проложат и от пробок уберегут и заснуть, если что, не дадут.
И все бы ничего, но в магазинах на витринах находится такое количество устройств, что глаза разбегаются. Какой же навигатор купить?
С этим вопросом я обратился к Михаилу Никитину, специалисту одного из екатеринбургских магазинов цифровой техники .
При выборе навигатора я рекомендую обращать внимание на максимальное число точек, которыми можно отметить будущий маршрут. Еще немаловажно быстродействие сисетмы, размер экрана, продолжительность работы без подзарядки, - говорит Михаил Никитин . - Если бы я был на месте покупателя, то первым делом задал бы приемнику задачку. Нужно рассчитать маршрут движения на расстояние от 4000 до 7000 км, Например, от Екатеринбурга до Хабаровска. Если навигатор сможет выполнить расчеты и построить план поездки менее чем за минуту, это очень хороший выбор, в противном случае, нужно подыскать, что-нибудь еще.
Как выбрать GPS-навигатор?
1. Дисплей
Если вас интересует навигация автомобильная, к дисплею придется присматриваться особенно тщательно. Во-первых, он должен быть большим и с высоким разрешением. Размер дисплея по диагонали варьируется от 2,7” до 7”, а разрешение - от 320х240 пикселей до 800х480. Кстати, дисплеи всех современных навигаторов защищены специальным антибликовым покрытием, позволяющим водителю видеть изображение даже в яркий солнечный день.
2. Простота загрузки карт
Карта в навигаторе - самое главное, ведь именно от нее зависит, доедете ли вы в конце концов до нужного места или нет. Возможности современных карт радуют. Обязательно присутствует трехмерное изображение, голосовое сопровождение и т.д.
3. Продолжительность автономной работы
Если вы будете постоянно пользоваться навигатором исключительно в машине, то этот момент можно пропустить. Но если для вас также актуально использование спутникового девайса в чистом поле, то будьте уже добры поинтересоваться продолжительною его работы.
4. Работа с сервисом «Пробки»
Поддержка пробок - вторая по важности для «городского автомобилиста» вещь, после точности карты, конечно. Сегодня навигаторы умеют получать информацию о пробках через GPRS-соединение. Причем самостоятельно выходить в интернет умеют далеко не все модели - к некоторым приходится подключать по Bluetooth мобильный телефон, а то и специальный GPRS-приемник.
5. Объем памяти
По большому счету дополнительная память понадобится навигатору, только если он обладает мультимедийными способностями. Например, в нем можно хранить музыку и фотки. Обычно навигаторы оснащают 1 Гб памяти. Это го достаточно для хранения программного обеспечения, карт местности и еще небольшой тележке с информацией.
6. Связь с другими устройствами
Некоторые навигаторы, представленные сегодня на рынке, умеют не только самостоятельно ходить в интернет, но и звонить - что весьма удобно, особенно учитывая строжайший запрет говорить за рулем по телефону. В целом же GPRS/EDGE и Bluetooth являются просто стандартом для всех устройств.
7. Эргономика
Чем меньше на навигаторе кнопок, тем удобнее им пользоваться. Это связано с тем, что необходимыми функциями можно управлять прямо с сенсорного дисплея, который всегда перед глазами. Единственная кнопка, которую невозможно сделать сенсорной - это кнопка включения.
8. Дополнительные возможности
А вот дополнительные возможности навигатора позволят не заснуть в дороге или расслабиться во время пробок. Все потому, что в навигаторы сейчас принялись встраивать много-много всего: и MP3-плеер, и видеопроигрыватель, и фотоальбом, и переводчик, и конвертер валют. Вопрос в том, хотите ли вы за все эти фишки платить по несколько дополнительных тысяч рублей?
