rn21 (rn21) wrote,
rn21
rn21

Category:

Статья: ЧТО ТАКОЕ GPS?


Решил выложить статью ЧТО ТАКОЕ GPS. Я в данном случае был в качестве редактора, но т.к. статья оплачена за мой счет в т.ч., да и отредактирована тоже, считаю, что имею право приписать ее к "своим". Автор же статьи предпочел скрыться под псевдонимом Nick. Но я его знаю :)

Статья написана в декабре 2007 года, но актуальна и по сегодняшний день в большинстве своем! Из статьи можно узнать, что такое GPS, как работает эта навигационная система, и ответ на главный вопрос: СКОЛЬКО НУЖНО ПЛАТИТЬ, И НУЖНО ЛИ, ЗА ПОЛЬЗОВАНИЕ GPS? А вы не знали, какова абонентская плата за GPS? Читайте статью!


Что такое GPS?

Современные технологии входят в нашу жизнь широкими шагами. Совсем недавно, чтобы ориентироваться в мегаполисе или на бескрайных дорогах нашей необъятной Родины, нужна была куча карт, периодически извлекаемая из «бардачка». На смену затертым атласам приходит система навигации в пространстве – GPS. К плюсам этой системы можно отнести маленький размер навигаторов, большое количество карт, загружаемое в устройство, удобство и простота в эксплуатации. Кроме того, GPS дает возможность не задумываться, когда и куда надо свернуть, какой путь будет оптимальным – GPS-навигатор все расскажет и подскажет. И самое главное – пользование этим сервисом абсолютно бесплатно! К минусам можно отнести только то, что сами GPS-навигаторы пока что стоят достаточно ощутимых денег, но из-за конкуренции и внедрения новых технологий этот минус сводится на нет. Несмотря на возрастающую популярность этого сервиса, многие плохо представляют, что это такое и «с чем его едят». Целью этой статьи будет на максимально доступном уровне объяснить, что такое GPS, проследить историю возникновения этого сервиса, основные принципы его работы, и сделать мини-обозрение GPS-навигаторов и программ для GPS.


История GPS

Итак, GPS (Global Positioning System) – это глобальная система позиционирования, позволяющая определить точное месторасположение в любом месте земли. Идея GPS зародилась у американских военных в 50-е годы прошлого века. Этот сервис позиционировался как точная система наведения для межконтинентальных ракет. В 1978 был запущен первый спутник, положивший начало эры GPS. В те далекие годы этот сервис был недоступен для гражданских лиц. Ситуация изменилась в 1983 году, когда советская система ПВО сбила заблудившийся корейский самолет с пассажирами на борту. Стало ясно, что старые методы ориентирования в пространстве не подходят для современного мира с его сложной политической обстановкой (не забываем, что холодная война еще не закончилась). После этого события президент США Рейган разрешил использование GPS в гражданских целях. Большой минус был в том, что точность позиционирования была искусственно занижена. Разница в показаниях приборов с реальным местоположением могла достигать 100м. Этот минус упразднил в 2000 году президент Клинтон. Через несколько лет технологии развились до такого уровня, что GPS-приемники помещались на нескольких интегрируемых платах и размером могли сравниться с упаковкой дискет. Именно на это время пришлось начало расцвета массового гражданского использования GPS. В настоящее время на околоземной орбите находится 24 спутника, все они запущены с мыса Канаверал, последний спутник был выведен на орбиту в 1993 году. Сейчас у американской GPS появляются конкуренты - это в первую очередь российская ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) и европейская система Galileo. Также наращивает темпы подготовки Китайская навигационная система, но ее мы пока рассматривать не будем.. Остановимся на первых двух подробнее.

ГЛОНАСС была разработана под занавес противоборства США и СССР, в 1982. В 1983 начался прием сигналов. В связи с нестабильной обстановкой в СССР, а потом и в России, проект неоднократно откладывался. В период с 1993 до настоящего времени на орбиту было выведено в общей сложности 44 спутника. К сожалению, многие из них уже не функционируют. Официальной датой принятия системы в эксплуатацию состоялось 24 сентября 1993 года. Из-за недостаточного финансирования к 2002 году на орбите осталось только 8 спутников. Возрождение ГЛОНАСС началось в конце 2005 года, когда президент России В.В. Путин издал распоряжение правительству, по которому до 2008 система снова должна функционировать в полном объеме. В настоящее время ведутся разработки компактных навигаторов, которые будут работать по спецификации GPS и ГЛОНАСС. Будем надеяться, что на этот раз все получится и через каких-то 2-3 года в техническом описании каждого навигатора будет значиться гордое «поддерживает стандарты GPS и ГЛОНАСС».

