Gps спутниковый. Как работает GPS навигация

Создания спутниковой навигации родилась ещё в 50-е годы. В тот момент, когда СССР был запущен первый искусственный спутник Земли, американские учёные во главе с Ричардом Кершнером, наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть открытия заключалась в том, что если Вы точно знаете свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение спутника, инаоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственные координаты.

Реализована эта идея была через 20 лет. Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г. США, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., таким образом Глобальная система позиционирования или сокращённо GPS встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле. Также с помощью системы вмонтированной в спутники стало реально определять мощные ядерные заряды, находящиеся на поверхности планеты.

Первоначально GPS – глобальная система позиционирования, разрабатывалась как чисто военный проект. Но после того, как в 1983 г. был сбит вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза самолёт Корейских Авиалиний с 269 пассажирами на борту, президент США Рональд Рейган разрешил частичное использование системы навигации для гражданских целей. Ноточность была уменьшена специальным алгоритмом.

Затем появилась информация о том, что некоторые компании расшифровали алгоритм уменьшения точности и с успехом компенсируют эту составляющую ошибки, и в 2000 г. это загрубление точности было отменено указом президента США.

1. Спутниковая система навигации

Спутниковая система навигации – комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты), а также параметров движения (скороти и направлення движения и т.д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

1.1 Что такое GPS?

Спутниковая навигационная система GPS была изначально разработана США для использования в военных целях. Другое известное название системы – «NAVSTAR». Ставшее уже нарицательным название «GPS» является сокращением от Global Positioning System, которое переводится, как Глобальная Навигационная Система. Это название полностью характеризуется предназначение системы – обеспечение навигации на всей территории Земного шара. Не только на суше, но и на море и в воздухе. Используя навигационные сигналы системы GPS, любой пользователь может определить свое текущее местоположение с высокой точностью.

Такая точность, во многом, стала возможной благодаря шагам Американского правительства, которое в 2000 году сделало систему GPS доступной и открытой для гражданских пользователей. Напомним, что ранее с помощью специального режима избирательного доступа (SA – Selective Availability) в передаваемый сигнал вносились искажения, снижающие точность позиционирования до 70–100 метров. С 1 мая 2000 года, этот режим был отключен и точность повысилась до 3–10 метров.

Фактически, это событие дало мощный импульс для развития бытовой навигационной GPS аппаратуры, снижению ее стоимости, и активной ее популяризации среди обычных пользователей. На текущий момент, GPS приемники разных типов активно применяются во всех областях человеческой деятельности, начиная от обычной навигации, заканчивая персональным контролем и увлекательными играми, типа «Geocaching ». По результатам многих исследований, использование навигационных GPS систем дает большой экономический эффект для мировой экономики и экологии – повышается безопасность движения, улучшается дорожная ситуация, уменьшается расход топлива, снижается количество вредных выбросов в атмосферу.

Растущая зависимость европейской экономики от системы GPS, и, как следствие, от администрации США, вынудила Европу начать разработку собственной навигационной системы – Galilleo. Новая система во многом похожа на систему GPS.

2. Состав системы GPS

2.1 Космический сегмент

Космический сегмент системы GPS состоит из орбитальной группировки спутников, излучающих навигационные сигналы. Спутники расположены на 6-и орбитах на высоте около 20000 км. Период обращения спутников составляет 12 часов и скорость около 3 км/c. Таким образом, за сутки, каждый спутник совершает два полных оборота вокруг Земли.

Первый спутник был запущен в феврале 1978 года. Его размер с раскрытыми солнечными батареями равнялся 5 метрам, а вес – более 900 кг. Это был спутник первой модификации GPS-I. За последние 30 лет, на орбите сменилось несколько модификаций GPS спутников: GPS II-A, GPS II-R, GPS IIR-M. В процессе модернизации снижался вес спутников, улучшалось стабильность бортовых часов, повышалась надежность.