По словам Михаила Никитина, наиболее популярными моделями навигаторов в настоящее время являются:
- MITAC MIO Moov 200 - доступный приемник с встроенными картами Москвы и области, Санкт-Петербурга, Екатеринбурга, Ростова-на-Дону и пр. [~4 000 рублей ]
- MITAC MIO C230 - один из самых доступных и досточно надежных GPS-навигаторов, уверенно пользуется большим спросом. [~5 500 рублей]
- MITAC MIO C520 - работает с сервисом «Яндекс.ПРОБКИ» через Bluetooth мобильного телефона [в том числе в Москве, Санкт-Петербурге, Екатеринбурге]. Экран у этого приемника 4,3-дюйма. [~12 000 рублей]
- GARMIN NUVI 200 - доступный 3,5-дюймовый GPS-навигатор с картами автодорог 63 регионов Российской Федерации. [~4 000 рублей]
- GARMIN NUVI 215 - обновление 200 модели с поддержкой Bluetooth hands-free и картой всей России. [~6 000 рублей]
- GARMIN NUVI 715 - модель среднего класса с дисплее 4,3-дюйма. [~18 000 рублей]
- GARMIN NUVI 5000 - один из самых функциональных навигатров на рынке. Он воспроизводит видео и аудио, а также предает сигналы с FM-радио на втомагнитолу. Дисплей 5,2-дюйма [~32 000 рублей].
- TOMTOM ONE - удобный 3,5-дюймовый навигатор с поддержкой карт Москвы и городов Московской области, Санкт-Петербурга и городов Ленинградской области, Екатеринбурга, Калининграда, Калуги, Краснодара, Ростов-на-Дону, Ставрополя. [~6 500 рублей]
- GLOBALSAT GV-380 - 3,5-дюймовый GPS-навигатор, который пользуется большим спросом. Из его приемуществ стоит выделить поддержку карт городов: Москва и МО, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Челябинск, Пермь, Тюмень, Ростов-на-Дону, Краснодар, Сочи, Калуга, Казань, Самара, Тольятти, Адлер, Ставрополь, Тверь, Рязань, Чебоксары, Йошкар-Ола, Пенза, Калининград, Брянск, Ульяновск, Саратов, Оренбург, Воронеж, Нижний Новгород, Омск, Новосибирск, Ярославль, Тула, Смоленск, Великий Новгород, Иваново, Псков, Владимир, Белгород, Курск, Майкоп, Липецк, Орел, Волгоград, Димитровград, Сызрань. [~6 000 рублей]
- COMSTORM STAR 3.5 - стильный навигатор с поддержкой карт тех же городов, что и предыдущая модель. [~6 000 рублей]
В этой статье мы расскажем про глобальные системы позиционирования, разработанные в США, России, ЕС и Китае; объясним, как поддержка технологий глобальной спутниковой навигации реализована в электронных устройствах, а также опишем ключевые и дополнительные функции современных навигационных приемников.
GPS
Система GPS (Global Positioning System) создавалась для применения в военных целях. Она начала работать в конце 80-х - начале 90-х годов, однако до 2000 года искусственные ограничения на определение местоположения существенно сдерживали ее возможности использования в гражданских целях.
После отмены ограничений на точность определения координат ошибка снизилась со 100 до 20 м (в последних поколениях GPS-приёмников при идеальных условиях ошибка не превышает 2 м). Такие условия позволили использовать систему для широкого круга общих и специальных задач:
- Определение точного местоположения
- Навигация, движение по маршруту с привязкой к карте на основании реального местоположения
- Синхронизация времени
Орбиты спутников системы GPS. Пример видимости спутников из одной из точек на поверхности Земли. Visible sat - это число спутников, видимых над горизонтом наблюдателя в идеальных условиях (чистое поле).
ГЛОНАСС
Российский аналог GPS - ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система) - была развёрнута в 1995 году, но в связи с недостаточным финансированием и малым сроком службы спутников она не получила широкого распространения. Вторым рождением системы можно считать 2001 год, когда была принята целевая программа ее развития, благодаря которой ГЛОНАСС возобновил полноценную работу в 2010 году.
Сегодня на орбите работают 24 спутника ГЛОНАСС, они охватывают навигационным сигналом весь земной шар.
Новейшие потребительские устройства используют GPS и ГЛОНАСС как взаимодополняющие системы, подключаясь к ближайшим найденным спутникам, это значительно увеличивает скорость и точность их работы.
Пример: aвтомобильное GPS/ГЛОНАСС-навигационно-связное устройство на базе ОС Android, разработанное командой Promwad по заказу российского конструкторского бюро. Реализована поддержка GSM/GPRS/3G. Устройство автоматически обновляет информацию о дорожной обстановке в режиме реального времени и предлагает водителю оптимальный маршрут с учётом загруженности дорог.
Сейчас на стадии разработки находятся еще две спутниковые системы: европейская Galileo и китайская Compass.
