НОВОСТИ

Как работает gps-навигатор? Как работает жпс навигатор


GPS как работает? Принципы работы GPS-навигатора

Сегодня мы поговорим о том, что такое GPS, как работает эта система. Уделим внимание развитию данной технологии, ее функциональным особенностям. Также обсудим, какую роль в работе системы играют интерактивные карты.

История появления GPS

История появления глобальной системы позиционирования, или определения координат, началась в США еще в далеких 50-х годах при запуске первого советского спутника в космос. Бригада американских ученых, следивших за запуском, заметила, что при отдалении спутник равномерно меняет свою частоту сигнала. После глубокого анализа данных они пришли к выводу, что при помощи спутника, если говорить более подробно, то его расположения и издаваемого сигнала, можно точно определить нахождение и скорость передвижения человека на земле, как и наоборот, скорость и нахождение спутника на орбите при определении точных координат человека. К концу семидесятых годов Минобороны США запустило систему GPS в своих целях, а еще через несколько лет она стала доступна для гражданского применения. Система GPS как работает сейчас? Точно так, как и работала в то время, по тем же принципам и основам.

Сложности синхронизации

Исходя из этого принципа навигации, можно предположить, что для точного определения ваших координат могут понадобиться всего два спутника, на основе сигналов которых легко будет найти точку пересечения, и в итоге — место, где вы находитесь. Но, к сожалению, технические причины требуют применения еще одного спутника как маркера. Главная проблема заключается в часах GPS-приемника, что не позволяет провести достаточную синхронизацию со спутниками. Причиной этому является разница в отображении времени (на вашем навигаторе и в космосе). На спутниках присутствуют дорогие высококачественные часы на атомной основе, что позволяет им вести подсчет времени с предельной точностью, тогда как на обычных приемниках такие хронометры применить попросту невозможно, так как габариты, стоимость, сложность в эксплуатации не позволили бы применять их повсюду. Даже малая ошибка в 0.001 секунды может сместить координаты более чем на 200 км в сторону!

Третий маркер

Так что разработчики решили оставить обычную технологию кварцевых часов в GPS-навигаторах и пойти по другому пути, если говорить точнее - использовать вместо двух ориентиров-спутников — три, соответственно, столько же линий для последующего пересечения. Решение проблемы строится на гениально простом выходе: при пересечении всех линий с трех обозначенных маркеров, даже при возможных неточностях, создается зона в форме треугольника, за центр которого берется его середина - ваше расположение. Также это позволяет выявить отличие во времени приемника и всех трех спутников (для которых отличие будет одинаковым), что позволяет скорректировать пересечение линий ровно в центре, проще говоря — это определяет ваши координаты GPS.

Одна частота

Следует также заметить, что все спутники посылают на ваше устройство информацию на одной частоте, и это довольно необычно. Как работает GPS-навигатор и как воспринимает всю информацию корректно, если все спутники беспрерывно и одновременно посылают на него информацию? Все довольно-таки просто. Передатчики на спутнике для определения себя посылают в радиосигнале еще и стандартную информацию, в которой находится зашифрованный код. Он сообщает максимум характеристик спутника и заносится в базу данных вашего устройства, что потом позволяет сверять данные со спутника с базой данных навигатора. Даже при большом количестве спутников в зоне досягаемости очень быстро и легко их можно определить. Все это упрощает всю схему и позволяет использовать в GPS-навигаторах меньшие по размеру и более слабые антенны приема, что удешевляет и уменьшает дизайн и габариты устройств.

GPS-карты

Карты GPS загружаются на ваше устройство отдельно, так как вы сами влияете на выбор местности, по которой хотите передвигаться. Система всего лишь устанавливает ваши координаты на планете, а уже функцией карт является воссоздание на экране графической версии, на которую наносятся координаты, что и позволяет вам ориентироваться на местности. GPS как работает в данном случае? Бесплатно, это так и продолжает оставаться в таком статусе, карты в некоторых интернет-магазинах (и не только) все же платные. Зачастую для прибора с GPS-навигатором создаются отдельные приложения для работы с картами: как платные, так и бесплатные. Разновидность карт приятно удивляет и позволяет настроить дорогу из точки A в точку Б максимально информативно и со всеми удобствами: какие достопримечательности вы будете проезжать, кратчайший путь до пункта назначения, голосовой помощник, указывающий направление и другие.

