НОВОСТИ

Система спутниковой навигации GPS — принцип, схема, применение. Принцип работы навигатора


Как работает навигатор. Разберем рядовую машину, а также выясним, нужен ли интернет

В век цифровых технологий мы с вами начинаем отказываться от обычных компасов, переходя на совершенно новые технологии. Такими технологиями сейчас являются навигаторы. Они вам и дорогу проложат, и запомнят ваш выбор, и подскажут где пробки, в общем, куча полезного. Но зачастую владельцы не знают, как работают эти приборы. Некоторые говорят — что это спутниковый сигнал, другие что сотовый, третьи вообще — что он сам позиционируется на месте! Но где же правда, как работает автомобильный (или какой либо другой) навигатор? Давайте разбираться …

Как работает навигатор

СОДЕРЖАНИЕ СТАТЬИ

Что хочется отметить, навигаторы это совершенно независимые устройства, работают автономно! ДА в некоторые из них может быть встроена сим карта, то есть позиционирование по сотовым вышкам, но это в качестве исключения, нежели в общей практике! Навигатор работает совершенно по другому принципу.

Техническая составляющая

Итак, прежде чем определять — как он работает, давайте вспомним, из чего же он состоит:

  • Собственно это «печатная» или еще называют «материнская плата» навигатора, которая заключается в корпус. Именно она «сердце» любого устройства, на ней устанавливается процессор, память и собственно сам приемник сигналов, GPS модуль (про это чуть позже).
  • Экран. Сейчас они практически все сенсорные, раньше зачастую встречались и обычные. Они строятся по TFT или IPS технологиям. Нужно отметить вторая технология позволяет повысить удобство от пользование навигатором, потому как на ней менее проявляются блики, также объекты более четкие и яркие. Всем советую брать именно с IPS матрицей. Хотя сейчас и TFT дисплеи покрывают антибликовым покрытием. Дисплей соединяется с «материнской платой» при помощи специальных шлейфов.
  • Аккумулятор. Также необходим, по сути, он мало чем отличается от телефонных или планшетных батарей. Позволяет работать устройству автономно, не зависимо от источников питания (электрическая цепь дома или автомобиля). Чем больше батарея, тем дольше он может работать, ведь расход энергии при позиционировании действительно большой.
  • Корпус. Хочется заострить на нем внимание. Ведь он реально важная составляющая. Раньше они делались только из пластика и были достаточно хлипкими, сейчас же все чаще встречаются версии с защищенным корпусом, он прорезиненный, такие навигаторы не бояться влаги, а некоторые даже могут погружаться в воду. Так что если вы занимаетесь экстремальными видами спорта, в том числе и авто. То вам нужно выбирать именно защищенный корпус.

разобрал навигатор

Если подвести итог навигатор будь то автомобильный или обычный, по сути это маленький компьютер, зачастую по своим функциям похож на планшетный ПК.

Как работает электроника навигатора?

Все что я перечислил сверху, это всего лишь физическая составляющая или как говорят программисты на своем сленге «ЖЕЛЕЗО», без программ оно работать не будет.

Чтобы заставить ЖЕЛЕЗО издавать хоть какие-то сигналы на него устанавливают BIOS, он то и начинает заставлять работать все вместе – материнскую плату, GPS датчик, дисплей, аккумулятор, память, процессор.

bios заставляет работать

Далее на него уже устанавливается операционная система. Сейчас самые популярные это Windows CE и Android, причем вторая система активно вытесняет первую из-за своей гибкости, стабильности и быстрой работы. Однако существуют и другие разработчики со своими системами, например GARMIN и Tom Tom, у них свои «операционки» и оболочки. Все эти системы специально адаптированы под сенсорный монитор, то есть здесь присутствует специальная оболочка.

специальная оболочка

Ну все, поставили мы скажем — Android на свое «железо», но как он дальше будет работать? Как позиционировать?

Теперь нам нужно установить так называемую рабочую программу, сейчас их также десятки, самые распространенные в России, это конечно же Navitel, а также свои навигационные программы от поисковиков Яндекс и Google. Вообще если «порыть» можно найти не менее 10 программ, которые можно установить на свой навигатор.

программа NAVITEL

Программа сама по себе начинает взаимодействовать с GPS модулем и определяет точку по координатам на мониторе вашего навигатора. Но вот без карт это бесполезно. Поэтому еще одной важной составляющей являются карты, которые как бы подкладываются в программу.

Как работают карты?

Навигатор как я написал выше, определяет координаты, в которых вы находитесь – долгота, ширина и высота. Если карт у вас в навигаторе нет, то на просто белом или черном дисплее вы будете видеть точку, возможно, будут указываться ваши координаты. Такая информация практически бесполезна. Подкладываются электронные карты, они также жестко привязаны к координатам, поэтому, когда навигатор определил место положения, то точка сопоставляется с местом на карте. Таким образом, вы видите свое местоположение.

карты

Карты постоянно совершенствуются, на них появляются все больше опознавательных знаков, зачастую указаны адреса, улицы, дома, магазины, светофоры, радар-детекторы и прочая полезная информация. Нужно сказать, что это большая работа, и разработчикам постоянно нужно обновляться карты, ведь города и дороги изменяются.

Как работает «GPS» и «ГЛОНАСС»?