Galileo
Галилео - совместный проект Европейского союза и Европейского космического агентства, анонсированный в 2002 году. Изначально рассчитывали, что уже в 2010 году в рамках этой системы на средней околоземной орбите будут работать 30 спутников. Но этот план не был реализован. Сейчас предположительной датой начала эксплуатации Galileo считается 2014 год. Однако ожидается, что полнофункциональное использование системы начнется не ранее 2020 года.
Compass
Это следующая ступень развития китайской региональной навигационной системы Beidou, которая была введена в эксплуатацию после запуска 10 спутников в конце 2011 года. Сейчас она обеспечивает покрытие в границах Азии и Тихоокеанского региона, но, как ожидается, к 2020 году система станет глобальной.
Сравнение орбит спутниковых навигационных систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo и Compass (средняя околоземная орбита - MEO) с орбитами Международной космической станции (МКС), телескопа Хаббл и серии спутников Иридиум (Iridium) на низкой орбите, а также геостационарной орбиты и номинального размера Земли.
Поддержка ГНСС
Поддержка технологи глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) в электронных устройствах реализуется на базе навигационных приемников, которые могут быть выполнены в различных вариантах:- Smart Antenna - модуль, состоящий из керамической антенны и навигационного приемника. Преимущества: компактность, не требует согласования, удешевляет разработку за счет сокращения сроков.
- MCM (Multi Chip Module) - чип, включающий все компоненты навигационного приемника.
- OEM - экранированная плата, включающая ВЧ интерфейсный процессор и процессор частот основной полосы (RF-frontend + baseband), SAW-фильтры и обвязку. Это наиболее популярное решение на данный момент.
Ключевые параметры навигационных приемников
Прежде чем навигационный приемник сможет выдавать информацию о местоположении, он должен обладать тремя наборами данных:- Сигналы от спутников
- Альманах - информация о приблизительных параметрах орбит всех спутников, а также данные для калибровки часов и характеристики ионосферы
- Эфемериды - точные параметров орбит и часов каждого спутника
Производители приемников используют различные методы уменьшения TTFF, включая скачивание и сохранения альманаха и эфемерид по беспроводным сетям передачи данных (т.н. метод Assisted GPS или A-GPS), это быстрее чем извлечение этих данных из сигналов ГНСС.
Холодный старт описывает ситуацию, когда приемнику нужно получение всей информации для определения места. Это может занять до 12 минут.
Теплый старт описывает ситуацию, когда у приемника есть почти вся необходимая информация в памяти, и он определит место в течении минуты.
Одним из ключевых параметров навигационных модулей в мобильных устройствах является энергопотребление. В зависимости от режима работы модуль потребляет различное количество энергии. Фаза поиска спутников (TTFF) характеризуется большим, а слежение меньшим энергопотреблением. Также производители реализуют различные схемы уменьшения энергопотребления, например, путем периодического перевода модуля в режим сна.
Как правило, все модули выдают данные по текстовому протоколу NMEA-0183 , но кроме указанного текстового протокола каждый производитель имеет свой собственный двоичный протокол (Binary), который позволяет изменять конфигурацию модуля под конкретное использование либо получать доступ к дополнительному функционалу, а также доступ к сырым измерениям. Двоичный протокол удобен для использования на микроконтроллерах, т.к. при этом нет необходимости выполнять преобразование из текста в двоичные данные, тем самым экономя программную память путем исключения библиотеки работы со строками и времени на преобразование.
Стандарт NMEA-2000 - это развитие протокола NMEA-0183. В качестве физического уровня в NMEA-2000 используется CAN-шина, которая была выбрана в виду большей защищенности по сравнению с RS-232. С точки зрения протокола передачи данныхNMEA-2000 существенно отличается от своего предшественника, т.к. использует двоичный протокол, базирующийся на стандарте SAE J1939.
Частота обновления данных о местоположении и скорости всех модулей составляет 1 Гц, но при необходимости ее можно поднять до 5 или 10 Гц.
В зависимости от области применения модуль можно сконфигурировать под определенные динамические характеристики , которые он должен отслеживать (например, максимальное ускорение объекта). Это позволяет использовать оптимальный алгоритм и улучшать качество измерений.
Для выполнения навигационной задачи модуль должен одновременно принимать сигналы от нескольких спутников, т.е. иметь несколько приемных каналов . На сегодняшний день это число лежит в диапазоне от 12 до 88.
