Введение

Наши предки, чтобы не заблудиться во время путешествий, прибегали к самым различным, и порой крайним мерам. Они строили монументальные указатели, кропотливо составляли подробные карты и научились находить путь по звездам в ночном небе. Сегодня эта задача намного тривиальнее. Менее чем за 100 $ можно получить карманный гаджет, который в любое время определит ваше местоположение в любой точке Земли.

Что такое GPS

Упоминая в обыденном разговоре «GPS» чаще всего негласно подразумеваются устройства - GPS-навигаторы, а не саму систему в целом. Действительно же, в своем широком понятии глобальная система позиционирования (GPS) это 27 специальных спутников, которые вращаются вокруг Земли по конкретно заданным орбитам (24 эксплуатируются и три статиста, на случай если один выходит из строя) и более 10 наземных станций контроля.

Эти специальные навигационные сателлиты на солнечных батареях двигаются вокруг планеты по круговой орбите высотой около 20 км. Время полного оборота составляет чуть менее 12 часов, таким образом, за одни сутки навигационный спутник совершает два полных оборота вокруг планеты. Траектории движения рассчитаны с тем, чтобы в любом месте и в с любое время на Земле были видны минимум четыре GPS-сателлита.

Задача GPS-навигатора – найти минимум четыре ближайших навигационных сателлита, определить дистанцию до каждого, обработать данные и на основании полученных результатов определить собственные координаты. Вся система основана на не сложном математическом методе трилатерации.

Принцип двухмерной трилатерации

Гипотетический пример. Представьте, что во время путешествия по широтам России, по какой-то причине вы полностью потерялись, нет никакой, даже незначительной подсказки о местоположении. Встретив сговорчивого местного жителя на вопрос «Где я?» вы получили ответ «170 км от Нижнего Новгорода». Эта важная информация не даст вам четкого понимания о местонахождении. Вы можете находиться в любой точке по окружности радиусом 170 км вокруг Новгорода.

Задав тот же вопрос еще кому-нибудь, вы получили ответ «в 150 км от Владимира». Это уже что-то. Если связать эту информацию с первой, то получаться два пересекающихся круга определенных радиусов. Ваше местоположение будет в одной из точек, полученных при пересечении окружностей.

Информация об удалении от третьего ориентира, что вы в 100 км от Иваново, позволит создать третью виртуальную окружность с помощью, которой можно исключить одну из точек, потому что третий круг будет пересекать оба предыдущих круга только в одной точке. Теперь можно точно определить, где вы находитесь – город Южа. Эта же методология действует в трехмерном пространстве, но вместо окружностей используются сферы.

Трехмерная трилатерация

Именно этот вариант взят в качестве основополагающего системы позиционирования. Отличие трехмерной трилатерация от двумерного варианта в плане теории не значительна, но ее сложнее визуализировать. Если воссоздать радиусы из предшествующих примеров, но распространяющиеся не в плоскости, а во всех курсах трехмерной системы. В результате, вместо окружностей получается ряд трехмерных сфер.

Можно «материализоваться» в абсолютно любой точке доступной поверхности немалой представляемой сферы радиусом 15 км (что соответствует расстоянию до определенного спутника «А»). Вместе с тем в силу имеющихся сведений вы осознаете, что ваше местоположение соответствует удалению от следующего определенного спутника «В» в 25 км, на поверхности виртуальной сферы соответствующего радиуса. Трехмерные окружности пересекут друг друга в идеальной окружности. Обладая сведениями о расположении третьего источника (третьего спутника), можно получить третье окружение, которое пересечет эту окружность в двух точках.

Определяющая четвертая точка будет расположена на поверхности Земли. Одна из предопределенных точек соприкосновения будет совпадать с поверхностью планеты. Для расчета местоположения GPS-навигатору необходима следующая информация:

  • «видимость» минимального количества - трех спутников;
  • дистанция между устройством и каждым из этих спутников.


Определение дистанции производится путем анализа информации высокочастотного радиосигнала от сателлитов GPS из космоса. Радиоволна движется, не уступая скорости света (расчетная 300000 км в секунду в вакууме). Навигатор определяет, как долго по времени следовал сигнал и на основании этого устанавливает расстояние. Весь процесс расчета, достаточно сложный, и может быть описан отдельно. Чего стоит только синхронизация с атомными часами с точностью до наносекунды.

Дифференциальная коррекция GPS

Рассмотренная ранее система определения собственных координат GPS на основе информации получаемой от спутников еще не является конечной ввиду своей неточности. Предполагается, что сигнал проходит весь путь с одинаковой скоростью (скоростью света). В реальных условиях, атмосферные слои Земли, значительно снижает электромагнитную энергию радиосигнала. Скорость прохождения ионосферы и тропосферы тоже отличается. Задержка меняется в зависимости от местонахождения на Земле, что достаточно сложно учитывать в стандартизированном расчете расстояния. Также проблемы могут возникнуть при отражении радиосигнала от крупных и высоких объектов, таких как небоскребы и др., что может привести к завышенному значению дистанции до спутника.

Для исключения неточностей и получения верных конечных координат используется дифференциальная GPS (DGPS). Основная идея состоит в оценке GPS неточностей в стационарной приемной станции с известным местоположением. Поскольку DGPS станция точно знает свои координаты, она может легко вычислить неточность получателя. Станция корректирует координаты, полученные от спутников, относительно собственного местоположения и рассылает радиосигнал всем навигаторам в радиусе действия.

GPS-навигаторы

Главной функцией GPS-навигатора является сбор информации минимум с четырех спутников объединение и обработка этих данных в электронном виде. Полученный результат позволяет определить координаты навигатора на планете. После того, как GPS-приемник сделает расчет, он может выдать широту, долготу или даже высоту местонахождения. Чтобы сделать навигацию адаптивной и комфортной для пользователя в памяти современных навигаторов хранятся подробные карты местности. Также GPS-ресивер можно подключить к компьютеру, на котором хранятся более подробные карты или просто купить подробную карту региона. Навигатор автоматически наложит координаты на карту для удобства ориентирования.

Стандартный GPS-навигатор не только покажет ваше местоположение, но и может отслеживать ваше перемещение согласно загруженным картам в реальном времени. С помощью полученной информации со спутников навигатор покажет ваше перемещение в режиме реального времени, а также благодаря встроенным часам, устройство способно выдавать и другую, не менее важную информацию:

  • дальность пути следования (одометр);
  • время путешествия;
  • текущая скорость (спидометр);
  • средняя скорость;
  • отслеживание маршрута (где именно вы были по карте);
  • расчетное время прибытия от определенной точки до места назначения при поддержании текущей скорости.