Технологией GPS пользуются не только автолюбители и таксисты. Она также популярна среди любителей попутешествовать на природе, рыбаков и просто людей, ведущих активный образ жизни и постоянно ходящих/ездящих туда-сюда. Если кому-то нужно узнать, где он находится, где расположена нужная ему локация, с какой скоростью он движетесь и как скоро достигнет цели, GPS придет на помощь.
Причина широкой популярности этой технологии кроется в следующем:
- зона действия покрывает весь земной шар;
- технология используется не только в дорогих защищенных GPS-трекерах, но и в сравнительно дешевых GPS-навигаторах для автомобилей и даже в смартфонах;
- за пользование GPS не нужно платить.
Подробнее о том что такое GPS
GPS - сокращение от английского понятия Global Positioning System, которое на русский переводится как «глобальная система позиционирования». Этот проект был задуман и реализован военным ведомством США исключительно в военных целях, но позже стал широко использоваться и для гражданских нужд.
Основой системы GPS являются 24 навигационных спутника NAVSTAR, составляющие единую сеть и расположенные на орбите Земли таким образом, чтобы из любой точки земного шара можно было получить доступ как минимум к 4 спутникам.
Работоспособность глобальной системы позиционирования контролируется с Земли станциями наблюдения, находящимися на Гавайских островах, в городе Колорадо-Спрингс (штат Колорадо), в атолле Кваджалейн и на островах Вознесения и Диего-Гарсия. Вся информация, собранная этими станциями, записывается, а затем передается на командный пункт, который расположен на военной базе ВВС США «Шрайвер» (штат Колорадо). Здесь производится корректировка навигационной информации и орбит спутников.
Вычисление координат GPS-трекера происходит по следующему принципу. От каждого навигационного спутника к находящемуся в их зоне доступа приемнику проходит радиосигнал. Задержка прохождения этого сигнала измеряется, и на основе этих измерений вычисляется расстояние до каждого спутника. Местонахождение приемника вычисляется на основе измерения расстояния от него до всех доступных спутников (в геодезии этот метод именуется триангуляцией), координаты которых известны и содержатся в передаваемых ими сигналах.
GPS-приемник способен не только определять свое местоположение, но и вычислять скорость движения, время, которое нужно затратить, чтобы достичь назначенного места, и показывать направление. Но это уже относится к возможностям не столько самой системы GPS, сколько программного обеспечения навигатора.
Об истории GPS и навигационных спутниках
Идеей создания системы спутниковой навигации американцы загорелись в далеких 1950-х, когда в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли. В 1973-м была запущена программа DNSS, которая позже была переименована в Navstar-GPS, а затем - просто в GPS. Первый спутник (тестовый) на орбиту был выведен в 1974 году.
После выведения на орбиту первого советского навигационного спутника ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) в 1982 году конгресс США выделил американским военным средства, чтобы ускорить работу. Первый рабочий спутник GPS был запущен в феврале 1978 года, а функционировать в полную силу система начала в конце 1993-го, когда свои места на орбите Земли заняли все 24 спутника.
Каждый навигационный спутник весит порядка 900-1000 кг, а в длину с раскрытыми солнечными батареями достигает 5 метров. Средний срок службы спутника - 10 лет. По истечении этого срока на смену выработавшему свой ресурс спутнику выводится новый.
О GPS-приемниках
Скорость вычисления координат при включении приемника, его чувствительность и точность позиционирования определяются чипсетом, которым он оснащен. Чипсеты для GPS-устройств изготавливают несколько производителей, но наиболее распространенным является SiRFstarIII от компании SiRf Technology.
Приемники с чипсетом SiRfstarIII отличаются коротким временем холодного старта (несколько секунд) и могут принимать сигналы одновременно от 20 спутников. Они очень чувствительны и позволяют определять координаты с высокой точностью.
В чем разница между GPS и A-GPS
В списке характеристик одних смартфонов указывается наличие GPS-модуля, других - A-GPS. Чем же отличаются эти модули?
Устройство с обычным GPS-приемником при холодном старте (когда системой навигации долго не пользовались) спутники может искать долго - время ожидания порою достигает 10 и более минут. Это объясняется тем, что GPS-приемник ищет спутники, не имея информации об их местоположении.
При использовании A-GPS устройство сразу же получает часть необходимой информации с помощью сети GPRS/3G (трафик не более 10 КБ). Таким образом, A-GPS представляет собою программную надстройку над GPS-приемником, которая значительно уменьшает время поиска спутников при холодном старте. Кроме того, эта надстройка позволяет увеличить точность определения местонахождения в зонах со слабым сигналом от спутников.
Есть, однако, у A-GPS один небольшой минус. В отличие от GPS, пользоваться которой можно абсолютно бесплатно, A-GPS приходится оплачивать согласно установленному вашим провайдером тарифу, поскольку она потребляет интернет-трафик (пусть и незначительный).
Практически каждый путешественник в наше время, путешествующий даже самым диким образом, почти не может обойтись без использования современных гаджетов. В данный момент на рынке представлено огромное количество техники, делающей нашу жизнь не только веселее и интересней, но еще и проще.
Как работает GPS-навигация?
GPS навигаторы - это незаменимая вещь как в путешествии, так и в обыденной жизни. Его преимущество заключается в том, что независимо от места вашего нахождения и наличия сотовой связи, он будет работать и определит ваши координаты.
GPS (Global Positioning System) - это глобальная система позиционирования, которая состоит из общей, единственной сети спутников. В путешествии GPS навигаторы могут быть различными, но самым оптимальным вариантом в нынешнее время является смартфон.
Современные смартфоны оснащены быстрыми процессорами, подходящими для навигатора дисплеем и достаточным объемом оперативной и внутренней памяти. Так что, если вдруг вы заблудитесь в лесу, это не станет для вас проблемой. Соответственно, с помощью смартфона с правильным программным обеспечением можно спланировать любой маршрут, узнать место вашего нахождения, рассчитать расстояния до определенного объекта, путь передвижения, среднюю скорость, а так же время от времени получать подсказки вдоль всего вашего маршрута.
При хороших условиях видимости погрешность определения оставляет от 6 до 15 метров. Турист даже с недорогим смартфоном (при наличии GPS навигатора, конечно) не потеряется в чужой стране, конечно, при условии, что он заранее скачал карты.
В чем преимущество A-GPS?
Иногда случается, что погодные условия или местность не позволяют определить место нахождения. Это происходит чаше всего в городах, где большое количество транспорта, тоннелей, небоскребов, они препятствуют хорошему сигналу. Именно для таких ситуаций была разработана технология A GPS (Assisted GPS).
Она ускоряет «холодный старт» GPS приемника. То есть ускоряет определение координат через иные доступные каналы связи. В данном случае это интернет вашего оператора. Сигнал о вашем местонахождении уже проходит не на прямую от спутника, а через базовые станции, которые позволяют ретранслировать сигналы GPS.
Превосходство A GPS в том, что для мобильной связи практически нет ограничений и работает он гораздо быстрее даже при слабом сигнале. Для получения данных через GPS устройству необходим доступ в интернет. Это несколько обязует. Оплата за доступ в интернет зависит от предоставляемых услуг вашего провайдера. Но трафик в данной ситуации очень мал, он передает исключительно числовое значение.
Заключение
Поддержка A GPS в вашем смартфоне 100% не будет лишней. Данная технология поможет найти дорогу там, где традиционная навигация не будет работать. Поэтому при выборе смартфона лучше учитывать ваш образ жизни и род деятельности. Вдруг вы окажетесь на необитаемом острове?
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.
«GPS» в списке технических характеристик планшетов уже воспринимается как данность. Да и ни одна современная модель без него не обходится. Вот только GPS-модули могут быть разных видов, а потому и функции предлагают разные. В чём отличия и что лучше выбирать?
Итак, A-GPS (assisted global positioning system), технология, модернизировавшая обычную GPS, в некотором плане её улучшив. A-GPS позволяет быстрее определять местоположение девайса, затрачивая вместе с тем и меньше энергии аккумулятора. Плюс, с A-GPS сигнал можно словить в труднодоступных зонах – например, в помещениях, многолюдных улицах мегаполиса и даже в тоннелях. Каким образом?