GPS спутники передают три навигационных сигнала на двух частотах L1 и L2. «Гражданский» сигнал C/A, передаваемый на частоте L1 (1575.42 МГц), доступен всем пользователям, и обеспечивает точность позиционирования 3–10 метров. Высокоточный «военный» P-код, передается на частотах L1 и L2 (1227.60 МГц) и его точность на порядок выше «гражданского» сигнала. Использование сигнала, передаваемого на двух разных частотах, позволяет также частично компенсировать ионосферные задержки.

В последней модификации спутников «GPS IIR-М» реализован новый «гражданский» сигнал L2C, призванный повысить точность GPS измерений.

Идентификация навигационных сигналов осуществляется по номеру, соответствующему «псевдошумовому коду», уникального для каждого спутника. В технической спецификации GPS системы изначально было заложено 32 кода. На этапе разработки системы и начальном периоде ее эксплуатации, планировалось, что количество рабочих спутников не будет превышать 24-х. Свободные коды выделялись для новых GPS спутников, находящихся на этапе ввода в эксплуатацию. И этого количества было достаточно для нормального функционирования системы. Но в настоящее время, на орбите находится уже 32 спутника, из которых 31 функционирует в рабочем режиме, передавая навигационный сигнал на Землю.

«Избыточность» спутников позволяет обеспечить пользователю вычисление позиции в условиях, где «видимость» неба ограничена высотными зданиями, деревьями или горами.

2.2 Наземный сегмент

Наземный сегмент системы GPS состоит из 5-и контрольных станций и главной станции управления, расположенных на военных базах США – на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесенья, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане и в Колорадо-Спрингс, они преведены на рисунке 1 .В задачи станций мониторинга входит прием и измерение навигационных сигналов поступающих с GPS спутников, вычисление различного рода ошибок и передача этих данных на станцию управления. Совместная обработка полученных данных позволяет вычислить отклонение траекторий спутников от заданных орбит, временные сдвиги бортовых часов и ошибки в навигационных сообщениях. Мониторинг состояния GPS спутников происходит практически непрерывно. «Загрузка» навигационных данных, состоящих из прогнозируемых орбит и поправок часов для каждого из спутников, осуществляется каждые 24 часа, в момент, когда он находится в зоне доступа станции управления.

В дополнение к наземным GPS станциям существует несколько частных и государственных сетей слежения, которые выполняют измерения навигационных GPS сигналов для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников.

Рисунок 1

2.3 Аппаратура пользователей

Под аппаратурой пользователя подразумевают навигационные приемники, которые используют сигнал со спутников GPS для вычисления текущей позиции, скорости и времени. Пользовательскую аппаратуру можно разделить на «бытовую» и «профессиональную». Во многом этом разделение условное, так как иногда достаточно трудно определить, к какой категории следует отнести GPS приемник и какие критерии при этом использовать. Есть целых класс GPS навигаторов, использующихся в пеших походах, автомобильных путешествиях, на рыбалке и т.п. Есть авиационные и морские навигационные системы, которые зачастую входят в состав сложных навигационных комплексов. В последнее время широкое распространение получили GPS чипы, которые интегрируются в КПК, телефоны и другие мобильные устройства.

Поэтому в навигации бо льшее распространение получило деление GPS приемников на «кодовые» и «фазовые». В первом случае, для вычисления позиции используется информация, передаваемая в навигационных сообщениях. К этой категории относится большинство недорогих GPS навигаторов, стоимостью 100–2000 долларов.

Вторая категория навигационных GPS приемников использует не только данные, содержащиеся в навигационных сообщениях, но и фазу несущего сигнала. В большинстве случаев это дорогостоящие одно- и двухчастотные (L1 и L2) геодезические приемники, способные вычислять позицию с относительной точностью в несколько сантиметров и даже миллиметров. Такая точность достигается в RTK режиме, при совместной обработке измерений GPS приемника и данных базовой станции. Стоимость таких устройств может составлять десятки тысяч долларов.