Точность определения местоположения по GPS составляет в среднем 15 м, она обусловлена используемым неточным сигналом, влиянием атмосферы на распространение радиосигнала, качеством кварцевых генераторов в приемниках и пр. Но с помощью корректирующих методов возможно улучшить точность определения местоположения. Эта технология называется Differential GPS . Существует два метода коррекции: наземный и спутниковый DGPS.
В наземных методах коррекции наземные станции дифференциальных поправок постоянно сверяют свое заведомо известное местоположение и сигналы от навигационных спутников. На базе этой информации вычисляются корректирующие величины, которые могут быть переданы с помощью УКВ- или ДВ-передатчика на мобильные DGPS-приемники в формате RTCM . На основании полученной информации потребитель может корректировать процесс определения собственного местоположения. Точность этого метода составляет 1-3 метра и зависит от расстояния до передатчика корректирующей информации и качества сигнала.
Спутниковые методы, такие как система WAAS (Wide Area Augmentation System), доступная в Северной Америке, и система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System), доступная в Европе, шлют корректирующие данные с геостационарных спутников, таким образом достигается бо льшая область приема, чем при наземных методах.
Спутниковые системы дифференциальной коррекции (SBAS - Space Based Augmentation Systems) позволяют улучшить точность, надежность и доступность навигационной системы за счет интеграции внешних данных в процессе расчета
Демонстрация принципа работы системы WAAS (Wide Area Augmentation System) на территории США
Одним из основных параметров, влияющих на точность определения местоположения и стабильность приема является чувствительность . Она, как правило, определяется качеством малошумящего усилителя на входе приемника и сложностью реализованных алгоритмов цифровой обработки. Типовые значения современных приемников лежат в диапазоне 143 дБм для поиска и 160 дБм для слежения.
Кроме определения местоположения ГНСС предоставляют информацию о точном времени. Как правило, все приемники имеют выход PPS (pulse per second, импульсов в секунду) - секундная метка (1 Гц), которая точно синхронизирована с временной шкалой UTC.
Дополнительные функции навигационных устройств
Счисление пути . На основе информации о направлении движения и пройденном пути (предоставляется дополнительными датчиками) приемник может рассчитывать свои координаты при отсутствии сигналов от спутников (например, в туннелях, на подземных стоянках и в плотной городской застройке).Некоторые модули имеют возможность напрямую подключать флэш-память (например, по SPI) к модулю для записи трека c необходимой периодичностью. Эта функция позволяет отказаться от использования отдельного микроконтроллера, либо она может быть полезной для минимизации энергопотребления (т.е. система на кристалле может находиться в состоянии сна).
На этом поверхностный обзор технологий глобальной спутниковой навигации завершен. Спасибо за внимание. Примеры реализованных проектов на базе этих ГЛОНАСС и GPS можно посмотреть на странице
На смену бумажным картам местности пришли карты электронные, навигация по которым осуществляется с помощью спутниковой системы GPS. Из данной статьи вы узнаете, когда появилась спутниковая навигация, что представляет из себя сейчас и что ждет ее в ближайшем будущем.
Первые предпосылки
Во время Второй мировой войны у флотилий США и Великобритании появился весомый козырь – навигационная система LORAN, использующая радиомаяки. По окончанию боевых действий технологию в свое распоряжение получили гражданские суда «про-западных» стран. Спустя десятилетие СССР ввела в эксплуатацию свой ответ – навигационная система «Чайка», основанная на радиомаяках, используется по сей день.
Но у наземной навигации есть существенные недостатки: неровности земного рельефа становятся преградой, а влияние ионосферы негативно сказывается на времени передачи сигнала. Если между навигационным радиомаяком и судном слишком большое расстояние, погрешность определения координат может измеряться километрами, что недопустимо.
На смену наземным радиомаякам пришли спутниковые навигационные системы для военных целей, первая из которых – американская Transit (другое название NAVSAT) – была запущена в 1964 году. Шесть низкоорбитальных спутников обеспечивали точность определения координат до двух сотен метров.
В 1976 году СССР запустила аналогичную военную навигационную систему «Циклон», а через три года – еще и гражданскую под названием «Цикада». Большим недостатком ранних систем спутниковой навигации было то, что пользоваться ими можно было лишь короткое время на протяжении часа. Низкоорбитальные спутники, да еще и в малом количестве, были не способны обеспечить широкое покрытие сигнала.
