Навігація за допомогою GPS вже довгий час є золотим стандартом при створенні будь-яких систем позиціонування, а також повсюдно застосовується в різних навігаторах і трекерах. Наша компанія використовує спеціальні модулі та програмне забезпечення, яке дозволяє моніторити рухомі та стаціонарні об’єкти в режимі реального часу. Завдяки сучасним технологіям та нашим напрацюванням, звичайному користувачеві не обов’язково має теоретичну базу, щоб користуватися всіма перевагами GPS. Але тому невеликій кількості допитливих користувачів потрібно розуміти, як працює система GPS, а також які можливості технології та обмеження вона має.
Як працює GPS навігація
GPS – це навігаційна система, яка працює завдяки супутникам на орбіті землі. Вона вміє визначати точні координати об’єктів та час у будь-якій точці Земної кулі за будь-яких погодних умов. За розробку такої складної системи відповідає Міністерство оборони США. Робота системи не можлива без трьох основних складових: станцій на Землі, супутників та приймачів сигналу (GPS трекери).
Історія GPS навігації
Все почалося в далекі 50-ті роки, коли людство тільки-но почало освоювати космос. Невелика група американських вчених, що спостерігає за радянським супутником, виявила, що при його наближенні частота сигналу збільшувалася, а при віддаленні зменшувалася. Ця особливість наштовхнула їх на думку, що існує можливість визначити точне становище супутника на орбіті, знаючи свої координати Землі, і навпаки. Значну роль еволюції навігаційної системи зіграв запуск супутників на орбіту Землі. На початку 1943 року стартувала програма під назвою DNSS (NavStar), яка передбачала запуск на низьку орбіту супутників. Того ж таки 1943 року програму перейменували на «GPS»
GPS система спочатку використовувалася у військових цілях, але поступово її почали застосовувати для цивільних потреб. Ось невеликий список сфер, де на даний момент застосовується технологія GPS:
моніторинг транспорту – точні координати, швидкість та положення;
мобільний зв’язок;
картографія;
навігація;
фіксація коливань тектонічних плит;
виявлення сейсмічної активності;
пошук точних меж земельних ділянок (геодезія);
розвага та ігри.
Одним із найголовніших недоліків GPS є отримання неточних даних за певних умов. Так як частоти GPS знаходяться в дециметровому діапазоні хвиль, то при сильній хмарності, щільності листя, магнітних бурях сигнал може бути слабким або взагалі відсутнім. Також точність сигналу може погіршуватися в районах, близьких до полярного полюса, де супутники знаходяться не так високо над Землею. Але здебільшого ця система працює бездоганно і без особливих збоїв.
Навігація без GPS
У світі існує не дуже багато конкурентів системі GPS, ми розповімо про найголовніші. Однією з них є російська система ГЛОНАСС, вона почала повноцінно працювати з 2010 року, але спроби її запуску здійснювалися ще 1995 року. Між цими системами є кілька відмінностей:
по-перше, вони використовують різні кодування, російська використовує FDMA, а американська CDMA;
по-друге, система ГЛОНАС має складнішу модель, через що збільшується енергоспоживання та загальні розміри пристроїв;
у кожній із систем застосовується свій алгоритм руху та розміщення супутників на орбіті. До того ж російська система є точнішою у визначенні координат та часу;
різний термін служби супутників, американські відрізняються більшою надійністю, і відповідно служать набагато довше;
Крім GPS та ГЛОНАСС у світі існують менш відомі системи для навігації – китайська Beidou та європейська Galileo.
Застосування супутникової GPS навігації
Система GPS дуже широко використовується на ринку GPS моніторингу та контролю. Застосовуються в GPS трекерах для відстеження переміщення та контролю автотранспорту, а також персонального моніторингу. GPS трекери спільно працюють з датчиками контролю рівня та витрати палива. Для відстеження GPS трекера, пропонується спеціальний сервер стеження у вигляді сайту на WEB браузері та мобільної програми. Такі трекери показують маршрут руху, швидкість, переміщення, зупинки та стоянки. Для відображення стану авто використовується різні типи Google карт з набором звітів і графіків. Історія переміщення зберігатиметься 1 рік.