Вот мы и подошли к самому интересному, а именно к работе самого приемника. Чтобы узнать координаты, он отсылает через встроенную антенну, специальный запрос в Глобальную Систему Позиционирования (Global Position System или просто GPS), у которой на орбите нашей планеты есть группировка спутников. Дальше он получает ответ в зашифрованном виде, ответ с координатами, ответ передается навигационной программе, которая определяет место положения.

Для точности определения координат, и для корректной работы нужно как минимум связь с 4 спутниками, если их меньше, то программа может автоматически не заработать! Если на небе облака и тучи, то видимость спутников категорически падает. Также они практически не видны в зданиях, туннелях метро и других подземных частях.

спутники

GPS – это американская система позиционирования, однако Россия сейчас на данный момент разработала и успешно применяет свою альтернативную группировку спутников, которая получила название «ГЛОНАСС», да пока там спутников меньше, и работоспособность системы немного «плавает», но каждый год на орбиту выводятся новые и новые элементы стабильность растет год от года. Сейчас уже и не отличить где «GPS», а где «ГЛОНАСС».

В свою очередь навигаторы, будь то автомобильный или просто переносимый стационарный могут автоматически переключаться между системами позиционирования. Также доступен и ручной режим. В планах правительства России, сделать все современные автомобили оснащенными системой «ЭРА ГЛОНАСС».

Про сотовые вышки или нужен ли интернет?

Как вы, наверное, уже поняли навигатору не нужно интернет соединения ВООБЩЕ! Поэтому высказывания – «если нет интернета, нет и позиционирования» – МЯГКО СКАЗАТЬ ОШИБОЧНЫ! Навигационные системы работают на прямую, со спутниками и сотовые вышки им совершенно не нужны.

Но откуда же пошел такой миф? Все просто, виноваты в этом сотовые телефоны и первые навигационные системы от поисковиков (Яндекс Google). Именно они, в начале своего пути, позиционировали по расположению точки между базовыми станциями. То есть человек с телефоном запускал программу, она автоматически опрашивала сотовые вышки и они примерно, показывали ваше местоположение, погрешность была огромной, лично я сам помню до 2 километров, особенно в тех местах, где не было достаточно сотовых вышек (интернета). ДА и такое позиционирование было очень медленным, стояло выехать за город, сигнал терялся, интернет становился вообще «ниже плинтуса» и программа зависала. Проблема была еще и в том что вашему гаджету нужно было тянуть карты из интернета в режиме онлайн!

Сейчас совершенно другая ситуация, поисковики научили свои программы, корректно работать с GPS модулями:

  • Появилась возможность позиционирования через спутники, а не только через базовые станции. Есть и гибридный режим – спутники + вышки.
  • Можно выкачать карту вашей местности (города, села области и т.д.), что не дает не нужного расхода интернета.
  • Позиционирование очень точное, с точностью до метра.

скриншот с телефона

Таким образом – ИНТЕРНЕТ для навигатора, даже в телефоне НЕ НУЖЕН! Вам достаточно включить GPS модуль, выкачать карты и пользоваться.

НА этом у меня все, читайте наш АВТОБЛОГ.

avto-blogger.ru

Что такое GPS: принцип действия, применение, недостатки

Сегодня искусственные спутники Земли активно используются во многих сферах нашей жизни. Уже перестали быть новинками спутниковое телевидение и спутниковый Интернет. Такой же привычной становится и спутниковая навигационная система GPS. Что же это за система, и какие задачи она решает?

Принцип действия

Для начала разберемся с тем, что такое GPS. Эта аббревиатура произошла от английских слов Global Positioning System – глобальная система позиционирования. Так называют систему космических спутников, которую начали разрабатывать еще в 1970-х годах по заказу военного ведомства США. В 80-е годы ею разрешили пользоваться гражданским лицам. Система GPS помогает определить точное местонахождение и координаты движущегося объекта. На работу спутников не влияют погодные условия, поэтому система функционирует круглосуточно.

Главное преимущество этой системы – ее бесплатность. Для того чтобы узнать и испытать, что такое GPS, нужно лишь приобрести специальный приемник и программное обеспечение. Последнее представляет собой электронные карты региона, в котором вы находитесь, а также программу A-GPS, которая используется при пасмурной погоде. Она подключается к специальному серверу, где содержится информация о координатах ближайших спутников. Сегодня эта программа есть в каждом автомобильном навигаторе.

Как же осуществляется навигация GPS? По круговым орбитам движутся 24 спутника, каждый из которых совершает 2 оборота в сутки и передает радиосигналы. Принимая их, GPS-приемник вычисляет свое местоположение. Сначала просчитывается разница между временем подачи сигнала и временем приема. Так вычисляется расстояние до спутника. Если таковых в зоне нахождения приемника насчитывается хотя бы два, то он может определить широту и долготу, на которой располагается, и отметить себя на электронной карте. При захвате четырех и более спутников программное обеспечение приемника просчитывает не только широту и долготу, но и скорость движения объекта, пройденное и оставшееся расстояние, время восхода и захода солнца и многие другие величины. Точность определения координат GPS-приемниками сегодня составляет от 5 до 20 м (по высоте – до 10 м).

Область применения

Итак, что такое GPS, мы узнали. В каких сферах можно применять эту систему? Практически во всех.

