Современная жизнь немыслима без спутниковых навигационных систем. Они помогают ориентироваться на незнакомой местности буквально за несколько минут. Человек просто открывает карту на телефоне или планшете, набирает необходимый ему адрес, а затем подтверждает его. Навигатор произведет расчеты примерного времени нахождения в пути несколькими существующими способами: пешком, на общественном транспорте (если возможно), а также на такси или личном автомобиле. Человеку всего лишь останется выбрать подходящий ему способ дальнейшего путешествия и придерживаться его. Если вариантов попасть в нужную точку несколько, система отобразит их все, но при помощи использования разнообразных цветов. Это необходимо для более простого и качественного восприятия пользователем.
Только мало кто думает о принципах работы GPS-навигации: как приложение определяет местонахождение человека, прокладывает возможные пути с высоким уровнем точности. Подобные результаты выдаются благодаря GPS-спутникам.
Далее предстоит познакомиться с ними более подробно. Нужно выяснить, что это вообще такое, как работают, для чего используются. Также необходимо рассмотреть виды GPS-спутников, их преимущества и недостатки. Предложенная информация рассчитана на широкую публику. Ознакомиться с ней рекомендуется как IT-специалистам, так и «рядовым» пользователям.
GPS – это…
Спутниковая система GPS (или Global Positioning System) – система глобального позиционирования. Она обеспечивает измерение расстояния и времени, определяет местоположение объектов во всемирной системе координат WGS 84. Читается как «Джи Пи Эс», а описывается иногда как «ГПС».
С помощью такой спутниковой системы получится определить расположение человека или предмета на Земле и околоземном космическом пространстве практически при любой погоде. Исключение составляют полярные местности – там GPS не поддерживается.
Спутниковая навигационная система – это разработка Министерства обороны США. Со временем она стала доступна для эксплуатации в гражданских целях. Для использования соответствующей технологии необходимо воспользоваться GPS-навигатором или иным оборудованием, поддерживающим GPS-приемники.
История развития
Навигация при помощи спутников – это достаточно старая разработка. Ее идеи были заложены еще в 1950-е годы. В СССР получилось запустить в космос первый искусственный спутник Земли. Это стало поводом для того, чтобы американские ученые наблюдали за его сигналами. Командой руководил Ричард Кершнер. Он заметил, что за счет эффекта Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается каждый раз, когда спутник приближается, а уменьшается – в процессе его отдаления.
Данное наблюдение помогло сделать простой вывод: если точно определить свои координаты на Земле, получится изменить положение и скорость спутника на орбите. Обратный принцип тоже действует. Так, если определить точное местоположение спутника, удастся определить собственную скорость и координаты.
Очень важным шагом развития межвидовой спутниковой навигационной системы стал запуск спутников по программе Timation. Они были отправлены на низкую околоземную орбиту. Работы над этим проектом были начаты в Центральной военно-морской лаборатории США в 1964 году. Его инициатором выступил флот. Он хотел использовать наработки для собственных нужд. На тот момент о распространении GPS в качестве единой системы для всех видов вооруженных сил разговоры не велись.
К 1973 году появилась программа DNSS. Чуть позже она была переименована в Navstar. Спутники, согласно этой программе, выводились на порядок выше – уже на среднюю околоземную орбиту. Лишь к декабрю 1973 года программа получила современное название – GPS.
К 1970-м годам в разработке межвидовой спутниковой системы принимали участие целых три вида вооруженных сил США:
- ВВС. Они планировали использовать спутниковые системы для оснащения летательных аппаратов более точной навигацией, а также для повышения точности нанесения ударов: как ракетных, так и бомбоштурмовых.
- Армия. Планировалось оснастить подразделения низового тактического звена «секция–отделение», «отделение–взвод», «взвод–рота» относительно недорогой, портативной и точной системой для решения немалого спектра задач, оперативного определения местоположения (своего и противника), указания целей и их корректировки для ракетно-артиллерийских ударов.
- ВМС. Военно-морские силы США решили использовать GPS при формировании комбинированных инерциально-астронавигационных систем наведения. Они применялись в баллистических ракетах подводных лодок. Разрабатываемая система навигации должна была также помогать уточнять координаты подводных лодок в момент перед запуском для обеспечения точного наведения.