Дополнительное GPS-оборудование

Применяется система GPS не только для указания вам нужного пути. Она позволяет производить слежку за объектом, на котором может находиться так называемый маячок, или GPS-трекер. Состоит он из самого приемника сигналов и передатчика на основе gsm, 3gp или иных протоколов связи для передачи информации о расположении объекта в сервисные центры, осуществляющие контроль. Применяются они во многих отраслях: охранной, медицинской, страховой, транспортной и многих других. Также существуют автомобильные трекеры, которые подключаются исключительно к автомобилю.

Путешествия без проблем

С каждым днем значения карты и бессменного компаса уходят все дальше в прошлое. Современные технологии позволяют человеку проложить дорогу для своего странствия с минимальными потерями времени, усилий и средств, при этом увидеть наиболее захватывающие и интересные места. То, что было фантастикой около столетия назад, сегодня стало реальностью, и воспользоваться этим может практически каждый: от военных, моряков и пилотов самолетов до туристов и курьеров. Сейчас большую популярность набирает и использование этих систем для коммерческой, развлекательной, рекламной отраслей, где каждый предприниматель может указать себя на глобальной карте мира, и его будет совсем нетрудно найти. Надеемся, что эта статья помогла всем, кто интересуется тем, GPS - как работает, по какому принципу происходит определение координат, какие его сильные и слабые стороны.

autogear.ru

Как устроена и как работает GPS-навигация, сигналы системы GPS

GPS-навигация — система NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) состоит из трех частей или сегментов : космического, наземного и пользовательского оборудования. 

Космическая часть — это 32 спутника, вращающихся по 6 орбитам. Наклон орбит к земному экватору — 55 градусов, угол между плоскостями орбит — 60 градусов. Высота орбит 20180 километров, период обращения — 12 часов. Такой период обращения означает, что каждый спутник в одно и тоже время дня пролетает над одним и тем же местом. Мощность спутникового передатчика 50 Вт, вес спутников 1055 кг, срок службы спутников до 7,5 лет. Спутники GPS способны, передвигаясь, заполнять бреши в системе, если один из них вышел из строя. Важным элементом спутника являются атомные часы, рубидиевые и цезиевые, по четыре на каждом. Спутники идентифицируются номером PRN (Pseudo Random Number), который отображается приемником GPS.

Наземная часть GPS состоит из станций слежения. Они отслеживают видимые спутники и передают данные на Главную станцию (MCS) управления и контроля на авиабазе в штате Колорадо, США, для обработки траекторий спутников на сложных компьютерных программных моделях. Этой обработкой достигается определение эфемеридной информации, состоящей из параметров орбит спутников, их координат и производных координат. Через наземные станции вычисленные эфемеридные данные передаются на спутники, а затем спутник передает их приемникам GPS, где они используются для расчета координат места.

GPS-навигация, система NAVSTAR GPS, находится в подчинении Министерства обороны США, а вопросы ее гражданского использования курируются Министерством транспорта. Система предоставляет два вида услуг : SPS (Standard Position Service) -стандартной точности для гражданских пользователей, и PPS (Precise Position Service) — высокой точности для военных. При разработке системы, точность SPS в 100 метров считалась достаточной для гражданских целей. По мере испытаний оказалось, что подсистема SPS точнее, чем предполагалось. Для сохранения преимущества высокой точности для военных с марта 1990 года и был введен режим ограничения доступа SA (Selective Availability), в результате которого гражданская GPS-навигация искусственно снижает свою точность.

Пользовательский сегмент также претерпел значительные изменения. Первые одноканальные приемники последовательно настраивались на спутники. Первоначальное определение местоположения «холодный старт» требовало ввода примерной позиции и занимало много времени, «теплый старт» при последующих включениях также требовал нескольких минут. Сигнал часто пропадал, не хватало чувствительности. Затем появились двухканальные, а позже быстро переключающиеся, «мультиплексные» приемники. Их чувствительность и быстродействие казались революционными. С конца 90-х потребительским стандартом GPS стали параллельные 12-канальные приемники, отслеживающие все видимые спутники одновременно. Совершенствовались алгоритмы защиты от помех и коррекции ошибок, пользовательский интерфейс.