3. Работа GPS-навигатор а

Основной принцип, лежащий в основе всей системы GPS, прост и давно используется для навигации и ориентирования: если вы точно знаете местоположение какого-либо реперного ориентира и расстояние до него, то можно начертить окружность (в 3-х мерном случае – сферу), на которой должна быть расположена точка вашего положения. На практике, если вышеуказанное расстояние, т.е. радиус, достаточно велик, то можно заменить дугу окружности отрезком прямой линии. Если провести несколько таких линий, соответствующих разным реперным ориентирам, то точка их пересечения укажет ваше местоположение. В GPS роль таких реперов играют две дюжины спутников, движущихся каждый по своей орбите на высоте ~ 17 000 км над поверхностью Земли. Скорость их движения весьма велика, однако параметры орбиты и их текущее местонахождение с высокой точностью известны бортовым компьютерам.Важной частью любого GPS-навигатора является обычный приемник, работающий на фиксированной частоте и постоянно «прослушивающий» сигналы, передаваемые этими спутниками. Каждый из спутников постоянно излучает радиосигнал, в котором содержатся данные о параметрах его орбиты, состоянии бортового оборудования и о точном времени. Изо всей этой информации данные о точном бортовом времени являются наиболее важными: GPS-приемник с помощью встроенного процессора вычисляет промежуток времени между посылкой и получением сигнала, затем умножает его на скорость распространения радиоволн и т.о. узнает расстояние между спутником и приемником.

Что представляет собой спутниковый навигатор, и действительно ли он так необходим, как об этом говорят? Многие современные автолюбители уже не мыслят себя без этого полезного устройства, считая GPS навигатор неотъемлемой частью своего автомобиля. Чем же вызвано такое благоговейное отношение?

Интересные факты о спутниковой навигации

К концу семидесятых годов Минобороны США запустило систему GPS в своих целях, обнаружив, что с помощью места расположения спутника и подаваемого им сигнала возможно с высокой точностью определить скорость движения и геолокацию объекта на земле. Кроме того, возможно и обратное действие – определение координат спутника в космосе по данным местонахождения человека.

Спустя некоторое время эта система внедрилась в обычную жизнь граждан, позволяя пользоваться ее преимуществами.

Факт! Первый навигатор для автомобилистов, обладающий способностью принимать информацию о транспортных коллапсах на дорогах, был презентован весной 2008 года компанией JJ-Group.

Навигатор JJ-Connect Autonavigator 4000W Traffic с предельной точностью выявлял зоны затрудненного движения транспорта и, автоматически составляя маршрут, давал рекомендации по наиболее оптимальному пути следования в сложившихся условиях.

Удобство использования спутниковой навигации в кратчайшее время было оценено автомобилистами.

Принцип действия

Для того, чтобы точно определить наземные координаты объекта, используется приемник сигналов, отправляемых со спутника системами типа ГЛОНАСС и GPS.

Анализируя полученную информацию, процессор, размещенный в устройстве, совершает точный расчет местонахождения данного прибора, расположенного на земле, указывая несколько величин:

широту;
высоту;
долготу (в более редких случаях).

Процесс определения координат длится от пары секунд до нескольких часов. Скорость выполнения задачи зависит следующего ряда факторов:

тип устройства;
вид спутниковой системы;
условия видимости спутника;
геолокация спутника.

Нередки случаи невозможности точного определения местонахождения при неблагоприятных внешних условиях. Такими условиями может быть погода или расположение объекта вне зоны досягаемости спутника, например, под землей.

Прибор обладает встроенным GPS приемником, запрограммированным на определенную частоту, и постоянно взаимодействующим со спутником (или несколькими). Каждый радиосигнал содержит некие закодированные данные:

о техническом состоянии спутника;
о расположении спутника на земной орбите;
о точном времени на каждый конкретный момент.