Начнем с наиболее распространенной и известной широкому пользователю. Это автомобильные навигаторы. По сути, это компьютеры, для работы которых используется специальная операционная система. В них уже установлено навигационное программное обеспечение, которое без нарушения лицензии сменить невозможно. Помимо ориентирования в городском пространстве, навигаторы предоставляют массу дополнительных возможностей – с их помощью можно просматривать фото, проигрывать музыку, смотреть видео, подключаться к Интернету.

Автомобильными навигаторами активно пользуются не только обычные автомобилисты, но и транспортные компании. Ведь система GPS позволяет следить за маршрутом следования автомобилей с грузом и быстро реагировать на возможные задержки. При наличии специального датчика с помощью этой системы можно следить и за расходом топлива.

Еще одна сфера применения – пешеходная навигация. Существуют компактные навигаторы, которые можно использовать в туристических походах и пешеходных прогулках. Они являются неплохой альтернативой привычной карте и компасу. Также навигаторы могут быть встроенными в мобильные устройства – смартфоны. Точность координат в этом случае пока что ниже, чем у обычных приемников, но производители активно работают над освоением навигационных программ.

Говоря о том, что такое GPS, нельзя не вспомнить и о недостатках этой системы. На качество приема сигнала влияет плотность городской застройки, наличие деревьев с густой листвой, наземные источники радиосигналов и другие факторы, создающие помехи. Но главная проблема – это зависимость работы спутников от воли американского военного ведомства. Нет никакой гарантии, что в один момент оно не включит помехи или просто не отключит гражданский сектор в каком-либо регионе. К счастью, в настоящее время уже существуют альтернативные навигационные системы, позволяющие не «потеряться» в таком случае. Это российская ГЛОНАСС и европейская Galileo. Производители навигаторов тоже готовятся к таким внештатным ситуациям и разрабатывают чипы, способные поддерживать все три системы навигации.

fb.ru

Принцип и схема работы системы спутниковой навигации GPS

Спутниковая навигация GPS давно уже является стандартом для создания систем позиционирования и активно применяется в различных трекерах и навигаторах. В проектах Arduino GPS интегрируется с помощью различных модулей, не требующих знания теоретических основ. Но настоящему инженеру должно быть интересно разобраться со принципом и схемой работы GPS, чтобы лучше понимать возможности и ограничения этой технологии.

Схема работы GPS

GPS – это спутниковая навигационная система, разработанная Министерством обороны США, которая определяет точные координаты и время. Работает в любой точке Земли в любых погодных условиях. GPS состоит из трех частей – спутников, станций на Земле и приемников сигнала.

История GPS

История GPS - с сайта www.glonass-iac.ruИдея создания спутниковой навигационной системы зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. Американская группа ученых, наблюдающая за запуском советских спутников, заметила, что при приближении спутника частота сигнала увеличивается и уменьшается при его отдалении. Это позволило понять, что возможно измерить положение и скорость спутника, зная свои координаты на Земле, и наоборот. Огромную роль в развитии навигационной системы сыграл запуск спутников на низкую околоземную орбиту. А в 1973 году была создана программа «DNSS» («NavStar»), по этой программе спутники запускались на среднюю околоземную орбиту. Название GPS программа получила в том же 1973 году.

Система GPS на данный момент используется не только в военной области, но и в гражданских целях. Сфер применения GPS много:

  • Мобильная связь;
  • Тектоника плит – происходит слежение за колебаниями плит;
  • Определение сейсмической активности;
  • Спутниковое отслеживание транспорта – можно проводить мониторинг за положением, скоростью транспорта и контролировать их движение;
  • Геодезия – определение точных границ земельных участков;
  • Картография;
  • Навигация;
  • Игры, геотегинт и прочие развлекательные области.

Важнейшим недостатком системы можно считать невозможность получения сигнала при определенных условиях. Рабочие частоты GPS лежат в дециметровом диапазоне волн. Это приводит к тому, что уровень сигнала может снизиться из-за высокой облачности, плотной листвы деревьев. Радиоисточники, глушилки, а в редких случаях даже магнитные бури также могут мешать нормальной передаче сигнала. Точность определения данных будет ухудшаться в приполярных районах, так как спутники невысоко поднимаются над Землей.

Навигация без GPS

История ГЛОНАСС - glonass-iac.ruОсновным конкурентом GPS является российская система ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система). Свою полноценную работу система начала с 2010 года, попытки активно использовать ее предпринимались с 1995 года. Существует несколько отличий между двумя системами:

  • Разные кодировки – американцы используют CDMA, для российской системы используется FDMA;
  • Разные габариты устройств – ГЛОНАСС использует более сложную модель, поэтому повышается энергопотребление и размеры устройств;
  • Расстановка и движение спутников на орбите – российская система обеспечивает более широкий охват территории и более точное определение координат и времени.
  • Срок службы спутников – американские спутники делаются более качественными, поэтому они служат дольше.

Помимо ГЛОНАСС и GPS существуют и другие менее популярные навигационные системы – европейский Galileo и китайский Beidou.

Описание GPS

Принцип работы GPS

Работает система GPS следующим образом – приемник сигнала измеряет задержку распространения сигнала от спутника до приемника. Из полученного сигнала приемник получает данные о местонахождении спутника. Для определения расстояния от спутника до приемника задержка сигнала умножается на скорость света.