Аппараты спутниковой навигации и топографической привязки использовались для размещения на кораблях и лодках-носителях крылатых и баллистических ракет. Их устанавливали на танках, бронемашинах, оперативно-тактических ракетных комплексах, самоходных артиллерийских установках, буксируемых артиллерийских орудиях и иной боевой технике.
Для гражданских целей спутниковые навигационные системы были разрешены после 2000 года. С того момента в мире наблюдается стремительный рост и развитие информационных технологий. GPS – не исключение.
С 2000-х годов приемники спутниковых сигналов стали устанавливаться на телефоны, планшеты, компьютеры. А производители начали выпускать на рынок специальные узкоспециализированные устройства – GPS-навигаторы. С их помощью получалось определить, где находится человек прямо сейчас. А еще они использовались для прокладывания пути между двумя конечными точками.
Сейчас за счет систем спутников и небольших компактных приемников люди могут активировать службу «Карты» на своих телефонах и другом оборудовании. Это приложение помогает определять местоположение, указывать адрес доставки, вызывать такси и многое другое. А точность GPS приятно радует. Некоторые такие спутники позволяют определять местоположение с точностью до 1-10 метров.
Триангуляция
Изучая спутники и GPS, необходимо сначала разобраться с триангуляцией. Она была заложена в качестве основы для развития рассматриваемой технологии.
Для определения положения заданной точки (объекта) в пространстве необходимо знать расстояние до ее трех других точек, координаты которых известны заблаговременно. Такая концепция носит название триангуляции. Она используется в геодезии и радиосвязи. Триангуляция (или трилатерация) – это когда по координатам трех точек вычисляется четвертая (искомая).
Данный принцип также встречается в устройствах без поддержки GPS. Он работает следующим образом:
- Телефон ловит сигналы от трех вышек радиосвязи оператора.
- Сигналы передают разнообразную информацию: не только данные, но и координаты «самих себя».
- Телефон измеряет время, за которое сигнал доходит до вышки. Расчеты производятся для каждой такой «точки».
- На основе полученной информации производится расчет местоположения с высокой точностью. Она составляет около 10-20 метров.
Триангуляция используется во всех устройствах, не подключающихся к спутникам. GPS базируется на этой технологии, но функционирует чуть иначе.
Из чего состоит GPS
Изучая GPS-навигацию, необходимо знать, из чего состоит эта система. Она включает в себя три ключевых звена: спутники на околоземной орбите, контрольные наземные станции и приемники на используемом оборудовании.
Спутники
Задумываясь, на какой высоте находятся GPS-спутники, необходимо помнить об околоземной орбите. Она составляет 20 000 километров над поверхностью Земли. GPS-системы работают сразу с 32 спутниками, вращающимися вокруг нашей планеты.
Каждый спутник передает сигналы с информацией о своем местоположении и временем передачи. Процесс осуществляется непрерывно. Именно поэтому любое оборудование, оснащенное GPS-приемником, сможет получить соответствующую информацию тогда, когда это необходимо.
Для работы GPS-навигации требуется определять время передачи сигнала с максимальным уровнем точности. Скорость света составляет 299 792 458 м/с, поэтому даже малейшая ошибка (на долю секунды) приведет к огромным погрешностям. Для точного определения времени каждый спутник GPS на орбите оснащен несколькими атомными часами. Всего их устанавливается по 4 штуки на одно оборудование. Атомные часы являются наиболее точными из всех существующих.
Контрольные станции
Спутники находятся под управлением контрольных станций, размещаемых на Земле. Они:
- отслеживают местоположение;
- корректируют орбиты по мере необходимости;
- проводят проверку синхронной работы часов.
Главная контрольная станция расположена на военно-воздушной базе Шривер в Колорадо, США. Существуют и другие такие станции. Они разбросаны по всему миру и обеспечивают круглосуточный контроль за 32 спутниками.
Приемники
GPS-приемник – самостоятельный радиомодуль на оборудовании, настроенный на частоты спутников. Он включает в себя алгоритмы, необходимые для расчета расстояния до них на основе времени прохождения сигнала.