Последняя информация наиболее важна для получения координат объекта на земле с высокой точностью. В результате несоответствия отображаемого времени на спутнике, где установлены крупногабаритные высокоточные часы, и данных GPS приемника с обычными часами, первое время возникали существенные (до 200км) расхождения из-за невозможности полной синхронизации. Проблема решилась использованием трех спутников вместо двух. Благодаря пересечению волн с трех сторон определение местонахождения объекта стало возможным с точностью до двух метров.

В современном мире спутниковые GPS навигаторы повсеместно устанавливаются в автомобилях. Технические возможности позволяют использовать электронные карты, показывающие на экране часть местности, окружающей навигатор. GPS карты следует загружать в устройство самостоятельно, с учетом своего постоянного места пребывания либо геолокации в конкретный период времени.

Характеристики и топ навигаторов

Существует огромное количество навигаторов различного ценового диапазона. В качестве примеров можно привести такие зарекомендовавшие себя модели, входящих в топ лучших по опросам потребителей:

Prology iMap-7300;
LEXAND SA5 HD+;
Navitel G500;
Prology iMap-5600 Black;
Navitel А735;
Garmin NuviCam LMT Rus;
TomTom GO 6000;
Garmin Nuvi 2595LT;
Garmin nuvi 55LMT;
Prestigio GeoVision 5056.

Стоимость одной единицы варьируется от 4 до 80 тысяч рублей, в зависимости от технических характеристик и возможностей устройства.

Разработчики проявляют максимум изобретательности при создании спутниковых приемников. Бюджетные модели обладают стандартными функциями, тогда как устройства класса премиум могут включать в себя ряд дополнительных возможностей такого характера:

емкий аккумулятор;
сенсорный дисплей свыше 6 дюймов;
встроенная память не менее 4 ГБ;
новейшая операционная система Windows, исключающая зависание и торможение процесса;
встроенный видеорегистратор;
модуль Bluetooth.

Но это еще не весь функционал, возможны следующие дополнения:

совместимость со смартфонами любых моделей;
большой набор объектов POI;
встроенные карты 3D с возможностью бесплатного обновления;
поддержка внешних USB-модемов;
видеоигры;
автоматизированные предупреждения.

Говоря о предупреждениях, стоит заметить многообразие данной услуги. Это могут быть автоматизированные подсказки различного рода:

о кафе и ресторанах;
о приближающейся достопримечательности;
о гостиницах;
о больницах;
о станциях технического обслуживания;
о мойках и АЗС.

Кроме того, в устройствах имеется ряд важных предупреждений:

о поворотах (что особенно удобно в ночное время);
о приближении поста дорожной госавтоинспекции;
об установленной на пути следования видеокамере;
о произошедшей аварии и автомобильной пробке.

Последнее качество особенно ценится водителями. Помимо предупреждений, система автоматически выстраивает оптимальный маршрут следования с учетом возникающих на пути препятствий следующего типа:

знаков объезда;
знаков ограничения движения (кирпич);
ремонтных работ;
вышедшего из строя светофора.

Удобство использования спутникового устройства ежедневно подтверждается автолюбителями. Особым преимуществом данного прибора, помимо автоматизированных подсказок, является 3D карта. Постоянная видимость собственного маршрута следования на экране приемника придает водителю уверенность. Конечно, можно самостоятельно отклониться от предлагаемого маршрута, однако в течение нескольких секунд навигатор предложит новый путь с учетом возникших обстоятельств.

Каждому, скорее всего, приходилось попадать в незнакомую местность, где нужно было сориентироваться, не теряя времени. Прекрасным помощником при решении данной проблемы станет спутниковый GPS-навигатор. Услуги глобальной навигационной системы GPS бесплатны.

Системы, работающие через спутники, имеют похожие базовые функции: нахождение оптимального маршрута из одной точки в другую, а также прокладка нового маршрута при отклонении от первоначального. Детали же могут отличаться. К примеру, некоторые приборы имеют голосовую подсказку, отобразят карту в 2D и 3D режимах, подскажут информацию о дорожных знаках. Многие из них имеют мультимедийные функции. Эффективность прибора будет зависеть от качества электронной карты в его памяти.

