Одна из двух крупнейших глобальных систем позиционирования через спутник - GPS - может быть задействована в стандартном формате или же в виде сервиса A-GPS. В чем основные особенности данных технологий?

Факты о GPS

Система GPS предназначена для определения географических координат объекта, на котором размещены приемник, навигатор или иное устройство, способное принимать сигналы GPS со спутника. Данная система предполагает использование стандарта WGS 84, позволяющего в трехмерном измерении определять координаты объекта на поверхности Земли с точностью до 2 см. Кроме того, навигация по технологии GPS позволяет также измерять скорость перемещения приемника или аналогичного ему девайса по поверхности Земли.

Факты об A-GPS

Технология A-GPS дополняет стандарт GPS сразу в нескольких аспектах. В первую очередь - в части ускорения работы используемых в навигации приемников. Дело в том, что определение координат только через спутники предполагает значительную нагрузку на аппаратные ресурсы данного устройства. Но если дать приемнику возможность задействовать вспомогательные источники определения своего месторасположения (те, что применяются в инфраструктуре A-GPS), то он будет работать заметно быстрее.

GPS-навигатор, поддерживающий технологию A-GPS, загружается значительно быстрее тех девайсов, что не совместимы с соответствующим стандартом. Кроме того, A-GPS позволяет ощутимо улучшить стабильность непрерывного отслеживания координат приемника: сигнал со спутника не всегда устойчив (особенно в условиях города), и задействование вспомогательных каналов определения месторасположения навигатора в этом смысле может стать критическим условием выполнения приемником своих пользовательских функций.

Какие конкретно вспомогательные каналы для определения координат навигатора задействуются при использовании технологии A-GPS? Как правило, это мобильный интернет - по технологии 3G или 4G. В ряде случаев подойдет связь и через Wi-Fi.

Если 3G, 4G или Wi-Fi-каналы недоступны, то определение координат может осуществляться через базовые станции сотовых операторов. Правда, такой метод имеет сравнительно небольшую точность - до 20 метров, часто - в несколько сотен метров.

Сравнение

Главное отличие GPS от A-GPS в том, что первая технология предполагает определение географических координат навигатора через спутник, вторая - через альтернативные каналы (3G, 4G, Wi-Fi, базовые станции операторов).

Приемник, поддерживающий стандарт A-GPS, как правило, загружается намного быстрее, чем девайс, поддерживающий только «классические» GPS-каналы. Это возможно за счет оперативного получения координат, а в некоторых случаях - также обновления карт через интернет или сотовые каналы.

Кроме того, навигатор, совместимый с технологией A-GPS, может выполнять свои функции в тех случаях, когда сигнал со спутника очень слабый или отсутствует вовсе. Разумеется, только если альтернативные каналы получения координат девайса работают.

Определив, в чем разница между GPS и A-GPS, зафиксируем выводы в таблице.

Спутниковая навигация GPS давно уже является стандартом для создания систем позиционирования и активно применяется в различных трекерах и навигаторах. В проектах Arduino GPS интегрируется с помощью различных модулей, не требующих знания теоретических основ. Но настоящему инженеру должно быть интересно разобраться со принципом и схемой работы GPS, чтобы лучше понимать возможности и ограничения этой технологии.

Схема работы GPS

GPS – это спутниковая навигационная система, разработанная Министерством обороны США, которая определяет точные координаты и время. Работает в любой точке Земли в любых погодных условиях. GPS состоит из трех частей – спутников, станций на Земле и приемников сигнала.

Идея создания спутниковой навигационной системы зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. Американская группа ученых, наблюдающая за запуском советских спутников, заметила, что при приближении спутника частота сигнала увеличивается и уменьшается при его отдалении. Это позволило понять, что возможно измерить положение и скорость спутника, зная свои координаты на Земле, и наоборот. Огромную роль в развитии навигационной системы сыграл запуск спутников на низкую околоземную орбиту. А в 1973 году была создана программа «DNSS» («NavStar»), по этой программе спутники запускались на среднюю околоземную орбиту. Название GPS программа получила в том же 1973 году.

Система GPS на данный момент используется не только в военной области, но и в гражданских целях. Сфер применения GPS много:

• Мобильная связь;
• Тектоника плит – происходит слежение за колебаниями плит;
• Определение сейсмической активности;
• Спутниковое отслеживание транспорта – можно проводить мониторинг за положением, скоростью транспорта и контролировать их движение;
• Геодезия – определение точных границ земельных участков;
• Картография;
• Навигация;
• Игры, геотегинт и прочие развлекательные области.