Arduino GPSС точки зрения геометрии работу навигационной системы можно проиллюстрировать так: несколько сфер, в середине которых находятся спутники, пересекаются и в них находится пользователь. Радиус каждой из сфер соответственно равен расстоянию до этого видимого спутника. Сигналы от трех спутников позволяют получить данные о широте и долготе, четвертый спутник дает информацию о высоте объекта над поверхностью. Полученные значения можно свести в систему уравнений, из которых можно найти координату пользователя. Таким образом, для получения точного местоположения необходимо провести 4 измерения дальностей до спутника (если исключить неправдоподобные результаты, достаточно трех измерений).

Система спутниковой навигации GPS - принцип, схема, применение

Поправки в полученные уравнения вносит расхождение между расчетным и фактическим положением спутника. Погрешность, которая возникает в результате этого, называется эфемеридной и составляет от 1 до 5 метров. Также свой вклад вносят интерференция, атмосферное давление, влажность, температура, влияние ионосферы и атмосферы. Суммарно совокупность всех ошибок может довести погрешность до 100 метров. Некоторые ошибки можно устранить математически.

Чтобы уменьшить все погрешности, используют дифференциальный режим GPS. В нем приемник получает по радиоканалу все необходимые поправки к координатам от базовой станции. Итоговая точность измерения достигает 1-5 метров. При дифференциальном режиме существует 2 метода корректировки полученных данных – это коррекция самих координат и коррекция навигационных параметров. Первый метод использовать неудобно, так как все пользователи должны работать по одним и тем же спутникам. Во втором случае значительно увеличивается сложность самой аппаратуры для определения местоположения.

Существует новый класс систем, который увеличивает точность измерения до 1 см. Огромное влияние на точность оказывает угол между направлениями на спутники. При большом угле местоположение будет определяться с большей точностью.

Точность измерения может быть искусственно снижена Министерством обороны США. Для этого на устройствах навигации устанавливается специальный режим S/A – ограниченный доступ. Режим разработан в военных целях, чтобы не дать противнику преимущества в определении точных координат. С мая 2000 года режим ограниченного доступа был отменен.

Все источники ошибок можно разделить на несколько групп:

  • Погрешность в вычислении орбит;
  • Ошибки, связанные с приемником;
  • Ошибки, связанные с многократным отражением сигнала от препятствий;
  • Ионосфера, тропосферные задержки сигнала;
  • Геометрия расположения спутников.

Основные характеристики

В систему GPS входит 24 искусственных спутника Земли, сеть наземных станций слежения и навигационные приемники. Станции наблюдения требуются для определения и контроля параметров орбит, вычисления баллистических характеристик, регулировка отклонения от траекторий движения, контроль аппаратуры на бору космических аппаратов.

Характеристики навигационных систем GPS:

  • Количество спутников – 26, 21 основной, 5 запасных;
  • Количество орбитальных плоскостей – 6;
  • Высота орбиты – 20000 км;
  • Срок эксплуатации спутников – 7,5 лет;
  • Рабочие частоты — L1=1575,42 МГц; L2=12275,6МГц, мощность 50 Вт и 8 Вт соответственно;
  • Надежность навигационного определения – 95%.

Навигационные приемники бывают нескольких  типов – портативные, стационарные и авиационные. Приемники также характеризуются рядом параметров:

  • Количество каналов – в современных приемников используется от 12 до 20 каналов;
  • Тип антенны;
  • Наличие картографической поддержки;
  • Тип дисплея;
  • Дополнительные функции;
  • Различные технические характеристики – материалы, прочность, защита от влаги, чувствительность, объем памяти и другие.

Принцип действия самого навигатора – в первую очередь устройство пытается связаться с навигационным спутником. Как только связь будет установлена, происходит передача альманаха, то есть информации об орбитах спутников, находящихся в рамках одной навигационной системы. Связи с одним только спутником недостаточно для получения точного местоположения, поэтому оставшиеся спутники передают навигатору свои эфемериды, необходимые для определения отклонений, коэффициентов возмущения и других параметров.

Холодный, теплый и горячий старт GPS навигатора

Включив навигатор впервые или после долгого перерыва, начинается долгое ожидание для получения данных. Долгое время ожидания связано с тем, что в памяти навигатора отсутствуют либо устарели альманах и эфемериды, поэтому устройство должно выполнить ряд действий по получению или обновлению данных.  Время ожидания, или так называемое время холодного старта, зависит от различных показателей – качество приемника, состояние атмосферы, шумы, количество спутников в зоне видимости.

Чтобы начать свою работу, навигатор должен:

  • Найти спутник и установить с ним связь;
  • Получить альманах и сохранить его в памяти;
  • Получить эфемериды от спутника и сохранить их;
  • Найти еще три спутника и установить с ними связь, получить от них эфемериды;
  • Вычислить координаты при помощи эфемерид и местоположения спутников.

Только пройдя весь этот цикл, устройство начнет работать. Такой запуск и называется холодным стартом.

Горячий старт значительно отличается от холодного. В памяти навигатора уже имеется актуальный на данный момент альманах и эфемериды. Данные для альманаха действительны в течение 30 дней, эфемерид – в течение 30 минут. Из этого следует, что устройство выключалось на непродолжительное время. При горячем старте алгоритм будет проще – устройство устанавливает связь со спутником, при необходимости обновляет эфемериды и вычисляет местоположение.

Существует теплый старт – в этом случае альманах является актуальным, а эфемериды нужно обновить. Времени на это затрачивается немного больше, чем на горячий старт, но значительно меньше, чем на холодный.

