Современное электронное оборудование - это более сложное, более доступное и, что гораздо важнее, более надежное оборудование, чем когда бы то ни было!

С детских лет нам знаком магнитный компас, некоторые из нас умеют определять свое положение по звездам. Считанные единицы знают, как пользоваться секстаном. А кто знает, что такое GPS? Для чего она предназначена и как она работает? Цель данной статьи - дать некоторое представление о том, как работает современная система навигации.

Как это работает

GPS - глобальная система определения местоположения Navstar, основанная на измерении расстояния до нескольких точек (спутников) с известными координатами. Сегмент пространства состоит из созвездия активных спутников (и одного или нескольких резервных), которые делают оборот вокруг Земли за 12 часов. На каждой из шести орбит расположены четыре спутника. Орбиты равномерно распределены над Землей и наклонены на 55 градусов относительно экватора. Каждый спутник передает два сигнала: L1 (1575.42 MHz) и L2 (1227.60 MHz). Сигнал L1 промодулирован двумя псевдослучайными шумовыми сигналами - защищенный (P) код и приближенный код захвата (C/A). Сигнал L2 имеет только код P. Каждый спутник передает уникальный код, что позволяет приемнику отождествить сигналы. Когда работает функция "Anti-Spoofing" ("антиобман"), код P зашифровывается и распознается как код P(Y) или Y. Гражданские навигационные приемники используют только код C/A на частоте L1.

Приемник измеряет время, необходимое, чтобы сигнал прошел от спутника до приемника, на основании известного времени передачи сигнала спутником, и измеряя время его прихода с помощью встроенных часов. Если приемник имеет идеальные часы, точно синхронизированные с часами на спутнике, то трех измерений с трех спутников будет достаточно для определения положения в трех координатах. К сожалению, в приемнике за $300 (или даже за $3000) нельзя установить идеальные часы (физически и финансово), так что нужен четвертый спутник для определения ошибки часов. Каждое измерение ("псевдодальность") дает точку на сфере с соответствующим спутником в центре. Из-за ошибки в часах приемника четыре сферы не пересекутся в одной точке, но приемник будет настраивать свои часы, пока сферы не пересекутся, чем обеспечивается очень точное определение времени и положения. Так как приемник должен настраивать свои часы так, чтобы они были точно синхронны с временем GPS, то приемник GPS можно использовать как точный эталон времени. С этой целью некоторые приемники каждую секунду выдают импульс. Более подробно об этом вы можете посмотреть в информации Тома Кларка "абсолютно точные часы" в ftp://aleph.gsfc.nasa.gov/GPS/totally.accurate.clock/

Стандартная служба определения местоположения (SPS), доступная для гражданских пользователей, должна обеспечивать горизонтальную точность 20 м, однако обычно точность ухудшается до 100 м (95% времени), что связано с избирательной доступностью (SA). (То есть измеренное положение отличается от истинного положения не более чем на 100 метров 95% времени.) Вертикальная точность примерно в 1,5 раза хуже горизонтальной, что связано с геометрией спутника. (Спутники чаще находятся рядом с горизонтом, чем прямо над головой.)

Trimble Navigation в своей книге "GPS - руководство к следующей утилите" дает следующий список ошибок для коммерческих навигационных приемников:

• Ошибка часов спутника - 0.5 м.
• Эфемеридная ошибка - 0.5 м.
• Ошибка приемника - 1 м.
• Атмосферная/ионосферная - 6 м.
• Избирательная доступность - 12 м.
• Полная (корень из суммы квадратов) - 7-15 м в зависимости от SA.

Прогнозируемая точность рассчитывается путем умножения приведенного выше числа на PDOP (позиционный фактор снижения точности), который обычно находится в пределах от 4 до 6. Это дает точность 30 метров без SA, и до 100 м - с SA.