Важнейшим недостатком системы можно считать невозможность получения сигнала при определенных условиях. Рабочие частоты GPS лежат в дециметровом диапазоне волн. Это приводит к тому, что уровень сигнала может снизиться из-за высокой облачности, плотной листвы деревьев. Радиоисточники, глушилки, а в редких случаях даже магнитные бури также могут мешать нормальной передаче сигнала. Точность определения данных будет ухудшаться в приполярных районах, так как спутники невысоко поднимаются над Землей.

Навигация без GPS

Поправки в полученные уравнения вносит расхождение между расчетным и фактическим положением спутника. Погрешность, которая возникает в результате этого, называется эфемеридной и составляет от 1 до 5 метров. Также свой вклад вносят интерференция, атмосферное давление, влажность, температура, влияние ионосферы и атмосферы. Суммарно совокупность всех ошибок может довести погрешность до 100 метров. Некоторые ошибки можно устранить математически.

Чтобы уменьшить все погрешности, используют дифференциальный режим GPS. В нем приемник получает по радиоканалу все необходимые поправки к координатам от базовой станции. Итоговая точность измерения достигает 1-5 метров. При дифференциальном режиме существует 2 метода корректировки полученных данных – это коррекция самих координат и коррекция навигационных параметров. Первый метод использовать неудобно, так как все пользователи должны работать по одним и тем же спутникам. Во втором случае значительно увеличивается сложность самой аппаратуры для определения местоположения.

Существует новый класс систем, который увеличивает точность измерения до 1 см. Огромное влияние на точность оказывает угол между направлениями на спутники. При большом угле местоположение будет определяться с большей точностью.

Точность измерения может быть искусственно снижена Министерством обороны США. Для этого на устройствах навигации устанавливается специальный режим S/A – ограниченный доступ. Режим разработан в военных целях, чтобы не дать противнику преимущества в определении точных координат. С мая 2000 года режим ограниченного доступа был отменен.

Все источники ошибок можно разделить на несколько групп:

• Погрешность в вычислении орбит;
• Ошибки, связанные с приемником;
• Ошибки, связанные с многократным отражением сигнала от препятствий;
• Ионосфера, тропосферные задержки сигнала;
• Геометрия расположения спутников.

Основные характеристики

В систему GPS входит 24 искусственных спутника Земли, сеть наземных станций слежения и навигационные приемники. Станции наблюдения требуются для определения и контроля параметров орбит, вычисления баллистических характеристик, регулировка отклонения от траекторий движения, контроль аппаратуры на бору космических аппаратов.

Характеристики навигационных систем GPS :

• Количество спутников – 26, 21 основной, 5 запасных;
• Количество орбитальных плоскостей – 6;
• Высота орбиты – 20000 км;
• Срок эксплуатации спутников – 7,5 лет;
• Рабочие частоты – L1=1575,42 МГц; L2=12275,6МГц, мощность 50 Вт и 8 Вт соответственно;
• Надежность навигационного определения – 95%.

Навигационные приемники бывают нескольких типов – портативные, стационарные и авиационные. Приемники также характеризуются рядом параметров:

• Количество каналов – в современных приемников используется от 12 до 20 каналов;
• Тип антенны;
• Наличие картографической поддержки;
• Тип дисплея;
• Дополнительные функции;
• Различные технические характеристики – материалы, прочность, защита от влаги, чувствительность, объем памяти и другие.

Принцип действия самого навигатора – в первую очередь устройство пытается связаться с навигационным спутником. Как только связь будет установлена, происходит передача альманаха, то есть информации об орбитах спутников, находящихся в рамках одной навигационной системы. Связи с одним только спутником недостаточно для получения точного местоположения, поэтому оставшиеся спутники передают навигатору свои эфемериды, необходимые для определения отклонений, коэффициентов возмущения и других параметров.

Холодный, теплый и горячий старт GPS навигатора

Включив навигатор впервые или после долгого перерыва, начинается долгое ожидание для получения данных. Долгое время ожидания связано с тем, что в памяти навигатора отсутствуют либо устарели альманах и эфемериды, поэтому устройство должно выполнить ряд действий по получению или обновлению данных. Время ожидания, или так называемое время холодного старта, зависит от различных показателей – качество приемника, состояние атмосферы, шумы, количество спутников в зоне видимости.