Зная расстояние минимум до трех спутников GPS, приемник сможет определить свое местоположение. Для расчетов используется принцип трилатерации. Простыми словами – это рисование кругов на карте. Каждый круг представляет собой один спутник в системе. Место пересечения этих элементов указывает на расположение приемника на Земле.
Где используется навигация
Изначально GPS-системы разрабатывались для военных целей. Сегодня они активно применяются в обыденной жизни гражданскими лицами. Практически в любом мобильном устройстве можно обнаружить GPS-навигатор.
Сейчас рассматриваемая технология встречается в таких областях деятельности как:
- компьютерные игры;
- навигация;
- прогнозирование погоды;
- геотаргетинг;
- мониторинг тектоники;
- транспортный мониторинг;
- геодезия;
- картография;
- сотовая связь.
GPS обычно используются за счет своей точности для определения местоположения. А вот нетривиальных способов применения изучаемой технологии очень много. Они зависят от того, на каком конкретно оборудовании используется навигация.
Преимущества и недостатки
К преимуществам GPS можно отнести:
- высокую точность;
- огромную распространенность;
- простоту использования;
- доступность.
Недостатками рассматриваемой системы считаются следующие моменты:
- Трудности при работе с приполярными областями. Точность определения координат здесь снижается. Это связано с тем, что спутники на орбите находятся над экватором. Чем ближе расположен GPS-приемник к Северному или Южному полюсу, тем больше угол между ними. Трилатерация за счет подобного отклонения снижается.
- Влияние погоды на точность работы. Данная особенность связана с тем, что спутниковые сигналы проходят через атмосферу.
- Плохая работа в лесах и зданиях из-за прохождения сигнала через разнообразные преграды. В качестве них могут выступать стены и деревья.
Также стоит обратить внимание на то, что GPS-системы значительно расходуют батарею используемого устройства. Из-за данной особенности рекомендуется закрывать навигационные системы сразу после применения.
Виды GPS-устройств
Существуют различные виды GPS-устройств. На данный момент можно встретить:
- Навигаторы. Это самый распространенный вид оборудования, использующий GPS. Приложения-навигаторы встречаются повсеместно. В смартфонах используется система A-GPS – она показывает лучший результат при наличии постоянного подключения к Интернету. А вот автомобильная навигация не требует подключения к Сети.
- Трекеры. Они представляют собой оборудование, отслеживающее что-либо в пространстве. Примером могут стать детские часы с навигацией.
- GPS-приемники. Представляют собой профессиональное оборудование. Отличаются точным определением координат при помощи GPS. Приемники используются в геодезии и военных целях.
- Картплоттеры-эхолоты. Они представляют собой гаджеты с поддержкой определения местоположения и дополнительных функций. К ним можно отнести возможность формирования собственных карт, установки отметок. Картплоттеры-эхолоты встречаются у тех, кто работает на надводной и подводной местности.
GPS-приемники и картплоттеры-эхолоты – наиболее дорогостоящее оборудование. Именно поэтому они не встречаются в обыденной жизни так часто, как трекеры и навигаторы.
Аналоги
У спутниковой навигационной системы GPS есть ряд аналогов. К ним относят:
- ГЛОНАСС. Это российская разработка. Она была создана еще в Советском Союзе. Работает с 24 спутниками на околоземной орбите.
- BeiDou – китайская навигационная система. Покрытие обеспечивается по всему миру за счет работы с 48 спутниками. Сервис работает как в гражданских целях, так и в военных. Эта система встраивается в китайские гаджеты.
- Galileo – независимая глобальная навигационная спутниковая система Европы. Она разработана Европейским Союзом и Европейским космическим пространством. В отличие от GPS и ГЛОНАСС не зависит от военных министерств стран-разработчиков.
- Quasi-Zenith. Региональная японская навигационная система. Она ориентирована на повышении точности позиционирования в Океании и Азии. Работает исключительно в Японии. Спутники такого GPS размещаются на квазизенитных орбитах. Это помогает получать максимально точную информацию о местоположении на местностях со сложным рельефом.
Индия также имеет собственную региональную спутниковую систему – IRNSS. Она разработана Индийской организацией космических исследований. Используется для внутренних нужд страны.
Хотите освоить современную IT-специальность? Огромный выбор курсов по востребованным IT-направлениям есть в Otus!