Все частоты в системе GPS кратны основной тактовой частоте часов спутника — 10,23 МГц. Спутник передает кодированные сигналы в диапазонах L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,6 МГц. Модуляция фазовая, так называемая псевдослучайная. Сигналы содержат два вида информации : навигационные сообщения и дальномерный псевдослучайный код. Код представляет собой последовательность единиц и нулей, на первый взгляд случайную, но изменяющуюся по сложному закону. Псевдослучайный код содержит номер спутника (PRN). Существуют два вида кода. Гражданские GPS используют С/А (Coarse Acquisition) — код, ныне передаваемый только на частоте L1. Этот код также используется для первоначального (грубого) определения позиции в PPS. Один цикл передачи кода состоит из 1023 бит и повторяется 1000 раз/сек.

Военные GPS высокой точности используют Р-код (Precise), который передается на обеих частотах, L1 и L2. В случае военной опасности Р-код может заменяться на зашифрованный Y-код. В будущем, в дополнение к отмене режима SA, для высокоответственных гражданских приложений, связанных с безопасностью жизни, например авиации, будет введен двухчастотный гражданский сервис : с 2008 года — С/А-код на частоте L2, в 2012-2014 годах — третья гражданская частота L5 = 1176,45 МГц. Для военных появится М-код, лучше защищенный от помех.

Навигационные сообщения GPS-навигация передает со скоростью 50 бит/сек и кодирует также псевдослучайным кодом. Каждое сообщение состоит из 25 кадров (страниц) по 1500 бит. Полный цикл передачи всего сообщения занимает 12,5 минут. Навигационное сообщение включает в себя эфемеридные данные и данные альманаха, данные о времени в системе GPS и коэффициенты для его пересчета во всемирное время, ключевые слова к Р-коду и специальные сообщения, об исправности аппаратуры и другие.

Эфемериды — это параметры орбиты спутника и некоторые коэффициенты, с помощью которых приемник вычисляет текущее и будущее положение спутника, используя математическую кеплеровскую модель. Кроме того, навигационные сообщения содержат поправки к спутниковым часам и к задержке распространения сигнала в ионосфере для пользователей С/А-кода. Альманах — это данные об эфемеридах и состоянии всех остальных спутников в системе, хранятся в памяти GPS-приемника. Благодаря этим данным приемник всегда знает, где находятся все спутники системы, даже когда он их не видит, и какие спутники лучше использовать для определения координат.

GPS-навигация использует способ определения координат места по измерениям дальностей до ориентиров-спутников, определяемой с помощью псевдослучайного кода. Для этого GPS-приемник синхронно со спутником генерирует аналогичный собственный код. Измеряя разность сдвига между одинаковыми участками указанных кодов по времени, приемник определяет так называемую псевдодальность. По трем псевдодальностям он может определить свое точное положение.

Определение координат места по одному и двум спутникам системы GPS.

Почему «псевдо»? Проблема в том, что если бы псевдослучайные коды приемника и спутника были сгенерированы одновременно, то псевдодальности были бы дальностями. Однако часы спутника очень точные и корректируются по сигналам с Земли, а часы приемника менее точны, кроме того, имеются задержки распространения сигнала в ионосфере, тропосфере и так далее, что создает суммарную ошибку.

Определить однозначно двухмерные координаты по двум окружностям равных расстояний (линиям положений) невозможно. Например, если часы приемника GPS-навигатора отстают, истинная позиция будет ближе, но в каждом случае пропорционально ближе к каждому из спутников. Вводя линию положения от 3-го спутника, мы можем получить однозначный результат.

Программа приемника GPS-навигатора, используя три измеренные псевдодальности, три линии положения, путем совместного решения трех уравнений вычисляет три неизвестные величины : долготу, широту и ошибку часов. Вот почему для определения двухмерных координат необходимы как минимум три спутника, для трехмерных — четыре. Скорость и направление движения, вектор пользователя, в непрофессиональных моделях приемников GPS-навигаторов, как правило, определяются по приращению координат.