Чтобы начать свою работу, навигатор должен:

• Найти спутник и установить с ним связь;
• Получить альманах и сохранить его в памяти;
• Получить эфемериды от спутника и сохранить их;
• Найти еще три спутника и установить с ними связь, получить от них эфемериды;
• Вычислить координаты при помощи эфемерид и местоположения спутников.

Только пройдя весь этот цикл, устройство начнет работать. Такой запуск и называется холодным стартом .

Горячий старт значительно отличается от холодного. В памяти навигатора уже имеется актуальный на данный момент альманах и эфемериды. Данные для альманаха действительны в течение 30 дней, эфемерид – в течение 30 минут. Из этого следует, что устройство выключалось на непродолжительное время. При горячем старте алгоритм будет проще – устройство устанавливает связь со спутником, при необходимости обновляет эфемериды и вычисляет местоположение.

Существует теплый старт – в этом случае альманах является актуальным, а эфемериды нужно обновить. Времени на это затрачивается немного больше, чем на горячий старт, но значительно меньше, чем на холодный.

Ограничения на покупку и использование самодельных модулей GPS

Российское законодательство требует от производителей уменьшать точность определения приемников. Работать с незагрубленной точностью может производиться только при наличии у пользователя специализированной лицензии.

Под запретом в Российской Федерации находятся специальные технические средства, предназначенные для негласного получения информации (СТС НПИ). К таковым относятся GPS трекеры, которые используются для негласного контроля над перемещением транспорта и прочих объектов. Основной признак незаконного технического средства – его скрытность. Поэтому перед приобретением устройства нужно внимательно изучить его характеристики, внешний вид, на наличие скрытых функций, а также просмотреть необходимые сертификаты соответствия.

Также важно, в каком виде продается устройство. В разобранном виде прибор может не относиться к СТС НПИ. Но при сборе готовое устройство уже может относиться к запрещенным.

Все чаще смартфоны используются их владельцами в качестве навигаторов, так как очень удобно всегда иметь под рукой компактное устройство, позволяющее определить свое местоположение или построить маршрут до нужного объекта.

Связывается со спутниками на орбите, получая от них сигнал, и показывает на карте свои координаты. Иногда в силу различных обстоятельств обнаружение доступных спутников может быть затруднено и занимает длительное время. Это происходит в зданиях, тоннелях, а также вблизи источников электромагнитного излучения. Даже на открытом воздухе в крупных городах с плотной застройкой могут наблюдаться перебои со спутниковым сигналом.

Для исправления этой ситуации используется функция A-GPS, которая есть в большинстве современных смартфонов.

Технология A-GPS

A-GPS - технология, предоставляющая GPS-модулю дополнительную информацию о наиболее доступных спутниках и интенсивности их сигнала. При включении навигации смартфон практически мгновенно определяет свое местоположение на карте, а поиск спутников возможен даже в закрытых помещениях, а межэтажные перекрытия не являются помехой.

Успешный старт A-GPS произошел в США осенью 2001 года в рамках коммуникационных сетей национальной службы спасения (911).

Как работает A-GPS?

Для получения актуальной информации данная технология использует альтернативные каналы связи. В случае с нашими смартфонами это интернет, предоставляемый сотовым оператором или через Wi-Fi.

A-GPS связывается со своими серверами, передавая сведения о местонахождении, которое определяется по базовым станциям (вышкам) оператора. В ответ с этих серверов поступают свежие сообщения об активных спутниках в данной местности. Используя их, геолокационный модуль смартфона оперативно устанавливает связь с нужными спутниками, не тратя время на поиск всех подряд. Чем больше базовых станций вокруг смартфона, или чем ближе пользователь находится к сотовой вышке, тем точнее регистрируется местоположение смартфона, а значит правильнее информация об имеющихся спутниках.

Плюсы и минусы A-GPS

Как мы видим, преимущества от наличия A-GPS неоспоримы. Это и быстрая установка связи со спутниками, и экономия батареи, так как при «холодном» старте и поиске сигналов модуль GPS интенсивно потребляет заряд аккумулятора. При этом связь с серверами потребляет очень мало интернет-трафика - до 10 килобайт за одну сессию. Важно, что A-GPS не требует участия пользователя, а обновление данных происходит автоматически по мере необходимости.

Но есть у данной функции и недостатки, хотя и незначительные. Она не обеспечит быструю связь со спутниками в местности с дефицитом вышек сотовых операторов или их отсутствием. Следовательно, в дали от цивилизации A-GPS бесполезен.