GPS vs. ГЛОНАСС
В 1974 году армия США вывела на орбиту первый спутник новой в то время системы навигации NAVSTAR, которую позже переименовали в GPS (Global Positioning System). В середине 1980-х технологию GPS разрешили использовать гражданским кораблям и самолетам, но на протяжении длительного времени им было доступно в разы менее точное позиционирование, чем военным. Двадцать четвертый спутник GPS, последний требовавшийся для полного покрытия поверхности Земли, запустили в 1993 году.
В 1982 году свой ответ представила СССР – им стала технология ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система). Завершающий 24-й спутник ГЛОНАСС вышел на орбиту в 1995 году, но малый срок эксплуатации спутников (три-пять лет) и недостаточное финансирование проекта почти на десятилетие вывели систему из строя. Восстановить всемирное покрытие ГЛОНАСС удалось только в 2010 году.
Чтобы избежать подобных сбоев, и GPS, и ГЛОНАСС сейчас используют 31 спутник: 24 основных и 7 резервных, как говорится, на всякий «пожарный» случай. Летают современные навигационные спутники на высоте порядка 20 тыс. км и за сутки успевают дважды облететь Землю.
Принцип работы GPS
Позиционирование в сети GPS проводится путем измерения расстояния от приемника до нескольких спутников, местоположение которых в текущий момент времени точно известно. Расстояние до спутника измеряется путем умножения задержки сигнала на скорость света.
Связь с первым спутником дает информацию лишь о сфере возможных расположений приемника. Пересечение двух сфер даст окружность, трех – две точки, а четырех – единственно верную точку на карте. В роли одной из сфер чаще всего используют нашу планету, что позволяет вместо четырех спутников позиционироваться только по трем. В теории точность позиционирования GPS может достигать 2 метров (на практике же погрешность значительно больше).
Каждый спутник отправляет приемнику большой набор информации: точное время и его поправку, альманах, данные эфемерид и параметры ионосферы. Сигнал точного времени требуется для измерения задержки между его отправкой и приемом.
Навигационные спутники оснащаются высокоточными цезиевыми часами, тогда как приемники – куда менее точными кварцевыми. Поэтому для проверки времени осуществляется контакт с дополнительным (четвертым) спутником.
Но ошибаться могут и цезиевые часы, поэтому их сверяют с размещенными на земле водородными часами. Для каждого спутника в центре управления системой навигации индивидуально рассчитывается поправка времени, которая впоследствии вместе с точным временем отправляется приемнику.
Еще одним важным компонентом системы спутниковой навигации является альманах, который представляет собой таблицу параметров орбит спутников на месяц вперед. Альманах, как и поправка времени, рассчитываются в центре управления.
Передают спутники и индивидуальные данные эфемерид, на основе которых вычисляются отклонения орбиты. А учитывая что скорость света нигде кроме вакуума не постоянна, в обязательном порядке учитывается задержка сигнала в ионосфере.
Передача данных в сети GPS ведется строго на двух частотах: 1575,42 МГц и 1224,60 МГц. Разные спутники транслируют сигнал на одной и той же частоте, но используют кодовое разделение каналов CDMA. То есть сигнал спутника – всего лишь шум, раскодировать который можно только при наличии соответствующего PRN-кода.
Вышеописанный подход позволяет обеспечить высокую помехоустойчивость и использовать узкий частотный диапазон. Тем нее менее, иногда GPS-приемникам все равно приходится подолгу искать спутники, что вызвано рядом причин.
Во-первых, приемник изначально не знает, где находится спутник, удаляется он или приближается и какое смещение частоты его сигнала. Во-вторых, контакт со спутником считается удачным только тогда, когда от него получен полный набор информации. Скорость же передачи данных в сети GPS редко превышает показатель 50 бит/с. А стоит сигналу оборваться из-за радиопомех, как поиск начинается заново.
Будущее спутниковой навигации
Сейчас GPS и ГЛОНАСС широко применяются в мирных целях и, по сути, являются взаимозаменяемыми. Новейшие навигационные чипы поддерживают оба стандарта связи и подключаются к тем спутникам, которые находят первыми.