Датой рождения проекта Galileo считается 26 мая 2003 года, когда Европейским Союзом и Европейским Космическим Агентством было принято решение о создании собственной навигационной системы, которую предполагается использовать исключительно в гражданских целях. Развитие Galileo задерживается из-за разногласий стран Евросоюза в вопросе инвестиций. Так, например, Франция активно поддерживает развитие системы, которое означает независимость от США, в то время как другие страны считают более выгодным использовать бесплатную GPS. Капиталовложения в Galileo достигли 1.1 миллиарда евро. До конца 2010 года планируется вывести на орбиту 30 спутников. Интересна особенность этого проекта – она будет бесплатной для всех, но точные сигналы будут передаваться за деньги.


Принцип работы GPS

С историей GPS все ясно, теперь разберемся, каким образом GPS может указывать месторасположение с точностью до нескольких метров с помощью спутников.



В основе лежит 5 принципов:
1. Определение местоположения по удаленности от спутников.
2. Измерение удаленности от спутников.
3. Точная синхронизация по времени.
4. Вычисление точного местонахождения спутника на орбите.
5. Учитывание отклонений.

Принцип первый: Определение местоположения по удаленности от спутников.



GPS основана на нахождении координат по удаленности от нескольких спутников. Спутники работают как точки отсчета. Например, если мы находимся на расстоянии 10000 км от спутника, следовательно, мы расположены в сфере вокруг спутника радиусом 12000км(R1). Если измерить расстояние до второго спутника – 11000км(R2), то получится, что мы находимся уже в линии пересечения 2х сфер, т.е. внутри окружности. Затем, получив расстояние до 3го спутника – 10000км(R3), окажется, что наши координаты могут находится в 2х точках – там где сфера в 10000 км пересекается с окружностью, получившейся от первых двух сфер. Как правило, одну из этих точек можно не принимать в расчет, т.к она либо движется с большой скоростью, либо находится под поверхностью земли. Современные GPS-приемники оснащены различными устройствами, отличающими реальное местонахождение от фиктивного.


Принцип второй: Измерение удаленности от спутников.

Несмотря на всю сложность GPS, измерение расстояния от спутника до приемника определяется по старой школьной формуле «расстояние равно скорости, умноженной на время движения». Таким образом, GPS работает измеряя время, за которое сигнал доходит от спутника до нас, и на основе этого времени вычисляет расстояние. Зная скорость распространения радиоволн в пространстве (300 000 км/с, это тоже проходили в школе), вся сложность определения расстояния сводится к точному измерению времени, за которое сигнал доходит до GPS-приемника. Достигается это за счет использования на спутниках точнейших атомных часов, работающих с наносекундной точностью, стоимость которых составляет несколько миллионов долларов. Спутники и приемник синхронизируются так, чтобы генерировать код одновременно. Остается только принять сигнал со спутника и выявить отставание приема кода от его генерирования на приемнике. Коды усложняются специально, чтобы их можно было надежно и однозначно сравнивать. Называются такие коды «псевдослучайными последовательностями» и генерируются каждую миллисекунду.


Принцип третий: Точная синхронизация по времени.

Как уже упоминалось выше, на спутниках стоят сверхточные атомные часы, стоящие миллионы долларов. Но на GPS-приемники такие часы невозможно установить из финансовых соображений. Чтобы обойти эту проблему, разработчики GPS изобрели технологию, позволяющую получить почти такие же точные часы. Суть этой технологии заключается в дополнительном вычислении. Как только происходит сдвиг от универсального времени, приемники производят корректировку для синхронизации часов и определения точной позиции. Чтобы это условие выполнялось, необходимо, чтобы приемник имел не менее четырех каналов для одновременных измерений.


Принцип четвертый: Вычисление точного местонахождения спутника на орбите.

До рассмотрения этого принципа мы считали, что точно знаем местонахождение спутника в пространстве. Но как узнать, где находится спутник, движущийся с огромной скоростью и на очень большой высоте? Ответ прост: спутники находятся на такой высоте, что земная атмосфера никак на них не влияет, следовательно, их орбиту можно описать простыми математическими выражениями. Орбиты спутников изначально вшиты в память GPS-приемника (так называемый «альманах»), исходя их которых известно, где будет находиться каждый спутник в любой момент времени. Чтобы обеспечить более совершенное функционирование системы, за спутниками следят наземные станции. Обращаясь вокруг планеты за 12 часов, GPS-спутники 2 раза в сутки синхронизируются со станциями, в результате чего вычисляется их высота, положение и скорость. После этого вся вычисленная информация посылается обратно на спутник, заменяя там предыдущие значения. Кроме последовательности псевдослучайных кодов со спутника посылаются еще и информационные сообщения о своем точном положении на орбите и о состоянии своих бортовых систем. GPS-приемники используют эту информацию наряду со вшитыми данными для того, чтобы определить точное положение спутника в пространстве.