Принцип роботи GPS
Ось як працює ця система – пристрій, що приймає сигнал, вимірює час затримки поширення сигналу від супутника. На основі отриманих даних, приймач отримує точне розташування супутника. Для визначення точної дистанції від приймача до супутника необхідно помножити затримку на швидкість світла.
З чисто геометричної точки зору роботу навігаційної системи можна описати так: є кілька сфер, у кожній з яких знаходиться супутник, а в точці перетину знаходиться пристрій, що приймає. Відстань до супутника від користувача дорівнює радіусу кожної зі сфер. Для визначення широти та довготи потрібно три супутники, а четвертий
необхідний виявлення висоти об’єкта над поверхнею. Всі отримані дані вносяться до рівняння, з якого ми отримуємо координати користувача. За фактом виходить, що для отримання точних координат об’єкта потрібно зробити 4 виміри дальності до супутника.
Принцип, схема супутникової GPS навігації
Свою поправку в усі рівняння вносить показник між фактичним та розрахунковим становищем супутника. Цю неточність називають – ефемеридною, і її показники можуть змінюватись від 1 до 5 метрів. Крім цього, в кінцеві показники місцезнаходження свій внесок вносить атмосферний тиск, вологість, температура, атмосфера та іоносфера. Весь ланцюг наведених вище факторів може довести похибку в показниках до 100 метрів. Деякі помилки можна вирішити математичним шляхом.
Для усунення всіх неточностей використовують диференціальний режим GPS. У цьому випадку приймач отримує всі необхідні дані з поправками через радіоканал від базової станції. В результаті ми отримуємо точність 1-5 метрів, яка вважається нормально для систем GPS. Усього існує два методи виправлення даних – це коригування координат та корекція навігаційних параметрів. Якщо користуватися першим методом, то всі пристрої повинні працювати за одним і тим же супутником, що дуже незручно. Другий випадок потребує наявності складної апаратури.
На сьогоднішній день вже існують нові класи систем, які здатні видавати точність до 1 см. Колосальний вплив на точність має кут між напрямками на супутники. Для більшої точності необхідно збільшувати кут.
Всі GPS приймачі діляться на кілька видів – авіаційні, стаціонарні та портативні. Вони також відрізняються рядом параметрів:
Тип антен;
Загальна кількість каналів;
Картографічною підтримкою;
Тип дисплеїв;
Наявністю додаткових функцій;
Міцністю, рівнем вологозахисту, наявністю акумулятора, міцністю, об’ємом пам’яті та інше.
Як тільки GPS трекер був увімкнений, він відразу ж намагається зв’язатися із супутником. Коли сигнал отримано, відбувається передача даних альманаху, а точніше вся інформація про орбіти супутників, які працюють у GPS. Як правило, даних від одного супутника недостатньо для точного розташування, тому пристрій отримує інформацію від безлічі супутників.
Гарячий, теплий та холодний старт навігатора
Увімкнувши GPS пристрій після тривалого простою, починається тривале очікування. Це з тим, що у трекері відсутні чи сильно застаріли ефемериди і альманах. Швидкість завантаження даних при холодному старті залежить від багатьох факторів – погоди, атмосфери, температури, кількості супутників у зоні передачі та інше.
Для успішного старту навігатору потрібно:
Знайти найближчий супутник та встановити з ним зв’язок
Зберегти у пам’яті оновлений альманах
Отримати від супутника всі ефемеріди
Знайти ще як мінімум 3 супутники і зв’язатися з ними (завантажити всі дані на згадку)
Визначити координати по ефемеріді та місцезнаходження супутників
Тільки після всіх цих дій GPS трекер почне нормально працювати. Це називається холодний старт.
При гарячому старті в пам’яті навігаційного пристрою вже є актуальні дані ефемеріди та альманаху. Альманахи дійсні протягом 30 днів, а ефемерид лише 30 хвилин. З чого можна дійти невтішного висновку, що термінал вимикався ненадовго. Таким чином, при повторному включенні йому потрібно тільки зв’язатися із супутниками, після чого він одразу визначать своє місце розташування.
Теплим стартом називається запуск, при якому в пам’яті пристрою зберігаються дані про актуальні альманахи, а ефемеріди відсутні. При такому старті часу йди трохи більше, ніж за гарячого.