Десять лет назад вряд ли можно было поверить в то, что каждый человек сможет купить недорогой карманный прибор, который на основе современных космических технологий точно указывает местоположение в любой точке земного шара. Казалось, что известные уже несколько столетий компас и карта останутся вечными спутниками тех, кто находится в пути. Сегодня же мы видим, как бытовые GPS-навигаторы используются не только практически всеми яхтсменами и летчиками-любителями, но также находят широкое применение в автомобильных навигационных системах и все чаще сопровождают любителей отдыха на природе в их разнообразных путешествиях
 

Что такое GPS?

      GPS – это аббревиатура названия глобальной навигационной спутниковой системы определения местоположения Global Positioning System. GPS-система состоит из некоторого количества специально разработанных низкоорбитальных спутников, которые служат для определения точных координат.
      Принцип определения координат заключается в одновременном измерении расстояния до нескольких спутников с известными параметрами их орбит на каждый момент времени и последующем вычислении по измененным расстояниям своих координат, при этом таких спутников должно быть не менее трех.
      Первоначально система GPS-навигации была разработана, как это часто бывает, для военных целей, но постепенно стало ясно, что она может успешно применяться и для решения ряда гражданских задач, например, морской или автомобильной навигации, о которой мы поговорим отдельно.

Как работает GPS

      Над планетой на высоте 20 000 километров вращаются 24 спутника американской системы NAVSTAR. Задача всех этих спутников – непрерывная передача своего идентификационного номера и точного времени, которое отсчитывается по атомным часам, установленным на каждом спутнике. При излучении сигнала используется фазовая модуляция, использование которой совместно с шумоподобным типом сигнала позволяет применять передатчики относительно малой мощности, избавиться от многих помех, возникающих при преодолении немаленького расстояния от спутника до GPS-приемника при прохождении через слои атмосферы, и многих других природных и искусственных помех, встающих на пути сигнала.
      Для того чтобы определить координаты любой точки в пространстве, необходимо знать координаты как минимум трех спутников и расстояние от спутников до искомой точки. Если все это известно, то точка пересечения трех сфер вращения, образованных их радиусами длиной в расстояние от спутника до GPS-приемника, и есть местоположение точки в пространстве. Путем несложных математических вычислений эта информация преобразовывается в любую систему координат. Остается единственная задача – узнать расстояние от спутника до GPS-приемника. Траектории всех спутников рассчитаны с огромной точностью на десятки лет вперед, т.е. в любой момент времени известно, где и какой спутник находится. Это необходимо для синхронизации точного времени спутников с обычными часами GPS-приемника. Как только время синхронизировано, начинается непосредственное определение расстояния до спутников. Еще из курса школы известно, что, зная скорость и время, всегда можно найти расстояние. Скорость распространения сигнала, опять же, известна заранее с достаточной точностью, время посчитать не составляет труда, т.к. известно с точностью атомных часов, во сколько сигнал был отправлен спутником и во сколько он был принят GPS-приемником. Все неизвестные найдены, остается измерить расстояния еще несколько сотен раз для достижения заданной точности.
      Учитывая вышесказанное, мы видим, что для определения точного местоположения в двумерном пространстве (т.е. по широте и долготе) необходимо получить сигналы минимум от 3-х спутников. К счастью, сегодня количество GPS-спутников достаточно велико даже для того, чтобы в любой точке земного шара определить не только двумерные, но и трехмерные координаты – широту, долготу и высоту над уровнем моря. Для этого нужно получать сигналы минимум от 4-х спутников. При этом, чем больше спутников «видит» ваш GPS-приемник, тем точнее он может определить координаты местоположения – вплоть до максимального предела, определяемого точностью системы. Из этого, в частности, следует, что точность работы GPS-навигатора снижается, если сигналы от некоторых спутников экранируются местными предметами (рельефом местности, деревьями с плотной кроной, высокими зданиями и т.п.).
      Способ радиообмена между спутниками и GPS-приемником также достаточно необычен. Дело в том, что все спутники вещают одновременно на одной и той же частоте. Для того чтобы GPS-приемник мог определить, от какого спутника исходит данная информация, бортовые передатчики посылают в составе своего сигнала стандартный идентификационный код, который сравнивается с кодами, находящимися в памяти приемника. Таким образом, независимо от того, сколько и каких спутников находятся в поле зрения приемника, последний может без труда идентифицировать источники сигналов. Такой подход не только упрощает схему GPS-приемника, но и, несмотря на малый уровень радиосигналов, позволяет использовать в них малогабаритные приемные антенны.
      Как известно, спутниковая GPS-система оплачивается и контролируется Департаментом обороны США, который зарезервировал предельную точность исключительно для своих военных целей. Для этого передаваемый спутниками сигнал кодируется с помощью специального Р-кода, который может быть декодирован только военными GPS-приемниками. В дополнение к этому в сигналы времени от спутниковых атомных часов добавляется случайная ошибка, которая искажает полученные значения координат. В результате точность гражданских GPS-приемников ухудшается в несколько раз по сравнению с военными. Если бы была хоть какая-нибудь возможность отследить желающих принимать сигналы спутников, GPS-навигация наверняка была бы платной. Но, учитывая, что на данный момент развития науки это невозможно в принципе, и то, что после запуска спутников практически никаких расходов на поддержание их в рабочем состоянии не требуется, система оставалась, остается и останется бесплатной.
      Немного терминологии