Принцип пятый: Учитывание отклонений.

Несмотря на совершенность системы, существуют 2 источника погрешностей. Первая, и наиболее значимая, погрешность возникает из-за прохождения сигналами ионосферы Земли – слоя заряженных частиц на высоте от 120 до 200 км. Эти частицы существенно влияют на скорость распространения радиосигналов, что влечет за собой ошибочность вычисления расстояний до спутников, поскольку они построены на предположении, что скорость распространения радиоволн строго постоянна. Есть 2 способа решения этой проблемы. Первый способ основан на том, что мы можем достаточно точно предугадать, каково будет изменения скорости на типичный день, а потом вносить поправки во все измерения. Большой минус этого принципа заключается в том, что далеко не каждый день является типичным. Второй способ заключается в сравнении скоростей распространения двух сигналов, имеющих разные частоты несущих колебаний. Таким образом, если сравнить время распространения двух разночастотных компонент сигнала GPS, то можно выяснить, какое замедление имело место. Такой метод корректировки сложен и используется самых точных, «двухчастотных» приемниках. После того, как сигналы GPS пересекли ионосферу они входят в атмосферу. Водяные пары в воздухе также могут влиять на радиосигналы. Это вторая погрешность, которую тоже сложно скорректировать. К счастью, их суммарный вклад в погрешность местоположения значительно меньше, чем ширина обычной улицы. Стоит упомянуть о таком режиме работы спутников, как S/F(Selective Availability – ограниченный доступ). Этот режим разработан для того, чтобы не дать возможному противнику преимущества в определении местоположения с помощью GPS(не забываем, что GPS в первую очередь военная разработка!). В этом режиме погрешности настолько высоки, что вычислить точное месторасположение невозможно.


Терминология GPS

Путевая точка (POI – “point of interest”) – отметка на карте, созданная разработчиками или пользователем, которая хранится в памяти навигатора. Путевыми точками могут быть любые места, представляющие интерес для хозяина девайса – кафе, магазин, место работы, место, где стоят гаишники с радаром и т.д. Путевым точкам можно давать имена, делая таким образом записи более понятными. В памяти современных GPS-навигаторов может храниться от 1000 до 3000 путевых точек. POI можно синхронизировать с компьютером, обмениваться с другими людьми, что очень удобно, ведь в этом случае отпадает необходимость объяснять, как добраться до конкретного места (это все за вас сделает навигатор), достаточно только сообщить координаты.

Траектория – это последовательность точек, которые навигатор записывает при движении. Этим точкам, в отличие от POI, нельзя присваивать имена. Из этих точек складывается пройденный нами путь, который потом можно будет сохранить, синхронизировать с компьютером, а также увидеть на карте перемещение. Частоту записи точек траектории можно установить вручную (например, одна точка каждые 5 метров пути, или каждые 5 секунд движения), а можно установить автоматический режим.

Маршрут – это последовательность движения от одной POI к другой. После прохождения очередной путевой точки навигатор переключается на следующую. Большинство современных устройств поддерживает автопрокладку маршрута, но если этот маршрут нас не устраивает, его можно вручную скорректировать или изменить.

Альманах – это постоянно обновляемая информация, поступающая от спутникового созвездия. Благодаря альманаху навигатору известно, где находится каждый спутник в любой момент времени, что позволяет быстро находить спутники, не прибегая к холодному старту.

Холодный старт – процесс первого запуска навигатора. При включении навигатор не содержит информации о местоположении спутников и вынужден искать их самостоятельно. Эта процедура может занимать около 10 минут.

Горячий старт – процесс запуска навигатора, который был на некоторое время (меньше получаса) выключен. Процедура позиционирования происходит быстро, так как приемник ищет спутники по уже существующему альманаху.