Ограничения на покупку и использование самодельных модулей GPS

Российское законодательство требует от производителей уменьшать точность определения приемников. Работать с незагрубленной точностью может производиться только при наличии у пользователя специализированной лицензии.

Система спутниковой навигации GPS - принцип, схема, применениеПод запретом в Российской Федерации  находятся специальные технические  средства, предназначенные для негласного получения информации (СТС НПИ). К таковым относятся GPS трекеры, которые используются для негласного контроля над перемещением транспорта и прочих объектов. Основной признак незаконного технического средства – его скрытность. Поэтому перед приобретением устройства нужно внимательно изучить его характеристики, внешний вид, на наличие скрытых функций, а также просмотреть необходимые сертификаты соответствия.

Также важно, в каком виде продается устройство. В разобранном виде прибор может не относиться к СТС НПИ. Но при сборе готовое устройство уже может относиться к запрещенным.

 

arduinomaster.ru

Устройство и принцип работы автомобильных GPS-навигаторов

Автомобильные навигаторы представляют собой навигационный прибор21 век войдёт в историю человечества как век цифровых технологий, которые буквально взорвали спектр технологических возможностей по всем направлениям производства и потребления.В этом перечне завоеваний цифровой информационной революции на одном из первых мест стоит и навигационная система глобального позиционирования, с использованием навигационных спутников.

Ещё несколько лет назад подобные навигационные системы определения местоположения объекта на местности были прерогативой исключительно военных ведомств, но цифровые технологии позволили учёным создать мобильные, компактные и достаточно недорогие навигационные приборы, использующие привязку к местности с помощью орбитальных спутников.

К их числу относятся и автомобильные навигаторы, которые разделяются по привязке к той или иной орбитальной группировке навигационных спутников, и которых действующих на сегодня всего две: американская GPS и российская ГЛОНАСС.

 

Автомобильные навигаторы представляют собой навигационный прибор, определяющий местоположение автомобиля на местности, скорость движения, стороны света, расход топлива, предоставляет возможность оптимального выбора маршрута и информацию по всем сервисам на пути следования. Всё это происходит в автоматическом режиме и выдаётся на дисплей прибора-навигатора в реальном времени.

 

Все автомобильные навигаторы состоят из двух основных частей. Это:

1. Приёмник, задача которого принимать сигналы с навигационных спутников и с помощью адаптированных программ встроенного в навигатор компьютера и определять географические координаты самого навигатора на местности.

2. Модуль отображения карт, основная функция которого - отображение на дисплее всей необходимой информации / отображение карт местности, координат местоположения приёмника, маршрута, скорости движения, времени и много другой информации/.Как правило, указанные выше части навигатора смонтированы в одном корпусе и настроены соответственно на работу с передатчиками спутников своей орбитальной группировки, будь то GPS, или ГЛОНАСС. В последнее время навигаторы производятся универсальные, то есть - работающие с обеими группировками спутников одновременно, что значительно расширяет их возможности.

Автомобильные навигаторы GPS и ГЛОНАСС оснащены мультиплексными или многоканальными приёмниками сигналов от спутников. Первые – автоматически переключаются на приём сигналов от того спутника, который находится в зоне приёма. Вторые - имеют несколько модулей, которые, принимают сигналы от нескольких спутников одновременно.

Точность определения местоположения гражданских GPS-навигаторов несравненно ниже, чем военных, и составляет 30 – 150 м, в то время как для нужд военных точность достигает нескольких метров.

Автомобильных GPS-навигаторов производится большое число разных видов, разными фирмами и в различном ценовом сегменте. Подробную информацию по ним можно без труда найти в сети Интернет через поисковые системы. Выбор подходящего навигатора всегда остаётся за автомобилистом.

Не поверите, но самый дорогой компьютер в мире 2012 цена очень удивила на сайте http://crediteuropages.ru/richness/samyi-dorogoi-kompyuter.php. Стоимость этого огромного компьютера превышает цену десяти ноутбуков Luvaglio.

Предлагаю в качестве подарка скачать бесплатную книгу: причины зависаний на ПК, восстановление данных, компьютерная сеть через электропроводку и много других интересных фишек.Еще больше интересных новостей, а главное общение, решений ваших проблем! Добавляйтесь в телеграм - https://t.me/mycompplus

Понравилась полезная статья? Подпишитесь на RSS и получайте больше нужной информации!

mycompplus.ru

Основные принципы работы GPS-навигатора

Михаил Орехов

149

Практически у каждого автомобилиста сейчас есть навигатор – прибор, необходимый для определения собственного месторасположения, постройки маршрута до конкретной точки на карте или нахождения некой достопримечательности, которую необходимо посетить. Все умеют пользоваться прибором, однако далеко не все понимают, как работает навигатор.

Спутники – наше все

За рулем

Небольшое отступление в историю. Еще в пятидесятые годы прошлого века в Америке родилась идея создания единой сети спутников, с помощью которой можно было бы определять положение на местности. Толчком к этому послужил запуск Советским Союзом первого искусственного спутника Земли, который передавал на планету сигналы, содержащие координаты и состояние объекта. Благодаря эффекту Доплера этот сигнал усиливался при уменьшении расстояния до поверхности, что натолкнуло ученых на мысль о прямой зависимости координат от времени прохождения сигнала, скорости и направлении движения объекта. На основании этих данных с Земли легко было определить положение спутника, но отталкиваясь от координат искусственного тела, можно было узнать свое месторасположение на поверхности планеты.