Американская GPS и российская ГЛОНАСС – далеко не единственные в мире системы спутниковой навигации. К примеру, Китай, Индия и Япония начали развертывать собственные ССН под названием BeiDou, IRNSS и QZSS соответственно, которые будут действовать только внутри своих стран, а потому потребуют сравнительно малого количества спутников.
Но самый большой интерес, пожалуй, вызывает проект Galileo, который разрабатывается Европейским союзом и должен быть запущен на полную мощность до 2020 года. Изначально Galileo задумывалась как сугубо европейская сеть, но о своем желании поучаствовать в ее создании уже заявили страны Ближнего Востока и Южной Америки. Так что в скором времени на рынке глобальных ССН может появиться «третья сила». Если и эта система будет совместима с существующими, а скорей всего так и будет, потребители только выиграют – скорость поиска спутников и точность позиционирования должны вырости.
Спутниковой навигацией пользуются водители, велосипедисты, туристы – даже любители утренних пробежек отслеживают собственный маршрут при помощи спутников. Вместо того чтобы расспрашивать прохожих, как найти нужный дом, большинство предпочитают достать смартфон и задать этот вопрос ГЛОНАСС или GPS. Несмотря на то, что модули спутниковой навигации установлены в каждом смартфоне и в большинстве спортивных часов, только один человек из десяти понимает, как работает эта система и как в море девайсов с функциями GPS/ГЛОНАСС найти подходящий.
Как устроена спутниковая навигационная система
Аббревиатура GPS расшифровывается как Global Positioning System: «система глобального позиционирования», если переводить дословно. Идея использовать спутники на околоземной орбите для определения координат наземных объектов появилась в 1950-е, сразу после того, как Советский Союз запустил первый искусственный спутник. Американские ученые отслеживали спутниковый сигнал и обнаружили, что его частота меняется, когда спутник приближается или отдаляется. Поэтому, зная свои точные координаты на Земле, можно вычислить и точное расположение спутника. Это наблюдение и дало толчок для разработки глобальной системы расчета координат.
Первоначально открытием заинтересовался флот – разработку начала военно-морская лаборатория, но со временем было решено создать единую систему для всех вооруженных сил. Первый спутник GPS вывели на орбиту 1978-м. Сейчас сигналы передают около тридцати спутников. Когда навигационная система заработала, военные ведомства США сделали подарок всем жителям планеты – открыли свободный доступ к спутникам, так что каждый может пользоваться Global Positioning System бесплатно, был бы приемник.
Вслед за американцами Роскосмос создал свою систему: первый спутник ГЛОНАСС вышел на орбиту в 1982 году. ГЛОНАСС – Глобальная навигационная спутниковая система, работающая по тому же принципу, что и американская. Сейчас на орбите находятся 24 российских спутника, которые обеспечивают координирование.
Чтобы воспользоваться одной из систем, а лучше двумя одновременно, нужен приемник, который будет получать сигналы от спутников, а также компьютер для расшифровки этих сигналов: местоположение объекта вычисляется, исходя из интервалов между полученными сигналами. Точность вычислений – плюс-минус 5 м.
Чем больше спутников «видит» устройство, тем больше информации может предоставить. Для определения координат навигатору достаточно увидеть всего два спутника, но если он запеленгует хотя бы четыре спутника, девайс сможет сообщить, например, скорость передвижения объекта. Поэтому современные навигационные устройства считывают все больше параметров:
- Географические координаты объекта.
- Скорость его передвижения.
- Высоту над уровнем моря.
Какие могут возникнуть погрешности в работе GPS/ГЛОНАСС
Спутниковая навигация хороша тем, что доступна круглосуточно из любой точки планеты. Где бы вы ни находились, если у вас есть приемник – вы сможете определить координаты и построить маршрут. Однако на практике сигнал спутников могут глушить физические препятствия или погодные катаклизмы: если вы проезжаете подземный туннель, а сверху к тому же бушует шторм, сигнал может не «добить» до приемника.
Эту проблему решили за счет технологии A-GPS: она предполагает, что приемник обращается через альтернативные каналы связи к серверу. Тот, в свою очередь, использует данные, полученные от спутников. Благодаря этому можно пользоваться навигационной системой в помещениях, туннелях, в непогоду. Технология A-GPS рассчитана на смартфоны и прочие персональные устройства, поэтому, выбирая навигатор или смартфон, уточняйте, поддерживает ли он этот стандарт. Так вы сможете быть уверенными, что устройство не подведет в ответственный момент.