Карты для GPS

Все карты для GPS-навигаторов можно разделить на 2 типа – векторные и растровые. Векторные карты - по сути, не карта даже, а база данных, содержащая в себе информацию об объектах, их местоположении в пространстве и относительно друг друга. Когда такая карта загружается, программа навигации строит изображение на основе информации из базы. Преимущество таких карт в том, что весят они меньше растровых аналогов, т.к. не содержат графических файлов, которые занимают много места на карте памяти. Кроме того, векторные карты можно масштабировать фактически без ограничений. Максимум, до которого можно увеличить карту – 5 м к 1 см, а минимум – 800 км к 1 см. В первом случае мы сможем увидеть на экране среднестатистического коммуникатора дом, а во втором – внушительную часть европейской половины России, правда практического смысла в таком уменьшении не будет – конкретную информацию о маршруте нельзя будет рассмотреть физически. Помимо всего этого, векторные карты позволяют осуществлять поиск по номерам домов и названиям улиц. Все современные карты содержат информацию по сложным развязкам, поворотам, некоторые, например Навител Навигатор и Автоспутник, даже содержат постоянно обновляемые через интернет данные о пробках. Недостатком векторных карт является трудоемкость. К примеру, для того чтобы сделать 1 лист векторной карты необходимо около 2-4 недель.

Намного проще устроены растровые карты. Фактически это обыкновенные отсканированные в формате bmp или jpeg карты местности. Поэтому и масштаб зависит только от сканируемого оригинала. Максимум, который используется, составляет 1 км к 1м, естественно, существуют и более мелкие масштабы – 2, 5, 10, 20, а также 25 км к 1 см. Процесс прокладки маршрута на карте называют трекингом. Обычно трек вручную рисуют в специализированных программах, но можно воспользоваться и готовыми вариантами из интернета. С теорией покончено, теперь переходим к практике.


GPS-навигаторы

Все навигаторы можно разделить на 3 типа - персональные (портативные), авиационные и морские.

Морские. GPS приемники, оснащенные ультразвуковым эхолотом, а также дополнительными сменными картриджами с картографической и гидрографической информацией для конкретных береговых районов.



Авиационные. GPS приемники, используемые для пилотирования летательных аппаратов, включая коммерческий авиатранспорт. Причем, самолеты и вертолеты изначально оснащаются этой системой, и она входит в бортовой комплект современной авиатехники.

Морские и авиационные навигаторы очень похожи на портативные, но в основном имеют более богатый набор сервисных функций и признаны наиболее надежными. Соответственно и цена за них гораздо выше.

Портативные GPS. А вот тут остановимся подробнее. GPS-навигатор может быть полноценным устройством с дисплеем, памятью и т.д. (например, автомобильные), а может быть и дополнительным модулем к компьютеру или КПК.

Автомобильные GPS-навигаторы:



Удобство этого типа в том, что они имеют большой цветной дисплей, оснащены системой голосового предупреждения водителя (совсем продвинутые оснащаются играми, либо возможностями мультимедиа) и, как правило, имеют на борту слоты для карт памяти, USB-разъем и bluetooth, что позволяет без проблем синхронизировать данные навигатора с компьютером. Большой минус автонавигаторов заключается в невозможности сменить софт управления навигацией. Стоимость: от 7000 до 15000 рублей.


Коммуникаторы, смартфоны и КПК с модулем GPS:

Коммуникаторы, смартфоны и КПК обладают собственной ОС, памятью, процессором и изначально предполагались для других задач. В этом типе устройств GPS-модуль играет опциональную роль. Приблизительно год назад модуль навигации стали добавлять все уважающие себя производители. Сегодня эта тенденция сохраняется.



Большой плюс этих устройств в том, что в отличие от автомобильных навигаторов, на них можно менять программу управления навигацией. Это очень удобно, т.к. программ достаточно много и идеальной, которая удовлетворяла бы всех, не существует, поэтому, чтобы найти наиболее подходящую версию, не нужно покупать другой навигатор, а можно просто поставить софт от другого производителя. Стоимость: от 10000 до 30000 рублей.


Теперь рассмотрим варианты подключаемых к КПК GPS-модулей:



Подключение по bluetooth. Соединение с КПК создается через беспроводную сеть bluetooth. Плюс в том, что не нужно никаких проводов и все слоты для карт памяти на КПК свободны, но за это приходится платить временем автономной работы связки. Стоимость в среднем около 100-150$.



Подключение через SDIO. В данном случае используется любой свободный SD слот на КПК, поддерживающем технологию SDIO. Неудобства в том, что уменьшается время автономной работы устройства (встроенных аккумуляторов в SDIO-модулях обычно нет). Стоимость: 3000 – 4000 рублей.



Подключение посредством CF. Это уже умирающий тип GPS-модулей, т.к. КПК с CF-слотами для карт памяти уже почти не выпускают. Разница между SDIO и CF только в типе слота для подключения. Стоимость: 2000 – 3000 рублей.

Теперь перейдем к краткому обзору GPS-софта, без которого полноценная работа GPS невозможна.