Идея завладела умами и Армия США в сотрудничестве с флотом и ВВС в 1978 году запустила на среднюю околоземную орбиту первый навигационный спутник. Для полного охвата планеты и определения точных координат необходима была группировка из 24-х объектов, последний из которых был введен в эксплуатацию в 1993 году.

Изначально система навигации рассматривалась исключительно с военной точки зрения и была необходима для более точного наведения ракет, проведения бомбардировок и упрощения работы на местности наземным группировкам. Но через время в ней усмотрели далеко идущие перспективы для гражданского сектора и в 1983 году был открыт доступ всем желающим.

На данный момент группировка спутников GPS на орбите составляет 31 единицу – 24 базовых станции и 7 дублирующих. Это количество с лихвой покрывает стандартные требования навигаторов, которым для определения собственного месторасположения достаточно принимать сигнал минимум с трех передатчиков в каждый момент времени.

Принцип работы навигатора

Чтобы понять, как работает автомобильный GPS-навигатор, нужно вспомнить школьную программу. Представьте, что вы – это точка на поверхности земли, над которой в зоне прямой видимости находятся два спутника. Мысленно проведите от себя к ним прямые линии. Потом очертите две окружности, используя прямые как радиусы. Эти окружности будут пересекаться, и ваше текущее месторасположение находится в области этого пересечения. Теперь необходимо найти третье измерение – высоту, для чего нам понадобился дополнительный спутник. Использование расстояния до него в качестве радиуса окружности и пересечение его с имеющимися двумя позволит сузить область, в которой вы находитесь. Третий спутник определит высоту вашего месторасположения, отбрасывая заведомо ненужные значения, если точка пересечения находится над поверхностью планеты. Увеличение количества видимых спутников позволяет еще сильнее сузить область пересечения всех окружностей, а значит, точнее определить точку реального месторасположения.

Об основных приемах ремонта кузова читайте тут.

Руль

Принцип работы автомобильного навигатора основывается на постоянной отправке и приеме текущих координат на базовую станцию. Вычисления производятся на основании двух главных параметров – времени прохождения сигнала до спутника и его текущего положения на орбите. Программа обрабатывает значения, вносит необходимые поправки и выдает определенную точку на карте, в которой вы находитесь. Однако стандартный гражданский навигатор не может определить это значение с высокой точностью и всегда будет иметь некоторую погрешность, которая составляет 3–10 (иногда больше) метров. Связано это с неравномерностью прохождения сигнала до спутника и обратно.

На этот параметр постоянно оказывается стороннее влияние. Его тормозят следующие факторы:

  • Наличие препятствий в зоне прямой видимости (дома, деревья и прочие объекты достаточной высоты).
  • Помехи в ионо- и тропосфере.
  • Неблагоприятные погодные условия.

Суммарное воздействие этих и прочих помех увеличивает время, необходимое навигатору на прием и отправку сигнала. Отсюда и погрешность вашего месторасположения.

Работа с картами

Для корректной работы прибора мало определить собственное положение, необходимо соотнести его с реальной местностью. Поэтому в функции навигатора входит работа с картой – главная причина покупки прибора. Опираясь на имеющиеся данные, он может:

  • Проложить оптимальный маршрут до указанной точки и при этом выбрать несколько вариантов: быстрый, короткий или проходящий через определенную местность.
  • На основании вашей скорости и направления движения рассчитать среднее время, необходимое на поездку.
  • Учесть наличие на пути пробок или иных препятствий и скорректировать проложенный маршрут, чтобы вы не застряли.

Все это возможно при наличии достаточно точной карты местности и регулярном обновлении данных на ней. Поставщики лицензионного программного обеспечения выпускают свежие карты примерно один раз в сезон. Такая невысокая частота связана с требующимися для сбора и анализа данными. Весь массив информации по поддерживаемым картам необходимо обработать и внести соответствующие поправки в программу, а это требует времени. Но это не единственный способ быть в курсе событий. Наряду с крупными компаниями, которые зарабатывают деньги на обслуживании навигаторов, частные энтузиасты регулярно скидывают в Интернет свежие карты, полученные на основании собственных поездок. Так как они работают только с одной местностью, то и скорость обновления бесплатных карт существенно выше.

Нельзя однозначно сказать, какой из способов лучше. С одной стороны, использование общедоступных данных позволит вам обладать актуальной информацией о ситуации на дорогах и рядом с ними, необходимой для корректной работы GPS. Можно гораздо быстрее узнать, что здание, раньше бывшее жилым домом, стало магазином, а проулок, через который вы регулярно сокращали путь, теперь недоступен. Для обновления этих данных на карте, занесенной в память вашего навигатора, не придется ждать три месяца.

Как настроить навигатор, узнайте из другой статьи.

С другой стороны, «левые» карты могут содержать вирусы или быть некорректно написанными, что приведет к системному сбою в приборе, удалит ваши личные данные или передаст их третьим лицам. Лицензионное ПО таких проблем лишено. Поэтому только вам решать: обладать безопасной, но не всегда актуальной, картой или скачать свежую информацию, которая может нанести вред вашему навигатору.

Рейтинг статьи:

Загрузка...

Твитнуть

Поделиться

Плюсануть

Поделиться

Класснуть

Отправить

Остались вопросы? Звоните и получите ответы БЕСПЛАТНО!

rulila.com

Принцип работы GPS-навигатора, как действует?

