Навигация при помощи GPS уже долгое время является золотым стандартом при создании любых систем позиционирования, а также повсеместно применяется в разного рода навигаторах и трекерах. Наша компания использует специальные модули и программное обеспечение, которое позволяет мониторить подвижные и стационарные объекты в режиме реального времени. Благодаря современным технологиям и нашим наработкам, обычному пользователю не обязательно имеет теоретическую базу, чтобы пользоваться всеми преимуществами GPS. Но тому небольшому количеству любознательных пользователей нужно понимать, как работает система GPS, а также какие возможности технологии и ограничения она имеет.
Как работает GPS навигация
GPS — это навигационная система, которая работает благодаря спутникам на орбите земли. Она умеет определять точные координаты объектов и время в любой точке Земного шара при любых погодных условиях. За разработку такой сложной системы отвечает Министерство обороны США. Работа системы не возможна без трех основных составляющих: станций на Земле, спутников и приемников сигнала (GPS трекеры).
История GPS навигации
Все началось в далекие 50-е годы, когда человечество только начало осваивать космос. Небольшая группа американских ученых наблюдающая за советским спутником, обнаружила, что при его приближении частота сигнала увеличивалась, а при отдалении уменьшалась. Эта особенность натолкнула их на мысль, что существует возможность определить точное положение спутника на орбите, зная свои координаты на Земле, и наоборот. Внушительную роль в эволюции навигационной системы сыграл запуск спутников на орбиту Земли. В начале 1943 года стартовала программа под названием «DNSS» («NavStar»), которая предусматривала запуск на низкую орбиту спутников. В том же 1943 году программу переименовали в «GPS»
GPS система по началу использовалась в военных целях, но постепенно ее начали применять для гражданских потребностей. Вот небольшой список сфер, где на данный момент применяется технология GPS:
мониторинг транспорта – точные координаты, скорость и положение;
мобильная связь;
картография;
навигация;
фиксация колебаний тектонических плит;
обнаружение сейсмической активности;
поиск точных границ земельных участков (геодезия);
развлечение и игры.
Одним из самых основных недостатков GPS является получение неточных данных при определенных условиях. Так как частоты GPS находятся в дециметровом диапазоне волн, то при сильной облачности, плотности листвы, магнитных бурях сигнал может быть слабым или вообще отсутствовать. Также точность сигнала может ухудшаться в районах близких к полярному полюсу, где спутники находятся не так высоко над Землей. Но в большинстве случаев эта система работает безупречно и без особых сбоев.
Навигация без GPS
В мире существует не очень много конкурентов системе GPS, мы расскажем о самых главных. Одной из них является российская система ГЛОНАСС, она начала полноценно работать с 2010 года, но попытки ее запуска осуществлялись еще в 1995 году. Между этими системами существует несколько отличий:
во-первых, они используют разные кодировки, российская использует FDMA, а американская CDMA;
во-вторых, система ГЛОНАС имеет более сложную модель, из-за чего увеличивается энергопотребление и общие размеры устройств;
в каждой из систем применяется свой алгоритм движение и расстановки спутников на орбите. К тому же российская система является более точной в определении координат и времени;
разный срок службы спутников, американские отличаются большей надежностью, и соответственно служат намного дольше;
кроме GPS и ГЛОНАСС в мире существуют менее известные системы для навигации – китайская Beidou и европейская Galileo.
Применения спутниковой GPS навигации
Система GPS очень широко используется на рынке GPS мониторинга и контроля. Применяются в GPS трекерах для отслеживания перемещения и контроля автотранспорта, а также для персонального мониторинга. GPS трекера совместно работают с датчиками контроля уровня и расхода топлива. Для отслеживания GPS трекера, предлагается специальный сервер слежения в виде сайта на WEB браузере и мобильного приложения. Такие трекера показывают маршрут движения, скорость, перемещение, остановки и стоянки. Для отображения состояния авто, используется разные типы Google карт с набором отчетов и графиков. История перемещения храниться 1 год.