Несмотря на скромное потребление интернета, регулярное частое обновление и синхронизация A-GPS приведет к увеличению трафика. А при нахождении в роуминге, особенно международном, расходы на связь могут значительно увеличиться.

Как включить и отключить A-GPS?

При активации функции «Геоданные» (GPS-навигация, геолокация) смартфон предлагает выбрать метод определения . Пользователь может отдать предпочтение сохранению батареи или точности геолокации. Как правило, доступны следующие методы (названия пунктов меню могут различаться в зависимости от версии Android и производителя телефона):

• По всем источник (высокая точность). Определение местоположения происходит при помощи GPS, Wi-Fi и интернет-трафика мобильных сетей. Технология A-GPS активна.
• По координатам сети (сохранение заряда аккумулятора). Местоположение обнаруживается при помощи Wi-Fi и и мобильных сетей. Протокол GPS отключен, A-GPS активен.
• По спутникам GPS (только устройство). Определение местоположения исключительно по спутникам без использования дополнительных каналов связи. Технология A-GPS отключена.

Технология A-GPS необходима для нормальной навигации при помощи смартфона - ее можно использовать регулярно.

Это компьютер и приемник, заключенные в общий корпус. Приемник получает сигналы от спутников, находящихся на орбите, а компьютер, в свою очередь, расшифровывает эти сигналы и указывает местоположение приемника. В 1977 году был запущен GPS. Его запустили разработчики самой программы - американцы. Система GPS использовалась до 1983 года только военными, а уже после стала доступна для пользования обычных людей.

Многие владельцы GPS-навигаторов замечали, что в местах нахождения большого количества высоких сооружений и зданий устройство ищет спутники довольно продолжительное время. Решением этой проблемы стала система A-GPS.

Рассмотрим, что такое A-GPS и когда она необходима.

Учитывая то, что эта система достаточно молодая (ее дебют пришелся на 2001 год), вопрос о том, что такое A-GPS, в настоящее время актуален. Она, как и GPS, была разработана в США. A-GPS представляет собой систему, ускоряющую работу GPS-приемника в определении координат. Эта система пользуется сигналом, исходящим от вышек сотовой связи, соответственно, чем в видимости устройства этих вышек больше, тем выше точность определения расстояния. При каждом стартовом поиске спутников A-GPS предоставляет навигатору расположение наиболее близких спутников через специальные серверы. Узнав, что такое A-GPS, становится понятно, что с ее помощью работа GPS-навигатора станет гораздо эффективнее. Ведь благодаря совместной работе двух устройств определение местоположения ускоряется в разы.

Определившись, что такое A-GPS и GPS-навигатор, стоит уделить внимание GPS-трекеру. Это устройство предназначено для наблюдения через спутник за передвижением объекта, на котором «установлено» это маленькое электронное устройство. GPS-трекер представляет своеобразный «жучок», который без проблем можно спрятать, например, в салоне автомобиля, и таким образом отследить все дальнейшие перемещения данного объекта.

В основном, GPS-трекер включает в себя 2 устройства: GPS-приемник и GSM-модем. При помощи он имеет возможность определить координаты движения и скорость, а затем передать эти данные наблюдателю посредством GPRS-канала (через сотовую связь).

Узнав из нашей статьи все о навигаторах, можно смело приобретать это устройство, ведь в современном городе, особенно если просто невозможно обойтись без этой техники.

Глобальная система позиционирования – Global Positioning System – появилась в 50-е благодаря запуску спутника. Когда первый советский спутник вышел на орбиту, американцы обратили внимание: при отдалении он равномерно меняет частоту сигнала. Ученые проанализировали данные и поняли, что спутниковый сигнал позволяет точно определить координаты объектов на земле, а также скорость их передвижения. Первыми систему GPS взяли на вооружение военные: Министерство обороны запустило спутниковую навигацию в своих целях, но уже через несколько лет она стала доступна гражданским.

Сейчас на околоземной орбите находятся 24 спутника, которые передают сигналы привязки. Число спутников периодически меняется, но всегда остается достаточным, чтобы поддерживать бесперебойную работу Global Positioning System. На случай форс-мажора предусмотрены запасные спутники, и каждое десятилетие на орбиту выходят новые, модернизированные космические аппараты, потому что ничто не должно нарушить режим работы GPS.