принцип навигатораПринцип действия, лежащий в основе такого устройства, как GPS-навигатор, прост и для ориентирования в пространстве используется давно. Если известен какой-либо реперный ориентир и расстояние до него, модно построить окружность или сферу (в зависимости от пространства, на которой будет располагаться искомый объект).

На практике радиус окружности настолько велик, что ее дуги можно заменять простыми прямыми, каждая из которых будет соответствовать одному реперному ориентиру. Точка пересечения данных линий и будет месторасположение искомого объекта. В системе GPS-навигации такими реперами выступают 24 американских спутника, расположенных над Землей на расстоянии 17 тысяч километров.

Самый важный элемент в принципе работы любого GPS-навигатора, по сути, простой приемник, который работает на постоянной частоте и прослушивает сигналы от спутников. Сигналы излучаются постоянно, и каждый из них несет соответствующую информацию о своей орбите, точном времени и состоянии бортового компьютера. Чтобы установить местоположение, приемнику необходимо получить соответствующие сигналы всего от 3-х спутников.

В принципе действия — самая важная, из передаваемой информации – точное время. Навигатор с его помощью, выполняя ряд несложных математических операций, точно определяет расстояние до спутника, а затем на их основании определяет точные координаты и накладывает их на карту, отображая результат пользователю. Погрешность таких измерений не превышает 10 метров.

Работа радиообмена между спутниками и навигатором необычен, но при этом также прост. Все спутники отсылают сигналы одновременно на одинаковой частоте. Приемник, чтобы определить от кого была получена информация, находит в объеме всех данных идентификационный код и сравнивает его с теми, что хранятся в его памяти. Таким образом, определяется, кто послал сигнал. Такой подход упрощает взаимосвязь в GPS-системе и позволяет использовать небольшие малоэффективные антенны.

В принципе работы различают также «горячий» и «холодный» старт навигатора. Передатчик получает два типа сигналов: первый, об орбите спутника, каждые 30 минут, второй, о времени и положении, каждые 30 секунд. Таким образом, если GPS-приемник находился в выключенном состоянии не более 30 минут, пока длится действие информации первого сигнала, навигатор включается мгновенно – «горячий» старт, в противном случае запуск может продлиться от 5 до 20 минут – «холодный» старт.

navigator-gid.ru

Принципы работы GPS-навигатора | CataMobile

Рис. 1.1. Экранные страницы Спутники: а — отличное расположение 8 спутников, режим 3D, точность 5 м, ориентация по курсу; б — навигатор «видит» 3 спутника, удовлетворительная геометрия, режим 2D, точность 21 м, ориентация по курсу; в — плохая геометрия, режим 2D, точность 61 м, ориентация на север

В системе спутниковой навигации можно выделить три составляющие: орбитальную группировку космических аппаратов, наземный комплекс управления и приемную аппаратуру пользователей. Космическая часть – это 24 спутника, вращающиеся по 6 орбитам. Наклон орбит к земному экватору – 55°, угол между плоскостями орбит — 60°. Высота орбит — 20180 км, период обращения — 12 часов (значит, каждый спутник в одно и то же время дня пролетает над одним и тем же местом). Излучение передатчиков спутников создает для принимающих их сигналы пользователей практически сплошное радионавигационное поле, которое позволяет им определить свое местонахождение, где бы они ни находились.

Наземная часть GPS состоит из четырех станций слежения, расположенных на тропических островах. Они отслеживают видимые спутники и передают данные на Главную станцию (MCS) управления и контроля на авиабазе «Falcon» («Сокол») в Колорадо-Спрингс (Калифорния) для обработки траекторий спутников на сложных компьютерных программных моделях. Таким образом достигается определение и прогноз параметров орбит движения спутников, наборов координат и их производных, которые составляют эфемеридную информацию. Через наземные станции вычисленные эфемеридные данные передаются на спутники, а затем спутник передает их приемникам GPS, где полученные данные используются для расчета координат места.

Режимы 2D и 3D определения координат. Определение местоположения в GPS-навигаторах основано на приеме сигналов от спутников и вычислении до них псевдодальностей, однозначно связанных со временем распространения сигналов. Для того чтобы рассчитать географические координаты, приемник должен одновременно принять сигналы как минимум от трех спутников (режим двумерного определения, 2D) и от четырех спутников, чтобы дополнительно кроме широты и долготы еще определить и высоту места (режим 3D). При перемещении по местности с навигатором часть спутников становится невидимой, зато появляются новые. Информация от новых спутников должна накапливаться в течение некоторого времени. Чтобы иметь непрерывное определение места, приемники выполнены многоканальными (стандартное число каналов — 12). В конкретный момент времени информация от части этих каналов используется для определения координат. В других же каналах идет сбор и накопление новых данных. Часто одновременно наблюдаются 7—9 спутников, что позволяет навигатору выбрать из принимаемых сигналов наилучшие для повышения точности определения координат. Наиболее важным для получения достоверных измерений является геометрическое расположение спутников, так называемый геометрический фактор — PDOP (Position Dilution Of Precision). Он показывает степень увеличения ошибки из-за плохой геометрии расположения спутников. Идеальной позиции спутников соответствует PDOP = 1, когда они распределены вокруг наблюдателя и не лежат вблизи горизонта. Большие его значения говорят о плохой спутниковой геометрии. Пригодными для навигации считаются значения PDOP

Хорошее расположение на странице Спутники восьми спутников, которые распределены по всем четырем сторонам света, способствует точности в 5 метров (рис. 1.1, а).