По материалам книги «Все о GPS-навигаторах». Найман В.С., Самойлов А.Е., Ильин Н.Р., Шейнис А.И.

Другие статьи схожей тематики :

  • Способы навигации в портативных GPS навигаторах, свободная навигация, навигация по обратному и сохраненному пути, на заданную точку, по маршруту.
  • Точность определения координат в GPS-навигации и причины ошибок GPS.
  • Устройство компаса и его шкала, градусы и румбы, ориентирование и определение сторон света по компасу.
  • Топографические карты, определение прямоугольных координат точки на топографической карте.
  • Приближенный магнитный азимут, определение приближенного азимута без компаса, с помощью часов, линейки, использование бумажного компаса.
  • Официальные и коммерческие электронные карты для GPS-навигаторов, выбор электронных карт, применение растровых карт.
  • Назначение путевых точек, Waypoints, в GPS навигаторах, особенности путевых точек, операции выполняемые с путевыми точками.

survival.com.ua

Как работает GPS-навигатор

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 около 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 радиоприемник, 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. Результатом последующих вычислений являются координаты Вашего местоположения.

Нестабильность часов приемника

Из описанного выше принципа видно, что для определения местоположения достаточно поймать сигналы от двух спутников и построить две пересекающиеся прямые. Однако на практике точность такого метода была бы недостаточной из-за наличия ошибки часов приемника. Дело в том, что спутники, находящиеся на орбите, имеют на борту очень точные и, естественно, дорогостоящие атомные часы. Что же касается GPS-приемников, особенно бытовых, то использование таких часов было бы неоправдано в смысле габаритов и стоимости. Это было одной из серьезных проблем, с которыми столкнулись разработчики - ведь неточность хода часов всего в одну тысячную секунды приводила бы к ошибке более 250 км! Для решения этой проблемы и для возможности использования в GPS-приемниках обычных кварцевых часов (аналогичных тем, которые используются в быту) было предложено использовать не два, а три реперных ориентира, т.е. три пересекающиеся прямые. Как же это работает?

Предположим, что часы GPS-приемника немного спешат, т.е. измеренное время прохождения радиоволн будет больше реального. Это означает, что обе расчитанные линии, и, следовательно, точка их пересечения будут находиться на большем расстоянии от ориентиров (спутников), чем на самом деле. Если же часы отстают, то точка пересечения переместится ближе к спутникам. Возмем теперь третий ориентир (спутник). Легко видеть, что пересечение трех линий даст нам треугольник, размеры и положение которого могут меняться в зависимости от хода часов. Если же в качестве искомого местоположения взять геометрический центр треугольника, то его смещение будет достаточно мало, особенно если третий спутник расположен в противоположном от наблюдателя направлении. Более того, учитывая, что неточность часов для всех трех сигналов будет практически одинаковой, можно автоматическиподобрать такую величину коррекции, которая обеспечит пересечение всех трех линий в одной искомой точке.

Точность системы

Учитывая вышесказанное, мы видим, что для устранения нестабильности хода часов приемника и определения точного местоположения в двумерном пространстве (т.е. по широте и долготе) нам необходимо получить сигналы мимнимум от 3-х спутников. К счастью, сегодня количество GPS-спутников достаточно велико даже для того, чтобы в любой точке земного шара определить не только двумерные, но и трехмерные координаты - широту, долготу и высоту над уровнем моря. Для этого нужно получать сигналы минимум от 4-х спутников. При этом, чем больше спутников "видит" Ваш GPS- приемник, тем точнее он может определить координаты местоположения - вплоть до максимального предела, определяемого точностью системы. Из этого, в частности, следует, что точность работы GPS-навигатора снижается, если сигналы от некоторых спутников экранируются местными предметами (рельефом местности, деревьями с плотной кроной,высокими зданиями и т.п.).

Как известно, спутниковая GPS-система оплачивается и находится под контролем Департамента обороны США, который зарезервировал предельную точность исключительно для своих военных целей. Для этого передаваемый спутниками сигнал кодируется с помощью специального Р-кода, который может быть декодирован только военными GPS-приемниками. В дополнение к этому, в сигналы времени от спутниковых атомных часов добавляется случайная ошибка, которая искажает полученные значения координат. В результате точность гражданских GPS-премников ухудшается более чем в 10 раз по сравнению с военными и составляет около 50 - 150 м.