Из многообразия спутниковых GPS-навигаторов по назначению и конструктивному исполнению следует выделить три класса. К первому принадлежат встраиваемые модули или компактные устройства, работающие через спутник, для работы вместе с другой электроникой – компьютером либо мобильным телефоном. У них нет дисплея. Приборы второго класса навигационную информацию отобразят на экране дисплея, сохранят ее и проложат оптимальный маршрут. Третий класс – это GPS-аппаратура, способная обрабатывать картографическую информацию, загружаемую или встроенную.

Чтобы не ошибиться в выборе спутникового навигатора, следует определиться, для каких целей он будет использоваться. Для пешеходного применения подойдут удобные приборчики с управлением одной рукой, где кнопки находятся на боковых поверхностях корпуса. Для автомобиля лучшим вариантом будет система с крупным дисплеем. Яхта может быть оснащена прибором с функцией сигнализации, которая срабатывает при отклонении от курса или от точки стоянки.

Для экстремальных условий подойдут спутниковые навигаторы, имеющие защиту от влаги, пыли, ударов, воздействия низких и высоких температур. Ценовой диапазон очень широкий и зависит от функциональных возможностей системы.

Кроме достоинств, GPS-система имеет и некоторые недостатки. Поскольку приемник навигатора является пассивным устройством, сигнал спутника бывает настолько слабым, что иногда бывает трудно определить свое положение. Это может произойти в ущелье, густом лесу или тоннеле. В этом случае поможет выносная антенна, которая подключится только к тем приборам, где имеется специальное гнездо. При необходимости можно найти и GPS навигатор со встроенным электронным магнитным компасом и автономным барометрическим высотомером. Это позволит ориентироваться на местности классическим способом.

65 нанометров - следующая цель зеленоградского завода «Ангстрем-Т», которая будет стоить 300-350 миллионов евро. Заявку на получение льготного кредита под модернизацию технологий производства предприятие уже подало во Внешэкономбанк (ВЭБ), сообщили на этой неделе «Ведомости» со ссылкой на председателя совета директоров завода Леонида Реймана. Сейчас «Ангстрем-Т» готовится запустить линию производства микросхем с топологией 90нм. Выплаты по прошлому кредиту ВЭБа, на который она приобреталась, начнутся в середине 2017 года.

Пекин обвалил Уолл-стрит

Ключевые американские индексы отметили первые дни Нового года рекордным падением, миллиардер Джордж Сорос уже предупредил о том, что мир ждет повторение кризиса 2008 года.

Первый российский потребительский процесор Baikal-T1 ценой $60 запускают в массовое производство

Компания «Байкал Электроникс» в начале 2016 года обещает запустить в промышленное производство российский процессор Baikal-T1 стоимостью около $60. Устройства будут пользоваться спросом, если этот спрос создаст государство, говорят участники рынка.

МТС и Ericsson будут вместе разрабатывать и внедрять 5G в России

ПАО "Мобильные ТелеСистемы" и компания Ericsson заключили соглашения о сотрудничестве в области разработки и внедрения технологии 5G в России. В пилотных проектах, в том числе во время ЧМ-2018, МТС намерен протестировать разработки шведского вендора. В начале следующего года оператор начнет диалог с Минкомсвязи по вопросам сформирования технических требований к пятому поколению мобильной связи.

Сергей Чемезов: Ростех уже входит в десятку крупнейших машиностроительных корпораций мира

Глава Ростеха Сергей Чемезов в интервью РБК ответил на острые вопросы: о системе «Платон», проблемах и перспективах АВТОВАЗа, интересах Госкорпорации в фармбизнесе, рассказал о международном сотрудничестве в условиях санкционного давления, импортозамещении, реорганизации, стратегии развития и новых возможностях в сложное время.

