О GPS-навигации слышал почти каждый современный пользователь. Если раньше для того, чтобы не потеряться на местности, нужно было пользоваться реальными (физическими) картами, то в 21 веке все изменилось. GPS устанавливается почти на все гаджеты, включая смартфоны и планшеты. С его помощью удастся без проблем определить свое местоположение, а затем проложить дорогу до нужного пункта. Такой навигатор рассчитывает примерное время в пути разными методами: общественном транспорте, с пересадками, пешком или на личном авто. Все, что остается пользователю, – подобрать оптимальную дорогу, если путей несколько. Такая ситуация будет отображаться на карте особым образом – различными цветами. Этот прием позволяет более комфортно распознавать данные.
О том, как пользоваться геолокацией, знают почти все пользователи гаджетов, а также ПК и ноутбуков. А вот о принципах работы соответствующей «опции» редко кто задумывается. Приложения геолокации функционируют очень быстро. Этот результат получается благодаря GPS-спутнику.
В статье будет рассказано о том, как развивались такие спутники, что они собой представляют, а также где именно применяются. Необходимо познакомиться с самыми разными видами спутников, их сильными и слабыми сторонами. Соответствующие сведения будут полезны и IT-специалистам, и простым пользователям, которым интересны принципы работы геолокации.
Что это такое
GPS (или Global Positioning System) – это система глобального позиционирования. Аббревиатура будет читаться как «Джи Пи Эс». Она иногда называется глобальной позиционирующей системой (или ГПС).
GPS представляет собой специальную спутниковую систему навигации. Она обеспечивает измерение расстояния и времени, определяет с потрясающей скоростью местоположение во всемирной системе координат WGS 84. Дает возможность увидеть, где находится объект или человек почти в любой точке Земли. Под исключение попадают приполярные области.
При помощи ГПС можно определять местоположение не только на Земле, но и на околоземном космическом пространстве. Изначально соответствующая система была разработана в США в военных целях. Она эксплуатируется Министерством обороны Америки, но в последнее время рассматриваемая система стала доступна и для гражданских целей. Чтобы ГПС могли использовать «обычные люди», им потребуется навигатор или другое устройство, оснащенное GPS-приемником. Им может выступать компьютер, планшет, смартфон или иное оборудование.
Историческая справка
Навигация при помощи спутников – концепция, которая зародилась очень давно – в 1950-х годах. В СССР был запущен первый искусственный спутник Земли. Ученые из Америки стали наблюдать за ним и обнаружили интересную ситуацию – благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала становится сильнее, если спутник приближается. Сигнал ослабевает по мере удаления спутника от Земли.
Данное наблюдение помогло понять – можно точно определить свое местоположение на планете, если измерить положение и спутниковую скорость. Обратный принцип тоже стал актуален: по положению спутника появилась возможность определения собственной скорости и точных координат.
В 1654 году начались работы по программе Timation. В ее рамках планировали запустить спутники на низкую околоземную орбиту. Программу создал флот США для собственных нужд, но не в военных целях.
В 1973 году образовалась программа DNSS (позже – NavSTaR). Она подразумевала вывод спутников на среднюю околоземную орбиту. Это и есть современная GPS-навигация. Подобное название программа получила в конце года.
Также в 1970-х годах в создании спутниковых систем принимали участие разнообразные американские военные силы:
- Армия, которой требовалось оснащение тактического звена недорогой и точной портативной системой. Планировалось использовать ее для разнообразных целей, включая оперативное получение точных координат на местности, изменение ракетно-артиллерийских ударов, целеуказания.
- Военно-морской флот. GPS требовалось для создания комбинированных астронавигационных систем наведение баллистических ракет на подводных лодках. Рассматриваемая спутниковая навигация помогла бы уточнять координаты различных водных объектов перед запуском. С ее помощью ВМС планировали обеспечить наиболее точное наведение.
- ВВС нуждались в оснащении летательных аппаратов точной, совершенной и относительно недорогой аппаратурой. С ее помощью планировалось определять навигацию и повышать точность наносимых самолетами ударов.
Для создания спутниковых систем привлекались разнообразные государственные и частные научные компании. Аппаратура навигации и топографической привязки изначально предназначалась для размещения на артиллерийских орудиях, танках, ракетах и других военных объектах.
В гражданских целях о спутниках и GPS-оборудовании стали говорить только к началу 2000-х годов. С тех пор в мире наблюдается стремительный рост технологического прогресса. Приемники спутников стали монтировать в телефоны, планшеты, авто и компьютеры. Производители начали выпускать отдельное оборудование для определения местоположения объекта/человека в гражданских целях. Из назвали GPS-навигаторами.
На данный момент благодаря спутникам и специальным небольшим приемникам обычные пользователи получили возможность запуска карт в телефонах. Эта опция имеет различные цели: от определения местоположения человека на местности до выбора оптимального пути от одной точки на местности до другой. С помощью карт люди стали пользоваться вызовом такси, а также указанием места доставки чего-либо.
Принципы работы
GPS используют сегодня не только в военных, но и в гражданских целях. С геолокацией знаком каждый пользователь. Пришло время разобраться, как работает GPS в том или ином случае.