Принцип работы GPS
Вот как работает эта система – устройство принимающее сигнал меряет время задержки распространения сигнала от спутника. На основе полученных данных, приемник получает точное месторасположение спутника. Для определения точной дистанции от приемника к спутнику нужно умножить задержку на скорость света.
С чисто геометрической точки зрения работу навигационной системы можно описать так: есть несколько сфер, в каждой из которых находится спутник, а в точке пересечения находиться принимающее устройство. Расстояние до спутника от пользователя равно радиусу каждой из сфер. Для определение широты и долготы нужно три спутника, а четвертый нужен для выявления высоты объекта над поверхностью. Все полученные данные вносятся в уравнение из которого мы получаем координаты пользователя. По факту получается, что для получения точных координат объекта нужно сделать 4 измерения дальности до спутника.
Принцип, схема спутниковой GPS навигации
Свою поправку во все уравнения вносит показатель между фактическим и расчетным положением спутника. Данную неточность называют – эфемеридной, и ее показатели могут варьироваться от 1 до 5 метров. Кроме этого, в конечные показатели месторасположения свою лепту вносит атмосферное давление, влажность, температура, атмосфера и ионосфера. Вся цепь приведенных выше факторов, может довести погрешность в показателях до 100 метров. Некоторые ошибки можно решить математическим путем.
Для устранения всех неточностей, используют дифференциальный режим GPS. В этом случае, приемник получает все нужные данные с поправками через радиоканал от базовой станции. В результате, мы получаем точность 1-5 метров, которая считается нормально для систем GPS. Всего существует два метода исправления данных – это корректировка координат и коррекция навигационных параметров. Если пользоваться первым методом, то все устройства должны работать по одним и тем же спутника, что очень неудобно. Второй случай требует наличия сложной аппаратуры.
На сегодняшний день уже существуют новые классы систем, которые способны выдавать точность до 1 см. Колоссальное влияние на точность оказывает угол между направлениями на спутники. Для большей точности нужно увеличивать угол.
Все GPS приемники делятся на несколько видов — авиационные, стационарные и портативные. Они также отличаются рядом параметров:
Типом антенн;
Общим количество каналов;
Картографической поддержкой;
Типом дисплеев;
Наличием дополнительных функций;
Прочностью, уровнем влагозащиты, наличием аккумулятора, прочностью, объемом памяти и прочее.
Как только GPS трекер был включен, он сразу же пробует связаться со спутником. Когда сигнал получен, происходит передача данных альманаха, а точнее вся информация об орбитах спутников, которые работают в системе GPS. Как правило, данных от одного спутника недостаточно для точного определения месторасположения, поэтому устройство получает информацию от множества спутников.
Горячий, теплый и холодный старт навигатора
Включив GPS устройство после длительного простоя, начинается длительное ожидание. Это связано с тем, что в трекере отсутствуют или сильно устарели эфемериды и альманах. Скорость загрузки данных при холодном старте зависит от многих факторов – погоды, атмосферы, температуры, количества спутников в зоне передачи данных и прочее.
Для успешного старта, навигатору нужно:
Найти ближайший спутник и установить с ним связь
Сохранить в памяти обновленный альманах
Получить от спутника все эфемериды
Найти еще как минимум 3 спутника и связаться с ними (загрузить все данные в память)
Определить координаты по эфемериде и местоположение спутников
Только после всех этих действий, GPS трекер начнет нормально работать. Это и называется холодный старт.
При горячем старте в памяти навигационного устройства уже имеются актуальные данные эфемериды и альманаха. Альманахи действительны на протяжении 30 дней, а эфемерид только 30 минут. Из чего можно сделать вывод, что терминал выключался ненадолго. Таким образом, при повторном включении ему нужно только связаться со спутниками, после чего он тут же определят свое месторасположение.
Теплым стартом называется запуск, при котором в памяти устройства хранятся данные о актуальных альманахах, а эфемериды отсутствую. При таком старте времени уходи немного больше, чем при горячем.