Спутники вращаются по шести орбитам, образуя взаимосвязанную сеть. Ею управляют специальные станции GPS, которые расположены в тропиках, но связаны с координационным центром в Соединенных Штатах. Благодаря этой сети вы можете узнать точные координаты человека, машины или самолета со скоростью прохождения сигнала от спутников, то есть практически мгновенно, а точность показаний не зависит от погодных условий и времени суток. При этом само по себе использование Global Positioning System – бесплатное, и единственное, что нужно, чтобы пользоваться этой навигационной системой, – навигатор или другое устройство, поддерживающее функцию джипиэс.

Принцип работы GPS

В основе технологии – простой навигационный принцип маркерных объектов, который использовался задолго до появления GPS. Маркерный объект – это ориентир, координаты которого точно известны. Для определения координат объекта нужно знать также расстояние от него до маркерного объекта, тогда можно провести на карте линии в сторону маркеров от возможного местоположения: точка пересечения этих линий и будет координатами.

Спутники на околоземной орбите играют в GPS роль маркерных объектов. Они быстро вращаются, но их местоположение постоянно отслеживается, а в каждом навигаторе есть приемник, настроенный на нужную частоту. Спутники посылают сигналы, в которых закодирован большой объем информации, включая точное время. Данные точного времени – одни из самых важных для определения географических координат: ориентируясь на разницу между отдачей и приемом радиосигнала, спутники вычисляют расстояние между собой и навигатором.

Как работает GPS в смартфонах

Навигаторы – один из самых востребованных товаров на рынке гаджетов, по популярности их обгоняют только смартфоны. Но и в смартфоны производители встраивают чипы GPS, чтобы устройство могло выполнять функции навигатора. Однако здесь пользователя может подстерегать ловушка, потому что в погоне за прибылью производители допускают умышленные или случайные неточности в описании своего товара, позволяя покупателям перепутать технологии GPS и AGPS.

Джипиэс – бесплатная навигационная система высокой точности. Подписки на нее нет и быть не может, потому что американцы позволяют пользоваться своими спутниками для навигации безвозмездно. Владельцы смартфонов если и оплачивают, то только приложения или карты. У приемников GPS есть небольшие минусы: они работают только на улице, а из-за плохой погоды могут возникнуть проблемы с приемом сигнала от спутника, но эти недостатки решили с помощью технологии A-GPS (не путать с AGPS). Суть в том, что сигнал от приемника перенаправляют на сервер, на котором содержится вся информация о положении спутников, поэтому трудностей с приемом сигнала не существует. A-GPS используют все современные автомобильные навигаторы.

Но существует также сотовая навигация AGPS – она работает только в зоне покрытия сотовой сети и определяет местоположение с точностью до 500 м. Она менее точная в сравнении с GPS, дает общее представление о месте, где вы находитесь, зато предлагает спутниковую карту окрестностей. Важно, чтобы была подключена услуга мобильного интернета, а на счету оставались деньги. С сервисом AGPS работают Google Maps. Зачастую возможностей сотовой навигации достаточно, но ее все равно не стоит путать с точной и бесплатной системой GPS.

Виды GPS-устройств

Самое простое навигационное устройство – внешний приемник. Он обращается к спутникам и принимает от них сигнал, но чтобы вы могли воспользоваться информацией, приемник нужно подключить к другому устройству – например, смартфону или ноутбуку, благо, он совместим со всеми востребованными гаджетами и программами. В крайнем случае вам потребуется карта. Приемники GPS используют пешеходные туристы: устройство недорогое, а для расшифровки информации, которую оно принимает, можно пользоваться даже обычной туристической картой местности. Нужно лишь, чтобы на нее была наложена навигационная сетка.

Но самое востребованное сегодня GPS-устройство – это автомобильный навигатор. Он намного сложнее и функциональнее приемника: навигатор больше похож на уменьшенную версию компьютера. Весь необходимый софт уже установлен производителем, операционная система закрытая. К навигации прибавляют много дополнительных функций, включая выход в интернет.

Отдельный класс устройств – смартфоны со встроенными приемниками GPS. Не путайте их с моделями, использующими сотовую навигацию! Система работает на смартфонах не так гладко, как на самостоятельных устройствах. Не все модели позволяют поставить полноценный навигационный софт, а если пользоваться онлайн-решениями, то функция станет недоступна при отключении интернета, и тогда исчезнет одно из преимуществ технологии: постоянный доступ. Однако смартфоны со спутниковой навигацией подходят для пешеходов – ориентироваться удобно и данные точные, поэтому вы не заблудитесь даже в непроходимой чаще.