О триангуляции
Для начала требуется выяснить, что собой представляет триангуляция. Она тесно связана с GPS. Ее идея заложена в основе работы изучаемого типа оборудования.
Чтобы определить положение точки в пространстве необходимо знать расстояние от нее и до трех других точек, заранее определенных на местности. В геодезии и радиосвязи подобная концепция получила название триангуляции. Это ситуация, когда по координатам трех точек удается понять, где находится четвертая (искомая).
В смартфонах и устройствах без GPS процесс будет выглядеть так:
- От трех вышек операторов радиосвязи исходят сигналы. Их воспринимает имеющееся устройство. Примером послужит телефон без GPS.
- В сигналах, передающихся на устройство, хранятся не только те или иные данные, но и координаты вышек-отправителей.
- Телефон замеряет время, за которое сигнал будет проходить от устройства до вышки.
- Опираясь на соответствующие результаты, происходит расчет местоположения.
У соответствующего приема достаточно высокая точность. Она составляет около 10-20 метров. Триангуляция встречается в устройствах, которые используют навигацию, но не подключаются к спутникам. GPS функционирует чуть иначе.
Функционирование GPS
Рассматриваемая навигационная система вместо вышек радиосвязи использует спутники. Задачей спутника становится непрестанная передача своих координат на Землю, включая время и другие служебные сведения. Информация отправляется как радиосигнал на частоте порядка 1,5 ГГц со скоростью 50 Бит/сек. Процедура осуществляется на постоянной основе, не прерываясь ни при каких обстоятельствах.
Для того, чтобы рассчитать расстояние до спутника, необходимо тщательно отслеживать время прохождения сигнала. Для этого на каждом спутниковом устройстве монтируются специальные атомные часы. Их точность – 10-11. С помощью атомных часов получается вычислять положение каждого спутника с высокой точностью. Погрешности при расчетах данных окажутся самыми низкими.
Если кратко описать принцип работы GPS, можно опираться на следующую инструкцию:
- В системе спутниковой навигации 24 устройства, которые находятся друг от друга на одном и том же расстоянии. Они покрывают все поверхность Земли.
- Спутниковые устройства все время передают сигналы о своем местоположении на Землю. Настроенные на их стандарты приемники ловят четыре ближайшие спутника и пытаются ориентироваться по ним.
- Устройство осуществляет необходимые расчеты, принимая во внимание время, необходимое на отправку пакета информации, скорость света и другие характеристики.
За GPS-навигацию в гражданском оборудовании будет отвечать специальный радиомодуль. Он настраивается на частоты спутниковых устройств и располагает всем необходимым для осуществления дальнейших расчетов. Описанный выше принцип базируется на логике триангуляции, но использует трилатерацию.
Соответствующая концепция широко применяется на всех современных навигационных устройствах. С технической точки зрения можно определить местоположение и по трем точкам, но подобные расчеты не отличаются высокой точностью. Четвертый сигнал сильно упрощает операцию и позволяет достигнуть хороших показателей.
Где используется геолокация
Геолокация (или GPS-системы) широко используется в жизни современного человека. Раньше соответствующие опции и характерное оборудование применялось только в военных целях, но с развитием IT ситуация сильно изменилась. Целевой аудиторией GPS стали обычные граждане (пользователи).
Обнаружить геолокацию и спутниковые системы получится практически на любом мобильном устройстве. Рассматриваемые технологии будут хорошо знакомы морякам, врачам, спасателям, летчикам, а также иным специалистам.
Геолокация чаще всего применяется в таких направлениях деятельности как:
- картография;
- прогнозирование погоды;
- геотаргетинг;
- геодезия;
- сотовая (мобильная) связь;
- навигация;
- компьютерные и мобильные игры;
- отслеживание тектоники.
В классическом смысле геолокация применяется для определения местоположения объекта/человека. А вот нетривиальных задач у соответствующей технологии очень много. Они будут отличаться в зависимости от того, где именно установлен GPS-приемник.
Не всегда рассматриваемая технология дает возможность вычислить, где находится человек или объект. Такое бывает только в кино. В реальной жизни дестабилизировать процедуру расчета координат на местности можно, если спуститься глубоко под землю (метро, подвал), иногда достаточно зайти в лифт.
Плюсы и минусы геолокации
Спутниковая система GPS имеет свои преимущества, а также ряд недостатков. С ними должен ознакомиться каждый, кто планирует пользоваться изучаемой технологией.
Сильными сторонами геолокации называют:
- возможность проведения расчетов координат практически без единой погрешности;
- сильный сигнал, который не требует большого количества энергии для работы;
- быстрое приведение системы в готовность для полноценного практического применения;
- элементарное использование – с эксплуатацией геолокации сможет справиться даже маленький ребенок;
- высокий уровень надежности функционирования, гарантированный большим количеством работающих спутников на орбите.
Геолокация имеет еще одно преимущество – ее широкое распространение в современном мире. Отыскать сейчас устройство, на котором будет отсутствовать соответствующая опция, – задача не из простых.