Программы для GPS

Наиболее часто используемыми программами в современных коммуникаторах с GPS-модулем и автомобильных навигаторах являются:

1. Навител Навигатор



Навител Навигатор – это навигационная программа для коммуникаторов, имеющих на борту GPS-модуль. Для навигации используются подробные векторные карты с детализацией до номера дома, станциями метро и другой информацией, полезной как в городе, так и в туристическом походе. Навител Навигатор показывает текущее местонахождение на карте, голосом подсказывая, через какое расстояние и куда необходимо свернуть, чтобы следовать по проложенному маршруту, вычисляет расчетное время прибытия в заданную точку, отображает текущую скорость передвижения и др. Программа содержит в себе модуль СМИЛИНК, который позволяет оперативно загружать информацию о пробках и составлять маршрут, учитывая заторы на дорогах, что очень актуально в условиях мегаполиса. Есть и «ночной режим», при котором карта окрашивается в темные тона, не раздражая глаз.

В настоящее время имеются карты всех крупных городов и областей России (включая Челябинск и Курган), кроме того карты можно создавать и редактировать на компьютере. Постоянно выходят новые карты регионов России.


2. Автоспутник



В Автоспутнике используется переработанная система взаимодействия с GPS-навигатором, что дает прирост в скорости поиска и автоматическую настройку. Функция поиска позволяет найти около 20 000 улиц в различных городах, а также сотни тысяч домов в пределах Москвы, Подмосковья и Санкт-Петербрга. Кроме этого, на карте содержится 40 000 путевых точек, которые можно искать как по названиям, так и по местоположению на карте. Программа указывает, когда надо совершать маневры (в том числе сложные развязки на магистралях) голосом. Существует «ночной режим», который удобно использовать в темное время суток, в этом режиме экран навигатора не отвлекает от дороги и не ослепляет. Помимо этого отображается скорость движения, предсказывается расчетное время прибытие в точку назначения.


3. IGo



IGo My Way очень легка в освоении пользователем. Функции доступны из любой части программы буквально в 2 касания. Можно выбрать любой ранее сохраненный конечный пункт и получить маршрут в течении нескольких секунд. В случае отклонения от маршрута программа автоматически пересчитает и выведет новый маршрут. Есть возможность выбрать один из возможных видов карты – плоскую или объемную. Интересна функция автоматического масштабирования в зависимости от скорости передвижения. Программа сама переключается между дневным и ночным режимом в зависимости от текущего времени восхода и заката.


4. Garmin Navigator



Как и все предыдущие программы навигации, Garmin позволяет быстро найти нужный нам адрес, а также различные POI. Если в процессе езды мы отклонились от маршрута, то новый рассчитается автоматически. Программа может запомнить адрес дома, что очень удобно – не нужно каждый раз указывать адрес, а просто выбрать в меню пункт «Go Home» и маршрут автоматически рассчитается. Поддерживается функция расчета времени прибытия в заданную точку, отображается скорость передвижения, работают голосовые предупреждения о поворотах.


5. TomTom



В последней (7й) версии помимо стандартных, реализованы следующие интересные функции:
• Help me! Содержаться телефоны и координаты экстренных служб с возможностью прокладки маршрута как на автомобиле, так и пешком до ближайшего пункта
• Tom Tom Map Share – система для редактирования и обновления карт. Изюминка в том, что измененную карту можно опубликовать для использования другими владельцами навигаторов Tom Tom.
• Управление голосом. Теперь адрес можно не только вводить с экрана, но и продиктовать навигатору.

Говоря о программах навигации стоит также упомянуть российскую систему оповещения водителей о пробках СМИЛИНК.



В Москве эта служба охватывает все важные транспортные магистрали и улицы. Информация о пробках поступает в аналитический центр от видеокамер, специальных детекторных комплексов, водителей, спецполка ДПС на МКАД, а также от ремонтно-эксплуатационных служб. Использование этой услуги – платное.


Заключение

Ну, вот и все. Теперь мы знаем, как появилась GPS, основные принципы работы спутниковой навигации, имеем представление о типах современных GPS-приемников и программах навигации.


Не забывайте, статья конца 2007 года. Сейчас софта больше, пробочные сервисы тоже изменились, появились Навител.Пробки, СМИЛИНК приобрела компания Яндекс, теперь это составляющая Яндекс.Пробок, также показал себя с хорошей стороны Ситигид. Но теория в целом осталась преждней.
< /lj-repost>

Аренда дома со всеми удобствами: аренда коттеджа.
Tags: cвое, навигация, статьи
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments