В современном мире найти дорогу до любой точки в городе у человека, даже незнающего местность, получится буквально за несколько минут. Для этого необходимо открыть карту на телефоне/планшете, набрать адрес пункта прибытия и подтвердить прокладывание маршрута. Навигатор сразу же рассчитает примерное время в пути несколькими способами: на общественном транспорте, пешком, на личном автомобиле. Остается выбрать подходящий вариант и следовать ему. Если путей несколько, система отображает их разными цветами на экране – для более комфортного распознавания.
Редко кто задается вопросом о том, как приложение вычисляет местоположение человека, да еще и с потрясающей точностью. Такой результат достигается за счет GPS спутника. Далее предстоит рассмотреть эту систему более подробно. Необходимо выяснить, что она собой представляет, как и для чего появилась, где применяется. Дополнительно предстоит познакомиться с различными видами GPS спутников, преимуществами и недостатками соответствующей системы. Предложенная информация пригодится как обычным пользователям, так и IT-специалистам.
Определение
GPS (или Global Positioning System) – это система глобального позиционирования. Она пригодится для удобной навигации. Читается как «Джи Пи Эс». Может описываться как ГПС.
GPS – спутниковая система навигации, которая обеспечивает изменение расстояния и времени. Она определяет местоположение объекта или пользователя в системе координат WGS 84. Дает возможность посмотреть местонахождение практически в любой точке Земли (за исключением приполярных областей) и околоземного космического пространства. Эта система разработана Министерством обороны США, но она доступна и для применения в гражданских целях. Для ее эксплуатации требуется навигатор или другое оборудование, оснащенное GPS-приемником.
GPS – система спутниковой навигации. Средство определения местоположения чего-либо через спутники и Интернет.
История развития
Спутники и навигация с их помощью – идея, которая возникла еще в 1950-х годах. Тогда в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли. Американские ученые вместе с Ричардом Кершенером наблюдали за сигналами, исходящими от спутника, когда они обнаружили, что за счет эффекта Доплера частота принимаемого сигнала становится сильнее при приближении спутника и уменьшается – при отдалении. Это наблюдение указало на то, что если знать точные свои координаты на планете, можно измерить положение и скорость спутника. Обратная схема тоже действовала – по положению спутника в системе можно выяснить собственную скорость и координаты.
Запуск спутников по программе Timation – это важный этап создания межвидовой спутниковой навигационной системы вооруженных сил. Устройства были запущены на низкую околоземную орбиту. Работы по этой программе начались в 1964 году, а инициировал его флот для собственных нужд. В этот момент о единой системе навигации для всех военных сил речи не шло.
К 1973 году появилась программа DNSS, которая позже была переименована в «NavSTaR». Она предполагала, что спутники будут вводиться значительно выше – на среднюю околоземную орбиту. Можно назвать эту программу современным GPS. Такое название она получила лишь в конце 1973 года.
В 1970-х годах в создании систем спутников участвовали три вида вооруженных сил США:
- ВМС нуждались в создании комбинированных инерциально-астронавигационных систем наведения баллистических ракет подводных лодок. GPS система помогла бы им уточнять координаты водных объектов перед запуском. Такой прием обеспечивал точное наведение.
- ВВС – для оснащения военных летательных аппаратов более точной и совершенной аппаратурой определения навигации и повышения точности штурмовых/ракетных ударов.
- Армия – для оснащения подразделений низового тактического звена относительно недорогой, точной и портативной системой. Она должна была применяться для широкого спектра задач, оперативного получения точных координат на местности (противника и собственных), целеуказания и изменения ракетно-артиллерийских ударов и так далее.
Для рассматриваемого объединения спутников привлекались государственные и частные научно-производственные учреждения. Аппаратура навигации и топографической привязки (GPS-устройство) предназначалась для размещения на кораблях, подводных лодках, баллистических ракетах, танках, ракетных комплексах, бронемашинах, артиллерийских орудиях и так далее.
Для гражданских нужд спутниками и GPS-оборудованием было разрешено пользоваться только в 2000-х годах. С тех пор наблюдается стремительный рост информационных технологий. Приемники сигналов спутников начали размещаться на телефонах, планшетах и даже компьютерах. Производители стали выпускать специальные устройства – GPS-навигаторы, которые позволяли определить местоположение человека в пространстве, а также проложить путь «от точки А до точки Б».
Сейчас за счет спутников и специальных компактных приемников пользователи могут запускать карты в телефонах для самых разных нужд: определения положения, указания места доставки, вызова такси и так далее.
Триангуляция
Задумываясь, как работает GPS, нужно разобраться с понятием триангуляции. Ее идея заложена в основе функционирования рассматриваемого оборудования в пространстве. Чтобы было проще, рекомендуется изучить ситуацию издалека.
Для определения положения точки в пространстве достаточно знать расстояние от нее и до трех других точек с заранее известными координатами. В геодезии и радиосвязи такой прием носит название триангуляции – когда по координатам трех точек можно вычислить, где находится четвертая (искомая). В телефонах без GPS все будет работать так:
- Смартфон ловит сигналы от трех вышек радиосвязи оператора.
- В сигналах передаются не только данные, но и координаты этих самых вышек.
- Телефон измеряет время, за которое до каждой вышки проходит сигнал от устройства.
- На основе полученных результатов осуществляется расчет своего местоположения. Точность здесь достаточно высокая – 10-20 метров.
Это единый принцип, который применяется в устройствах, не подключающихся к спутникам. Навигационная система GPS работает несколько иначе.
Принцип работы GPS
GPS-позиционирование вместо вышек операторов Сети использует спутники. Задача такого спутника – все время передавать свои координаты на Землю, а также информацию о времени и других служебных данных. Соответствующие данные будут отправляться со спутника в виде радиосигнала на частоте около 1,5 ГГц со скоростью 50 бит/сек. Происходит подобная операция постоянно и непрерывно.
Для расчета расстояния до спутника требуется очень точно измерять время прохождения сигнала. Для этого на каждом спутниковом устройстве устанавливаются атомные часы. Они передают время с точностью 10-11 секунды. Такой подход позволяет вычислять положение каждого спутника с точностью до нескольких метров. Погрешность передачи информации окажется минимальной.
За GPS-навигацию в оборудовании (смартфонах, планшетах и так далее) будет отвечать отдельный радиомодуль. Он настраивается на спутниковые частоты и имеет в своем составе все необходимые для дальнейших расчетов алгоритмы. Здесь пригодится логика триангуляции. GPS базируется на трилатерации:
- Смартфон или другое «главное» оборудование получает сигнал от первого спутника. Больше ничего не происходит. Никаких существенных данных устройство не получает.
- После получения второго сигнала от второго спутника телефон понимает примерную зону своего расположения. Обычно она выражена некоторой окружностью. Диаметр зоны расположения может достигать сотни километров. Это приводит к тому, что на соответствующем этапе работы GPS точных координат местоположения пока что нет.
- На устройство поступает третий спутниковый сигнал. Устройство получает возможность определения местоположения с высокой точностью. Погрешность составляет всего 10 метров.
- Когда оборудование получает сигнал от четвертого и последующих спутниковых устройств, расчеты проводятся с самой высокой точностью. Погрешности или вовсе отсутствуют, или они составляют около 1 метра.
Описанный принцип работы системы GPS применяется на всем современном оборудовании. С технической точки зрения определить местоположение получится по трем спутникам, но оно окажется неточным. Для получения результатов придется долгое время стоять на одном месте, не перемещаясь по территории. Четвертый спутниковый сигнал сильно упрощает дальнейшие расчеты и позволяет добиться желаемой точности.
Остальные спутниковые устройства, используемые при определении местоположения, необязательны. Они позволяют уточнять позиции и служат своеобразной подстраховкой – если один из них выйдет из зоны видимости, смартфон пересчитает местоположение по оставшимся.
Области применения
GPS – оборудование, которое встречается в современной жизни повсеместно. На первых порах оно разрабатывалось только для военных целей. Основными пользователями в нынешнее время являются гражданские лица.
Практические любое мобильное устройство имеет навигационную систему GPS. То же самое касается оборудования у летчиков, моряков, спасателей, врачей и других специалистов. Чаще всего GPS встречается в технологиях следующих областей и направлений:
- геодезия;
- картография;
- мобильная (сотовая) связь;
- транспортный мониторинг;
- геотаргетинг;
- составление прогнозов погоды;
- мониторинг за тектоникой;
- компьютерные игры;
- навигация.
Классическая область применения GPS-данных понятна – определение местоположения. Нетривиальных методов использования рассматриваемой технологии очень много. Они различаются в зависимости от того, на каком конкретно устройстве используется GPS.
Стоит обратить внимание на то, что GPS не всегда позволяет вычислить, где находится человек (как это бывает в кино). Для того, чтобы нарушить процедуру расчетов местоположения, обычно достаточно спуститься в метро или глубоко под землю. Реже – зайти в лифт (в нем не всегда «ловит» сотовая связь и Интернет).
Преимущества и недостатки
Из чего состоит GPS, понятно. Теперь можно выяснить, какие преимущества и недостатки имеются у соответствующей технологии. Зная о них, можно будет понять целесообразность применения методики определения местоположения в том или ином случае.
К преимуществам GPS относят следующие моменты:
- практически полностью отсутствующие погрешности определения координат;
- стабильный сигнал, не требующий серьезных энергетических затрат;
- система быстро приходит в готовность для дальнейшей эксплуатации;
- надежность работы, которая обеспечивается большим количеством спутниковых устройств;
- простая процедура использования – с современными реализациями и пользовательскими интерфейсами пользоваться технологией способен даже школьник.
К сильным сторонам рассматриваемой системы расчета координат относят ее широкое распространение в мире. Трудно найти гаджет, на котором не будет «Геоположения».
Недостатки у технологии тоже есть:
- за счет синхронного вращения относительно орбиты Земли требуются поправки от корректирующих станций при выводе результатов расчетов;
- уровень сигнала значительно снижается в северных местностях – такое поведение обуславливается углом наклона;
- на качестве связи отражаются погодные условия и разнообразные атмосферные процессы.
Все это указывает на то, что использовать GPS нужно уметь. В помещениях, а также в областях, где есть преграды между человеком (устройством) и небом, сигнал будет проходить хуже. Чем толще препятствия, тем сложнее радиосигналам попадать внутрь. Из-за этого при GPS-позиционировании могут возникать серьезные погрешности, а иногда наступает полная невозможность определить координаты человека на местности.
Все это приводит к тому, что в под землей (в подвалах, бункерах, метро и так далее), а также в помещениях с толстыми стенами и множеством препятствий сигнал будет проходить намного хуже. То же самое касается лесов – там много растений и деревьев, которые создают определенные помехи для радиосигналов.
Разновидности
GPS-связь имеет широкое распространение в нынешнее время. Это привело к тому, что в гражданских и военных целях начали выпускать разнообразное оборудование с применением соответствующих технологий. Геолокация встречается даже в самых бюджетных смартфонах и планшетах. Таких возможностей хватает для того, чтобы человек мог не заблудиться в незнакомом ему месте, найти тот или иной адрес или добраться на машине в другой город. Есть и более узкоспециализированные устройства, которые применяются для строго определенных целей и задач. Далее предстоит познакомиться с ними поближе.
Навигаторы
Навигатор – самый популярных тип устройств, использующий изучаемую технологию. Приложения для навигации встречаются и на смартфонах, но в них задействуется система A-GPS, функционирование которой демонстрирует лучший результат при условии постоянного подключения к Интернету.
Автомобильные навигаторы обычно представляют собой автономные системы. Они не нуждаются в дополнительном подключении к Интернету, поэтому подходят дальнобойщикам, таксистам и водителям, часто перемещающимся по трассам без покрытия мобильными сетями.
Трекеры
Трекер – это оборудование, которое отслеживает что-либо или кого-либо в пространстве. Обычно в минималистичном исполнении у таких устройств нет дисплеев и иных средств управления. При помощи беспроводного соединения трекер подключается к программному обеспечению на смартфоне или компьютере, после чего осуществляется получение данных с него о перемещении или актуальном положении человека на местности.
Трекеры устанавливаются на самые разные устройства. Примером могут послужить детские часы. Это необходимо для того, чтобы всегда быть в курсе того, где находится ребенок «здесь и сейчас». Существуют трекеры, которые устанавливаются в ошейники домашних питомцев.
Трекер имеет важность для путешественников. С его помощью удается обнаруживать утраченный багаж. Оборудование активно применяется правоохранительными органами при домашнем аресте, а также при побеге нарушителя.
GPS-приемник
Приемник – это профессиональное оборудование. От обычных навигаторов и трекеров он отличается высокой точностью определения координат. Это связано с тем, что GPS-приемники изготавливаются из более качественных материалов. Особенно это касается принимающих антенн.
Стоимость GPS-приемника сильно отличается в большую сторону относительно бытового оборудования. Такие устройства обычно применяются в геодезических работах в процессе формирования карт местности. Реже – в военных целях.
Картплоттеры-эхолоты
Картплоттеры-эхолоты – устройства, которые почти не встречаются в «обычной» жизни. Это обязательные гаджеты для:
- рыбаков;
- моряков;
- сотрудников, которые трудятся на надводной и подводной местности.
Подобные инструменты имеют не только возможность определять координаты, но и поддерживают функции, позволяющие создавать собственные карты, а также отмечать наиболее «рыбные» или ресурсные области. Такое устройство будет полезно как в открытом море, так и на реке.
Аналоги
С данными GPS функционируют самые разные гаджеты и технологии. Другие страны тоже создали свои спутниковые системы для определения координат на местности. Их очень много. Далее будут рассмотрены самые распространенные аналоги изучаемой технологии.
ГЛОНАСС
Система ГЛОНАСС изначально разрабатывалась для военных целей. Она была запущена в России в 1982-м году. Сейчас соответствующая технология предоставляет навигационные услуги бесплатно и без ограничений. Она активно применяется в гражданских целях.
ГЛОНАСС поддерживает работу с такими компаниями-производителями разнообразных устройств с геолокацией как:
- Mediatek;
- Apple;
- Samsung;
- Qualcomm;
- HiSilicon.
Принцип работы ГЛОНАСС такой же, как и у уже изученной технологии. У GPS могут быть более точные данные при плохих погодных условиях, а его спутники необходимо реже менять.
BeiDou
Это – китайская глобальная спутниковая система навигации. Она была разработана в 1994 году. Первая версия этой разработки называлась «Бэйдоу-1», после нее появилась промежуточная версия «Бэйдоу-2». К 2020 году полномасштабно развернулась BeiDou-3. Она и стала «стандартом» китайской геолокации.
Сейчас именно третья версия технологии активно применяется при изготовлении различных устройств. На данный момент производители Китая активно продвигают BeiDou. Каждый смартфон или другое мобильное устройство совместимы с «Бэйдоу» для навигации и определения местоположения.
Галилео
«Галилео» – результат совместной работы Евросоюза и Европейского космического пространства. Этот аналог GPS создан для навигационных и геодезических задач. Он является самым «молодым» из всех представленных. Запуск первого спутникового устройства для Galileo состоялся в 2011 году. Его стоимость составила около 4,9 миллиардов евро.
Galileo изначально разрабатывалась в качестве средства для точной навигации, но в гражданских целях. Примером служит наличие в протоколах проекта «Коммерческой службы» предоставления доступа к спутниковым устройствам. С ее помощью на все совместимые гаджеты будет посылаться специальный сигнал (кодированный), позволяющий добиться повышенной точности позиционирования. Опция является дополнительной и необязательной. Ее «Галилео» предоставляет всем заинтересованным лицам, но за отдельную плату.
Теперь понятно, как будет работать GPS-приемник и спутники для определения координат на местности. Писать программы с геолокацией пользователей научат на специальных компьютерных курсах. Большинство из них организованы дистанционно и доступны из любой точки мира, где есть Интернет.
Хотите освоить современную IT-специальность? Огромный выбор курсов по востребованным IT-направлениям есть в Otus.