У изучаемой технологии имеется ряд недостатков:
- значительное снижение уровня сигнала в северных местностях за счет угла наклона;
- влияние погодных условий и атмосферных процессов на непосредственное качество сигнала;
- необходимость внесения поправок от корректирующих станций при выводе итоговых расчетов за счет синхронного вращения относительно земной орбиты.
Геолокация – опция, которая требует грамотного применения. Сигнал будет хуже в помещениях или на территориях, где размещается большое количество преград между человеком/оборудованием и небом. По мере увеличения толщины препятствий ухудшается качество связи. Это связано с тем, что радиосигналу становится сложнее попадать внутрь. Иногда GPS использовать не получится. Данная технология бесполезна под землей, а также в помещения с толстыми стенами и большим количеством препятствий. Аналогично ситуация обстоит с лесистыми местностями. Деревья и прочие растения – это огромные помехи для прохождения радиосигналов.
Виды
Существуют различные виды GPS. С геолокацией выпускают разнообразные устройства, применяемые в тех или иных целях. Такого оборудования обычно достаточно для того, чтобы человек мог не заблудиться на новом пространстве или в лесу, найти необходимый адрес или добраться на транспорте в другой регион.
Существуют узкоспециализированные устройства, использующие геолокацию. Они применяются в строго определенных целях и задачах. Обычно относятся к оборудованию для тех или иных профессий.
Навигатор
Первый вид GPS-оборудования, наиболее известное и распространенное устройство. Речь идет о навигаторах. Приложения навигации встречаются повсеместно: на компьютерах, телефонах и других устройствах. В смартфонах для определения геолокации используется система A-GPS. Она выдает лучшие результаты работы при условии постоянного подключения к Сети.
Существуют отдельные устройства – автомобильные навигаторы. Это автономные системы, которые не нуждаются в предварительном подключении к Сети. Используются людьми, которые часто перемещаются по трассам и другим местностям с нестабильным сигналом Интернета и мобильными сетями.
Трекер
Трекер – устройство, отслеживающее что-либо или кого-либо на местности. В своем простейшем исполнении оборудование не имеет дисплея или других управляющих средств. С помощью беспроводного соединения трекер подключается к специальному программному обеспечению на телефоне или компьютере, после чего передаются необходимые данные.
Трекеры монтируются в различные устройства:
- детские часы;
- ошейники для животных;
- фитнес-браслеты и так далее.
Данное оборудование помогает путешественникам следить за багажом, а правоохранительным органам обеспечивать отслеживание положения нарушителя под домашним арестом или в случае попытки побега.
Приемники
GPS-приемник – профессиональное оборудование высокой точности. Такой результат достигается за счет применения в изготовлении устройства качественных материалов. Приемники стоит недешево.
Область применения такого оборудования – геодезия, реже – военная сфера. С помощью подобного гаджета составляют карты местности.
Картплоттеры-эхолоты
Еще один вариант профессионального использования системы спутников. Картплоттеры-эхолоты приобретаются для:
- моряков;
- тех, кто работает в наводной и подводной местностях;
- рыбаков.
Такой инструмент использует связь спутников для определения координат на карте. Он оснащен функционалом, позволяющим создавать собственные карты и выделять на них наиболее ресурсные или рыбные пространства.
Существующие аналоги
GPS используется в самых разных гаджетах и областях жизни. Спутники позволяют быстро определять местоположение человека и разнообразных объектов на земле и в космосе. Но GPS – это американское изобретение. Другие страны тоже стали работать над выпуском собственного оборудования. Далее представлены наиболее распространенные технологии, использующие спутники для определения положения на местности.
ГЛОНАСС
Аналог GPS, который был изначально разработан для применения в военной сфере. Российское изобретение, появившееся в 1982-м году. На текущий момент технология позволяет получить навигационные услуги совершенно бесплатно и без каких-либо ограничений.
Этот аналог GPS монтируется в гаджеты таких компаний как:
- Qualcomm;
- Samsung;
- Apple;
- Mediatek.
Принципы работы ГЛОНАСС точно такие же, как и у GPS.
Галилео
Детище Евросоюза и Европейского космического пространства. Технология создавалась для геодезических задач и навигации. «Галилео» – наиболее молодой аналог GPS. Его запуск произошел в 2011 году.
BeiDou
Китайская навигационная спутниковая система. Появилась в 1994 году. Ее первая разработка получила название BeiDou-1, после нее вышла промежуточная версия BeiDou-2. Лишь к 2020 году образовалась система BeiDou-3, которая стала настоящим стандартом китайской геолокации.
На данный момент именно третья версия технологии стремительно применяется при выпуске различных устройств. BeiDou активно продвигается на рынке Китая. Каждое оборудование с геолокацией из этой страны совместимо с рассматриваемой технологией.
Теперь понятен принцип функционирования GPS в том или ином случае. Чтобы научиться писать приложения с применением геолокации, рекомендуется закончить специализированные компьютерные курсы. Основная их масса организована дистанционно в режиме онлайн. Такие занятия рассчитаны на срок от пары месяцев до года и будут доступны из любой точки мира, где есть стабильный Интернет.