Ростех "огражданивается" и покушается на лавры Samsung и General Electric

Набсовет Ростеха утвердил "Стратегию развития до 2025 года". Основные задачи – увеличить долю высокотехнологичной гражданской продукции и догнать General Electric и Samsung по ключевым финансовым показателям.

Многие автовладельцы используют навигаторы в своих автомобилях. При этом некоторые из них не знают о существовании двух различных спутниковых систем – российской ГЛОНАСС и американской GPS. Из этой статьи вы узнаете, в чем же их отличия и какой следует отдать предпочтение.

Как работает навигационная система

Навигационная система в основном используется для того, чтобы определить местоположение объекта (в данном случае автомобиля) и скорость его движения. Иногда от неё требуется и определение некоторых других параметров, например, высоты над уровнем моря.

Вычисляет она эти параметры, устанавливая расстояние между самим навигатором и каждым из нескольких спутников, расположенных на земной орбите. Как правило, для эффективной работы системы необходима синхронизация с четырьмя спутниками. По изменению этих расстояний она и определяет координаты объекта и другие характеристики движения. Спутники ГЛОНАСС не синхронизируются с вращением Земли, из-за чего обеспечивается их стабильность на большом промежутке времени.

Видео: ГлоНаСС vs GPS

Что лучше ГЛОНАСС или GPS и в чем их разница

Системы навигации в первую очередь предполагали их использование в военных целях, и только потом стали доступны для обычных граждан. Очевидно, что военным необходимо использовать разработки своего государства, потому что иностранная система навигации может быть отключена властями этой страны в случае возникновения конфликтной ситуации. Более того, в России призывают использовать систему ГЛОНАСС и в повседневной жизни военным и государственным служащим.

В повседневной жизни обычному автомобилисту и вовсе не стоит переживать по поводу выбора навигационной системы. И ГЛОНАСС, и обеспечивают качество навигации, достаточное для использования в житейских целях. На северных территориях России и других государств, расположенных в северных широтах, спутники ГЛОНАСС работают эффективнее, из-за того, что их траектории передвижения находятся выше над Землей. То есть в Заполярье, в скандинавских странах ГЛОНАСС эффективнее и это признали шведы еще в 2011 году. В других регионах GPS немного точнее ГЛОНАСС в определение местоположения. По данным Российской системы дифференциальной коррекции и мониторинга ошибки GPS составляли от 2 до 8 метров, ошибки ГЛОНАСС от 4 до 8 метров. Но GPS, чтобы определить местоположение нужно поймать от 6 до 11 спутников, ГЛОНАСС хватит 6-7 спутников.

Также следует учесть, что система GPS появилась на 8 лет раньше и ушла в солидный отрыв в 90-ые года. И за последнее десятилетие ГЛОНАСС этот отрыв сократила почти полностью, а к 2020 году разработчики обещают, что ГЛОНАСС не будет ни в чем уступать GPS.

На большинство современных устанавливается комбинированная система, которая поддерживает как российскую спутниковую систему, так и американскую. Именно такие устройства являются наиболее точными и обладают самой низкой ошибкой в определении координат автомобиля. Также возрастает и стабильность принимаемых сигналов, ведь такой аппарат может «увидеть» больше спутников. С другой стороны, цены на такие навигаторы намного выше односистемных аналогов. Оно и понятно – в них встраиваются два чипа, способные принимать сигналы от каждого типа спутников.

Видео: тест GPS и GPS+ГЛОНАСС приемников Redpower CarPad3

Таким образом, наиболее точными и надежными навигаторами являются двухсистемные устройства. Однако их преимущества связаны с одним существенным недостатком – стоимостью. Поэтому при выборе нужно подумать – а нужна ли настолько высокая точность в условиях каждодневного использования? Также для простого автолюбителя не очень важно, какой навигационной системой пользоваться – российской или американской. Ни GPS, ни ГЛОНАСС не дадут вам заблудиться и доставят к желаемому месту назначения.