Там же, на рис. 1.1 ,б,в, показана ситуация с режимом 2D при приеме сигналов or трех спутников.

Обратите внимание, что схема неба (см. рис. 1.1, а, б) ориентирована по направлению движения, а карта на рис. 1.1, в ориентирована на север, и на ней дополнительно показано направление движения пользователя на юг.

Инициализация работы навигатора. Для определения координат необходимо принять сигналы спутников с навигационными сообщениями, содержащими два набора данных: эфемерид и альманаха. Полный цикл передачи всего сообщения занимает 12,5 минут.

Эфемериды — это параметры орбиты спутника и некоторые коэффициенты, с помощью которых приемник вычисляет текущее и будущее его положение. Каждый спутник передает только свои эфемериды. Альманах содержит параметры орбит и данные о состоянии всех остальных спутников в орбитальной системе (хранятся в памяти приемника). Благодаря этой информации приемник навигатора всегда «знает», где находятся все спутники системы, даже когда он их «не видит», и какие спутники лучше использовать для определения координат. Данные альманаха не очень точны и обновляются раз в несколько месяцев. Эфемериды — это сравнительно более достоверные сведения об орбите спутника, передаваемые каждые 30 с, что позволяет приемнику GPS их часто обновлять.

Определение координат в навигаторе становится возможным лишь после приема и сбора эфемерид и альманаха. Процесс выхода навигатора на рабочий циклический режим местоопределения называется инициализацией.

В зависимости от степени устаревания информации от спутников (эфемеридных данных и альманаха) различают теплый и холодный старты GPS-навигатора.

Режим теплого старта возникает после перерыва работы навигатора до двух часов, когда прибор «видит», по крайней мере, три спутника, эфемериды которых сохранились в его памяти, а координаты места мало изменились. Для возобновления определения координат в этом случае навигатору требуется до двух десятков секунд. Продолжительный перерыв приводит к устареванию эфемерид. Чтобы восстановить все функции, потребуется обновить эфемериды, и этот процесс получил название холодного старта. Время для запуска в этом режиме увеличивается до сотни секунд (в среднем 45). В обоих режимах в памяти навигатора сохраняются данные альманаха. Если в навигаторе отсутствует альманах спутников, а координаты места неизвестны или изменились на несколько сотен километров, то навигатор будет работать в режиме первоначального включения (AutoLocate). Работа навигатора начнется с этого режима, если с последнего включения прошло более трех месяцев или если навигатор перенесен на расстояние более 500 км. Для начала определения координат может быть затрачено 10—15 минут (в среднем 2 минуты).

Точность определения координат. Большинство навигаторов рассчитывает точность определения координат, показывая результат на экранной странице Спутники. Понятно, что значок текущего места демонстрирует лишь расчетное место, а круг вокруг значка определяет область, где вы действительно можете находиться. Компания Garmin для своих приборов регламентирует точность в 5— 15 метров с вероятностью 95%. Данная величина представляет удвоенную среднеквадратичную ошибку и показывает, что в окружность с ее радиусом попадает 95% всех измерений. Заметим, что такова точность определения горизонтальных координат. Ошибка при определении третьей координаты места — высоты — более зничительна. При крупном масштабе на странице Карта навигатор отображает круг точности, в пределах которого находится реальное место (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Круг точности на странице Карта, режим 3D, точность 45 м

Дифференциальные режимы WAAS/EGNOS

Чтобы повысить точность измерений, разработаны средства коррекции ошибок — региональные системы дифференциальной коррекции. В Северной Америке для этого предназначена система WAAS, а в Европе – EGNOS, работающая в тестовом режиме. Сигналы для коррекции ошибок передаются специальными спутниками. В большинстве современных моделей приемников предусмотрен прием сигналов коррекции, что повышает точность в несколько раз (ошибка 1—3 м). Эти системы находятся в стадии развития и, скорее всего, прием их сигналов в настоящий момент будет ограничен, так как для успешной работы требуется «открытый небосвод». В европейской части России сигналы EGNOS пока не принимаются. Возможно, что со временем они станут доступны в Калининградской, Псковской и Ленинградской (частично) областях.

Дополнительные материалы:

  • Серия навигаторов GPS 72/76 и GPSmap 76/76S/76Cx/CSx Эта группа состоит из : монохромных навигаторов GPS 72/76, не имеющих графической картографии; монохромных навигаторов GPSmap 76/76S с картографической поддержкой; цветных […]
  • Портативные навигаторы В эту группу входят компактные, прочные и легкие устройства весом от 100 до 300 г, которые удобно держать в руке. Приборы могут размещаться в карманах, поясном чехле и т.д. Многие имеют […]
  • Серия навигаторов GPS 60, GPSmap 60/60Cx/CSx Серия состоит из монохромных приборов GPS 60, GPSmap 60 и навигаторов с цветными экранами GPSmap 60Cx/60CSx. Наличие картографии в приборах подчеркивает аббревиатура «mар». Модель GPS […]
  • Электропитание Несомненное достоинство многих навигаторов заключается в возможности их автономного использования, то есть без подключения к внешнему источнику электропитания. Это обеспечивается […]

catamobile.org.ua