Упомянутая точность от 20 до 100 метров относится к одночастотным навигационным приемникам, которые способны измерять положение раз в секунду или около того. Точные измерения достигаются с помощью гораздо более сложного оборудования. Эти системы используют обе частоты и различные измерения, сравнивают данные от движущегося приемника с данными от неподвижного приемника в известной точке. Они также усредняют результаты измерений за период времени. В этих измерениях в действительности с большой точностью определяется разница в положениях фиксированного и движущегося приемников, а не абсолютное положение любого из них.

Что такое DGPS?

Дифференциальный GPS (DGPS) является способом корректировки некоторых системных ошибок путем использования ошибок, определенных в некоторой известной точке, для введения поправок в показания перемещающегося приемника.

Основной идеей является то, что эталонная станция "знает" свое положение и определяет разницу между этим известным положением и положением, которое дает приемник GPS. Затем эта измеренная ошибка передается на перемещающийся приемник, который в соответствии с ней вносит поправку в определение местоположения. К сожалению, ошибка зависит от определенных спутников, которые использовались для вычисления положения, так что эталонная станция не может просто сказать "сместите все положения на 100 метров к югу".

В случае морской навигации дифференциальная эталонная станция вычисляет ошибки в измерениях псевдодальности и передает информацию об ошибках, а также другую информацию о состоянии системы на морской радиомаяк. Дифференциальный приемник радиомаяка принимает и декодирует эту информацию и посылает ее на приспособленный к ее приему приемник GPS. Приемник GPS объединяет эту информацию с измерениями псевдодальности, которые производит он сам, перед вычислением положения.

DGPS исключает ошибку, которую вносит избирательная доступность, и ошибки, вызываемые изменениями в ионосфере, что приводит к точности определения местоположения в пределах примерно 10 метров от истинного положения 95% времени в случае типичных систем DGPS.

Существуют также коммерческие передачи DGPS, осуществляемые другими средствами (через VHF- или UHF-радиостанции или спутник связи, или на поднесущей FM-радиостанции), воспользоваться которыми можно, только уплатив подписной взнос. Некоторые из них обеспечивают точность 1 метр или лучше при наличии подходящего приемника GPS.

Что такое путевые точки и маршруты?

Путевая точка - это просто местоположение, которое хранится в памяти приемника GPS. Приемник может рассчитать расстояние и направление (и время в пути) до путевой точки и, будучи соединенным с авторулевым, дать направление авторулевому на эту точку.

Маршрутом называется серия путевых точек. При прокладке маршрута GPS автоматически заменяет текущую точку назначения при ее достижении на следующую путевую точку. Перед тем, как изменять курс, GPS-приемник или авторулевой обычно подает сигнал и запрашивает подтверждение.

Могут ли я подключить GPS к компьютеру или авторулевому?

Большинство навигационных приемников имеют выход данных в стандарте NMEA-0183 для передачи данных на авторулевой и другие приборы. NMEA-0183 является стандартом, разработанным Национальной Ассоциацией Морской Электроники для обмена данными между морскими электронными приборами.

Данные NMEA-0183 - это просто текст в кодах ASCII, пересылаемый со скоростью 4800 бод. Уровни сигналов не совсем совпадают с RS-232 (используемые в большинстве компьютеров последовательные порты), но обычно их можно подавать непосредственно на порт RS-232.

Дополнительную информацию о NMEA-0183 и программах для ПК для контроля данных можно получить из: ftp://sundae.triumf.ca/pub/peter/index.html

Многие приемники также имеют форматы данных, которые можно использовать (в случае навигационных приемников) для обмена списками путевых точек, записями маршрута и другими данными между GPS и компьютером, а также для передачи данных не в стандарте NMEA.

Будет ли GPS работать в машине/самолете/лесу/пещере?..

Сигналы GPS поглощаются большинством веществ, так что GPS-приемник работает, в основном, под открытым небом. Многие пользователи добились хороших результатов, размещая GPS-приемник на приборной панели автомобиля прямо за ветровым стеклом. Однако некоторые автомобили имеют на ветровом стекле прозрачную металлическую пленку в качестве нагревателя против запотевания. Эта пленка также является отличным экраном против GPS-сигналов. В таких автомобилях понадобится внешняя антенна.