      Рассматривая технические характеристики того или иного приемника, вы можете увидеть различные термины, вроде Cold Start или Warm Start (холодный и теплый старт). Что же означают эти термины?
      При холодном старте время и координаты приемнику известны с некоторыми ограничениями, а альманах и эфемерида не известны.
      При теплом старте время, координаты и альманах известны, опять же, с ограничениями. Эфемерида как минимум от 3-х спутников известна после последнего выключения приемника.
      Что такое альманах и эфемерида? Давайте попробуем разобраться. Спутники постоянно передают два типа данных: альманах и эфемериду.
       Альманах– данные об орбитах всех спутников. Каждый спутник передает альманах для всех спутников. Эти данные не всегда точны и обновляются примерно один раз в несколько месяцев.
       Эфемерида– сравнительно более точные данные об орбите спутника. Часы корректируются отдельно для каждого спутника, что очень важно для максимально точного позиционирования, а каждый спутник передает только собственную эфемериду. Достоверность этих данных определяется особенностями конкретного спутника, а сами данные актуальны в течение короткого времени – от 30 минут до 4-6 часов. Каждый набор эфемерид имеет свой индикатор, сообщающий о том, как долго эти данные будут оставаться актуальными. Эфемериды передаются спутником каждые 30 секунд. Такой промежуток времени выбран для того, чтобы gps-приемники успевали принимать и обрабатывать эту информацию.
      Когда вы включаете GPS-приемник, он начинает искать спутники там, где, по его мнению, они должны находиться. Это мнение основывается на альманахе и текущем времени, и, исходя из этих данных, приемником выбираются спутники для первоначального поиска. Эфемериды принимаются от каждого спутника, видимого приемником, проверяются на достоверность и достаточность информации для определения координат.
      Если питание приемника выключить и сразу же включить, эфемериды будут считаться актуальными, и приемник быстро найдет спутники, так как ему нет необходимости обновлять данные. Такая ситуация называется «теплый»старт. Если же эфемериды устарели, gps-приемник начнет заново собирать новые эфемериды для всех спутников с устаревшими данными, хотя в реальности gps-приемники постоянно собирают свежие эфемериды.
      Рассмотрим ситуацию, когда на момент включения приемника «свежие» эфемериды были менее, чем для трех спутников – в таком случае определение координат местоположения станет невозможным, пока не будет пойман хотя бы еще один дополнительный спутник.
      Если приемник перемещается, например, находясь в автомобиле, то сбор эфемерид займет более длительное время, чем при неизменном местоположении, а если GPS-приемник увезти на расстояние нескольких сотен километров в выключенном состоянии, или если в нем сбилось точное время, то эфемериды окажутся недостоверными, и приемник попытается найти спутники там, где их уже нет.
      Когда вы приобретаете GPS-приемник и включаете его в первый раз, то он «находится в растерянности», потому что не знает, где находится. Чтобы определить свое местоположение, приемник начинает сканировать частотный диапазон GPS в поисках сигналов спутников. Такой процесс принято называть «холодным»стартом. Холодный старт состоит из поиска спутника, декодирования получаемых сигналов и проведения необходимых расчетов, что в совокупности может занимать от 5 до 20 минут. Точная продолжительность процесса зависит от множества факторов, которые включают количество видимых спутников и алгоритм поиска, реализованный в отдельно взятой модели.
      Если же приемник знает свое местоположение, то процесс определения местоположения сокращается в несколько раз, а при наличии в памяти устройства ранее запомненного альманаха точные координаты будут определены в течение нескольких секунд. Такую ситуацию называют «горячий»старт.
      Довольно часто можно услышать или прочитать в описаниях программ и самих устройств аббревиатуры, такие как NMEA, SiRF, WAAS, DGPS. А иногда у обывателя возникает вопрос: «Зачем в приемниках одновременно и NMEA, и SiRF?» Чтобы ответить на этот вопрос, вернемся к терминологии.
       NMEA– протокол передачи сообщений между приборами, установленными на судах. Большинство из существующих навигационных приемников выдают данные в стандарте nmea-0183, который является международным стандартом, разработанным «Национальной Ассоциацией Морской Электроники» для обмена данными между морскими электронными приборами. Данные nmea-0183 – это самый обычный текст в кодах ascii, пересылаемый со скоростью 4800 бод.
       SiRF– главный электронный компонент в gps-чипе приемника. Этот чип производит обработку получаемых от спутников сигналов, пытаясь принять сигналы от всех видимых спутников. Спутники с самыми слабыми сигналами будут проигнорированы чипом, который попытается выделить только спутники с наиболее сильными сигналами.
      Большинство GPS-приемников изготовлено на чипсетах американской компании SiRF Technology, а самая последняя разработка – чип SiRF STAR III, который отличается в лучшую сторону пониженным энергопотреблением и способностью принимать до 20 параллельных каналов.
       WAAS– «wide area augmentation system» – комплекс спутниковых и наземных средств, обеспечивающий навигаторы gps корректирующими сигналами, что резко повышает точность определения координат, примерно в пять раз. Навигаторы с возможностями waas способны в 95% случаев определять координаты точнее 3 м. Система waas бесплатна, и для ее использования никакого дополнительного оборудования приобретать не потребуется.
      На данный момент система WAAS действует только на территории Северной Америки. В Южной Америке и Европе нет наземных станций, так что даже если ваш GPS-навигатор и может принимать сигналы WAAS, то на территории нашей страны отсутствует возможности получать подобный сигнал, а потому точность стандартной GPS-навигации не повысится.
      В Европе существует аналог WAAS – система EGNOS, сокращение от «european geostationary navigation overlay service» (Европейская геостационарная навигационная оверлейная служба).