Дифференциальная GPS

Для того, чтобы в ряде случаем можно было "обойти" ограничения, наложенные Департаментом обороны США, некоторые специальные службы (например, Береговая Охрана США) установили сеть фиксированных т.н. "дифференциальных" радио-буев. Каждый из них постоянно регистрирует сигналы GPS-спутников и сравнивает расчитанные координаты со своим известным постоянным местоположением. Вычисленная таким образом ошибка передается радио-буем на фиксированной частоте (обычно в 2-х метровом диапазоне) в виде специального сигнала. Если этот сигнал поймать с помощью дополнительного т.н. "дифференциального" приемника, подключенного к GPS-навигатору, то последний может внести соответствующую поправку и определить координаты с точностью около 1 метра. В последнее время такие службы получают все большее распространение в западных странах, однако их услуги часто бывают платными.

Использование одной частоты

Способ радиообмена между спутниками и GPS-премником также достаточно необычен. Дело в том, что все спутники вещают одновременно на одной и той же частоте. Для того чтобы GPS-приемник мог определить, от какого спутника исходит данная информация, бортовые передатчики посылают в составе своего сигнала стандартный идентификационный код, которыйсравнивается с кодами, находящимися в памяти приемника. Т.о. независимо от того, сколько и каких спутников находятся в поле зрения приемника, последний может без труда идентифицировать источники сигналов. Такой подход не только упрощает схему GPS-приемника, но и, несмотря на малый уровень радиосигналов, позволяет использовать в них малогабаритные, а, значит, не очень эффективные приемные антенны.

Автор:1992

7ba.ru

Как работает gps-навигатор?

Люди повседневно пользуются различными приборами, с ними жизнь стала гораздо комфортнее. Сюда можно отнести и gps-навигаторы, они стали так же привычны, как и мобильные телефоны, и фотоаппараты, и мр3-плееры. А кто задумывался над тем, по какому принципу осуществляется навигация?

gps-навигацияЕще в далекие времена люди старались облегчить себе жизнь в путешествиях при помощи различных инструментов, позволяющих установить местонахождение в пространстве. Таких, как, например, компас или секстант. Эти два прибора имеют место и в современном мире, однако все большую популярность приобретает так называемая gps-навигация. С ее появлением началась новая эра в определении географических координат.Сама по себе аббревиатура “gps” расшифровывается как “global positioning system”, это широкомасштабная система определения координат. Она приводится в действие благодаря ряду спутников на солнечных батареях и наземных пунктов. Эта система впервые была запущена американским Министерством обороны для обеспечения военной безопасности государства, а со временем стала доступна и гражданским лицам.Современные люди уже не представляют себе жизни без использования спутниковых систем. Они позволяют путешествовать по всему миру, без страха затеряться на какой-либо неизведанной территории, дают ощущение безграничной свободы.Принцип работы gps-навигаторовОпределить свое местонахождение возможно при помощи gps-приемников. Это уже знакомые нам приборы – навигаторы. Они обрабатывают сигналы со спутников и вычисляют точные координаты. Для этого измеряется время, за которое сигнал из космоса способен дойти до земного объекта. Расстояние вычисляется автоматически исходя из полученных данных о времени. Обычно для определения положения объекта в пространстве достаточно информации, полученной с трех спутников, если же их будет больше, то можно вычислить еще и положение объекта над уровнем моря. Помимо этого, система gps помогает в определении маршрутов (даже с учетом пробок), расстояний, поиске отдельных домов и улиц, многообразных объектов инфраструктуры. Навигация доступна в любое время дня или ночи и в любую погоду.Качество gps-сигнала и погрешностиНа качество радиосигналов, отправленных со спутников, могут несколько повлиять повышенная активность на Солнце или магнитные бури. В этих случаях обычно сигналы распространяются несколько хуже, навигатор будет функционировать медленнее.Как правило, небольшие погрешности в определении координат возникают в связи с некоторыми техническими неполадками системы. Сюда можно отнести задержку в бортовой аппаратуре, нестабильную работу генератора, неопределенное положение спутника и различные погрешности космического характера.

Оцените статью!

imguru.ru