Обзор: принцип работы GPS-навигатора

Принцип работы GPS-навигатора.

С давних времен для человека был чрезвычайно важен выбор безопасного, а так же наиболее короткого пути к намеченной цели. Но как на бытовом уровне определить место, направление и скорость передвижения? Ведь это работа подготовленного штурмана, обладающего специальными познаниями и навыками, имеющего в своем арсенале различные навигационные устройства, карты и справочную литературу. Ведь именно они позволяют точно оценить совокупность данных определений. А любой недочет штурмана очень часто приводит к плачевным результатам. Казалось бы, что это обычному человеку не под силу.
Однако, именно потому, что каждый из нас хотя бы раз попадал в ситуацию ощущения потери в пространстве, находясь в чуждой местности, без каких-либо ориентиров, оценит превосходное изобретение 20 века – GPS-навигатор.
Забудьте про навигацию, астрономию, картографию и геодезию. Забудьте про страх заблудиться. Ведь сегодня у нас есть великолепный помощник! Вы обожаете туризм? Или в вас бурлит кровь наших предков, занимавшихся охотой и рыболовством? Вы любите активно отдыхать? В любом случае, вы всегда будете знать, где вы находитесь, откуда пришли и как добраться до нужного места, с какой скоростью вы движетесь и когда наконец достигнете цели. Именно такие преимущества у вас появляются с GPS-навигатором – вашим профессиональным штурманом.
Так что же это такое GPS?
По заказу Министерства обороны США в конце семидесятых годов 20 века была разработана система GPS (Global Positioning System - глобальная система позиционирования) и лишь в восьмидесятых годах она стала доступна для гражданского применения (NAVSTAR - NAVigation System with Timing And Ranging - навигационная система определения времени и дальности).
Система GPS превосходно работает без ограничений по климатическим условиям, географии и времени. Она позволяет с поразительной точностью определять координаты и скорость любых подвижных объектов. При этом оставаясь абсолютно свободной от какой-либо платы за подключение и использование! Вам достаточно лишь приобрести маленького помощника - GPS-приемник (спутниковый навигатор).
Система состоит из 24 действующих спутников (и нескольких спутников резерва), находящихся на шести орбитах высотой около 17000 - 20000 км с периодичностью обращения 12 часов, нескольких наземных станций слежения, систем связи и центрального пункта управления.
Масса каждого спутника чуть менее 1 т. Он оснащен 50 Вт радиопередатчиком и атомными часами. Срок его эксплуатации рассчитан примерно на 10 лет. Новые спутники постепенно заменяют на орбите те, что исчерпали свой ресурс. Эти спутники передвигаются по орбитам, заполняя возникающие «дыры» в системе (в случае выхода одного из них из строя).
Наземная часть системы GPS представляет собой совокупность 4 станций слежения, которые расположены на островах. Они контролируют видимые спутники и передают данные на Главную станцию управления и контроля, которая находится на авиабазе в Колорадо-Спрингс, США, для обработки. Через наземные станции данные возвращаются обратно на спутники, а те, в свою очередь, передают их GPS-приемникам (навигаторам).

Каков принцип работы GPS-навигатора?

Определение местоположения GPS-навигатора базируется на измерении задержки прохождения радиосигнала от нескольких спутников и определении на основе этих измерений географических координат и высоты над уровнем моря.
Сигнал каждого спутника содержит псевдослучайный код (PRN - PseudoRandom Number code).
Так как GPS-система контролируется Департаментом обороны США, РRN-код, декодируется только военными GPS-приемниками, а в сигналы атомных часов специально добавляется случайная ошибка, искажающая значения координат. Таким образом, точность гражданских GPS-навигаторов искусственно ухудшена в 10 раз по сравнению с военными и составляет около 50 - 150 м.
Каждый спутник в постоянном режиме излучает радиосигнал, содержащий данные о его орбите, состоянии бортового оборудования и о точном времени. Среди этих сигналов данные о точном бортовом времени являются самыми важными. GPS-навигатор при помощи встроенного процессора определяет промежуток времени между отсылкой и получением сигнала, умножает его на скорость распространения радиоволн и, в итоге, устанавливает расстояние между спутником и приемником. Результат - координаты вашего местоположения.
Казалось бы, что для определения местоположения достаточно поймать сигнал спутника и использовать два ориентира. Однако это не верно из-за наличия ошибки часов приемника. Ведь спутники, находящиеся на орбите, обладают высокоточными и дорогостоящими атомными часами. Для GPS-навигаторов это неоправданно с экономической точки зрения и из-за габаритов. Неточность хода часов всего в одну тысячную секунды приводит к ошибке в 250 км! Именно поэтому используются не два, а три ориентира, т.е. три пересекающиеся прямые.
Это позволяет выстраивать своеобразный треугольник из GPS-навигатора и спутников и, вне зависимости от того, спешат часы приемника или запаздывают, автоматически корректировать, обеспечивать поиск заданной точки.
Однако и это еще не все. На сегодняшний день количество GPS-спутников позволяет определить даже трехмерные координаты (!) - широту, долготу и высоту над уровнем моря. Для этого необходимо получать сигнал как минимум от 4-х спутников. Соответственно, чем больше спутников обмениваются сигналами с GPS-навигатором, тем точнее определяются координаты местоположения. И наоборот, точность GPS-навигатора снижается, если сигналы от спутников экранируются чем-либо (рельефом, зданиями, деревьями и т.п.).
Радиообмен между спутниками и GPS-навигатором осуществляется с помощью сигнала, содержащего стандартный идентификационный код, который сравнивается с кодами, находящимися в памяти приемника. За счет этого GPS-навигатор способен идентифицировать источник сигнала.
Одно из направлений GPS-навигации - компьютерные картографические системы. В них информация отображается на экране в графическом виде непосредственно на детальной карте. Это действительно создает высокую степень удобства и гибкости системы, позволяет расширить диапазон планирования своего маршрута непосредственно на местности.

Вы до сих пор считаете компас и карту вечными спутниками путешественников?

© Магазин GPS-навигаторов