Владельцы смартфонов иногда жалуются, что навигатор работает не точно или периодически «отключается», не определяет координаты. Как правило, это связано с тем, что в большинстве смартфонов функция GPS/ГЛОНАСС по умолчанию отключена. Для расчетов координат устройство использует сотовые вышки или беспроводной интернет. Проблема решается настройкой смартфона, активацией нужного способа определения координат. Также может потребоваться калибровка компаса или сброс настроек навигатора.
Виды навигаторов
- Автомобильные. Навигационные система, завязанная на спутниках ГЛОНАСС или их американских аналогах, может быть частью бортового компьютера авто, но чаще покупают отдельные устройства. Они не только определяют координаты машины и позволяют без проблем добраться из пункта А в пункт Б, но также защищают от угона. Даже если злоумышленники угонят машину, ее можно будет отследить по маячку. Плюс специальных устройств для авто еще и в том, что они предусматривают установку антенны – за счет антенны можно усилить ГЛОНАСС-сигнал.
- Туристические. Если в автомобильный навигатор можно установить специальный набор карт, то к туристическим устройствам предъявляются более строгие требования: современные модели допускают использование расширенного набора карт. Однако самый простой туристический девайс – это только приемник сигнала с простейшим компьютером. Он может даже не отмечать координаты на карте, и тогда потребуется бумажная карта с навигационной сеткой. Впрочем, сейчас такие устройства покупают только из соображений экономии.
- Смартфоны, планшеты с GPS/ГЛОНАСС-приемником. Смартфоны также позволяют загрузить расширенный набор карт. Их можно использовать, как автомобильные и туристические навигаторы, главное – установить приложение и загрузить необходимые карты. Многие из полезных навигационных программ – бесплатные, но за некоторые нужно заплатить небольшую сумму.
Навигационные программы для смартфонов
Одна из самых простых программ, рассчитанных на тех, кто не хочет вникать в функционал: MapsWithMe. Она позволяет загрузить из сети карту нужного региона, чтобы затем пользоваться ею, даже если соединения с интернетом не будет. Программа покажет местоположение на карте, отыщет отмеченные на этой карте объекты – их можно сохранять в закладки и пользоваться потом быстрым поиском. На этом функционал исчерпывается. Программа использует только векторные карты – другие форматы загрузить нельзя.
Владельцы устройств на Android могут воспользоваться программой OsmAnd. Она подходит водителям и пешеходным туристам, поскольку позволяет автоматически проложить маршрут по автодорогам или горным тропинкам. ГЛОНАСС-навигатор будет вести вас по маршруту голосовыми командами. Кроме векторных карт, можно использовать растровые, а также отмечать путевые точки и записывать треки.
Ближайшая альтернатива OsmAnd – приложение Locus Map. Оно подойдет для пешеходных туристов, поскольку напоминает классическое навигационное устройство для туристов, какие были в ходу до появления смартфонов. Использует и векторные, и растровые карты.
Туристические устройства
Смартфоны и планшеты могут заменить специальное GPS/ГЛОНАСС-устройство для туризма, но у такого решения есть свои недостатки. С одной стороны, если есть смартфон, не нужно покупать никаких дополнительных девайсов. На большом ярком экране легко работать с картой, выбор приложений широкийо – мы указали всего несколько программ, охватить все предложения невозможно. Но у смартфона есть и недостатки:
- Быстро разряжается. В среднем устройство работает сутки, а в режиме постоянного поиска координат – и того меньше.
- Требует бережного обращения. Конечно, существуют защищенные смартфоны, но кроме того, что они дорогие, надежность такого смартфона все равно не сравнится со специальным туристическим ГЛОНАСС-устройством. Оно может быть полностью водонепроницаемым.
Для многодневных походов по дикой местности разработаны специализированные устройства, во влагозащищенных корпусах и с мощными аккумуляторами. Однако при выборе такого прибора важно уточнять, чтобы он поддерживал и векторные, и растровые карты. Растровая карта – это изображение, привязанное к координатам. Вы можете взять бумажную карту, отсканировать ее, связать с координатами ГЛОНАСС – и получится растровая карта. Векторные карты – не картинка, но набор объектов, которые программа размещает на изображении. Система позволяет запустить поиск по объектам, но самостоятельно создать подобную схему сложно.