Некоторым пользователям удалось добиться хороших результатов в использовании GPS в гражданских самолетах при размещении антенны за окном, предпочтительно на южной стороне самолета (для северного полушария), чтобы иметь возможность видеть максимальное количество спутников. Отметим, что неавиационные модели не будут выдавать навигационной информации, если скорость превышает 150 км/ч, так что в полете от них пользы не будет.

Как уже упоминалось, кроны деревьев до некоторой степени блокируют сигналы. Если вы можете поймать сигнал от некоторых спутников, то, по данным нескольких сообщений, вы будете иметь лучшие шансы определить свое местоположение, если будете двигаться, а не стоять на месте. Такие части ландшафта, как утесы (или железобетонные здания), закроют большую часть неба, что затруднит определение местоположения.

Система с широким охватом (WAAS)

US FAA разрабатывает дифференциальную систему GPS, известную как WAAS. В этой системе используется ряд эталонных станций (WRS), разбросанных по всей территории США. Они соответствуют (до некоторой степени) дифференциальным корректировочным станциям морской системы DGPS Береговой Охраны, но сами не передают сигналы коррекции. Они контролируют сигналы GPS, ионосферные условия и сигнал коррекции WAAS и передают данные на главные станции WAAS (WMS). Главные станции WAAS принимают данные от WRS, проверяют последние сигналы коррекции и генерируют новые сигналы коррекции WAAS. Затем сигнал коррекции передается на неподвижные спутники связи InMarSat, которые передают сигналы коррекции по всей территории США. Спутники InMarSat передают сигналы коррекции на частоте GPS L1, но используют другой псевдослучайный код (PN), нежели спутники GPS. Приемник радиомаяка WAAS может быть непосредственно объединен с приемником GPS.

Другие спутниковые навигационные системы

NAVSAT или Transit

Морская навигационная спутниковая система (NAVSAT, также известная как TRANSIT или Sat-Nav) является более старой системой, использующей четыре или пять спутников на полярных орбитах. Она обеспечивает определение местоположения примерно каждый час, в отличие от непрерывного определения, как в случае GPS. Она также требует, чтобы приемник был неподвижен во время определения положения или двигался в известном направлении с известной скоростью.

GLONASS

GLONASS - это русская система, подобная GPS. В настоящее время, похоже, не существует недорогих приемников GLONASS. Эта система обеспечивает точность выше, чем GPS с включенной SA, но ниже, чем с выключенной SA. (Есть слухи, что скоро появятся комбинированные приемники GPS/GLONASS...)

GPS - в каждые руки

В 1997 году образовалась небольшая французская фирма GPSPilot, которая занимается сопряжением GPS приемников и Palm Pilot, разработкой GPS программного обеспечения для Palm Pilot. На наш взгляд, очень интересная вещь. Некая помесь интерактивного атласа и электронного штурмана. В комплект входит 4 программы.

• Атлас показывает черно-белую карту местности с вашим местоположением, может рассчитать расстояния между несколькими точками, показать наиболее оптимальнвй путь. По прибытии на определенное место может напомнить вам о том, что необходимо, к примеру, заправить машину, и т.п.
• Tracker после прокладки маршрута по электронной карте указывает отклонения от него, рекомендуемую и фактические скорости, дистанции до конечных и промежуточных пунктов. При достижении контрольных точек выдает ститистику по пройденному маршруту и эвристическую информацию о предстоящей части.
• Flying Pilot позволяет рассчитать точное время воздушного маршрута вплоть до секунды, расход топлива и рекомендуемую скорость исходя из метеорологических условий. Кроме того, дает рекомендации по прокладке курса, исходя из скорости ветра и условий видимости (самый безопасный, самый быстрый маршруты).
• Компас - очень продвинутый компас, показывающий координаты, время, часовой пояс, высоту и скорость перемещения.

Кроме того, все программное обеспечение имеет возможность связи с PC для накопления статистики и выведения отчетов.