Технологии
То, сколько времени потребуется на определение вашего местоположения зависит от того, насколько актуален альманах, хранящийся в данном приёмнике, и эфемерид. Альманах передаётся посредством GPS-сигнала и представляет собой совокупную информацию о параметрах спутниковых орбит. Второй тип данных (эфемериды) – корректировка параметров часов, а также спутниковых орбит, без чего вообще невозможно было бы определить координаты. Эфемерид передаётся циклично – каждые 30 секунд спутники посылают данные на приёмники.
При работе обычного GPS-приёмника скорость определения местоположения будет зависеть от того, как долго он был отключён: чем дольше вас не было на связи, тем больше информации должен будет собрать модуль, чтобы не ошибиться в расчётах. Таким образом, 6 часов без активности заставят вас ждать около минуты, а несколько дней «вне сети» затребуют вплоть до 12 минут.
Различают «холодный», «тёплый» и «горячий» старт GPS – в зависимости от того, насколько актуальны альманах и эфемериды.
Обычный GPS-модуль эти данные получает напрямую от спутников, A-GPS работает через «посредников».
Суть изменений
Помимо времени ожидания, обычный GPS также требует и немалый расход энергии. Вот почему, уткнувшись в Google Maps можно и не заметить, как сел аккумулятор. Обе эти проблемы решает A-GPS, но только при одном очень важном условии: если есть доступ к Интернету. Без связи с удалённым сервером, предоставляющим данные для планшета, алгоритмы A-GPS работать, увы, не будут.
Для планшетов с 3G картой и фаблетов с SIM-картой в ход идут базовые операторские станции, благодаря которым точность определения местоположения может достигать 20 м. Чем больше базовых станций в округе (что характерно для крупных городов), тем точнее будут данные навигатора. Именно через них модуль способен так быстро получать данные о нахождении вашего устройства.
Сравнение
По логике вещей, A-GPS лучше обычного GPS модуля: точность определения координат планшета, скорость обработки данных и умеренное потребление заряда аккумулятора должны были сделать эту технологию вездесущей. Однако A-GPS – частое явление именно среди бюджетных планшетов (особенно китайского производства), в то время как флагманские модели оборудованы обычным GPS. В чём подвох?
Как упоминалось выше, технология A-GPS требует подключения к операторской сети – не все планшеты имеют слот для SIM-карт, и далеко не всегда находятся в зоне открытого Wi-Fi. Плюс, вычисление местоположения посредством A-GPS – это всегда использование траффика. Да, он незначителен и некоторые операторы предоставляют необходимые для навигации данные бесплатно, но всегда существует риск заплатить за желание узнать где вы всё-таки находитесь.
Модели и цены
Если вы планируете пользоваться не только Wi-Fi и готовы платить по счетам за 3G, тогда можно спокойно брать модели с A-GPS. Наличие SIM-карты кардинально меняет положение: вам достанется устройство, полное преимуществ. Например, Apple iPad mini 3 Wi-Fi + Cellular : система навигации работает быстро и корректно.
Или другой пример: в некоторых комплектациях тот же Asus MeMO Pad 7 идёт с A-GPS, но слот для SIM-карты не предусмотрен. Модель – одна из самых доступных в своей мощностной категории, однако определить ваше местоположение сможет только при наличии Wi-Fi. Так что, скажем, для авто в качестве навигатора она однозначно не подойдёт.
Обратите внимание, что львиная доля интернет-магазинов не уточняют, какой именно модуль стоит в том или ином планшете: напротив GPS стоит «галочка» – и дело с концом. Если в случае брендовых планшетов переживать не стоит – «GPS» в списке технических характеристик подразумевает именно GPS-модуль. То с «бюджетниками» нужно быть поосторожнее – можно купить абсолютно не то, что вам нужно.
Начнем с того, что GPS или Global Positioning System является глобальной системой позиционирования. Если сказать совсем просто, то данная система представляет из себя виртуальную карту, с помощью которой пользователь может определить свое местоположение. Стоит отметить, что названная выше система не имеет ничего общего с GPRS (General Packet Radio Service), поскольку последняя представляет из себя так называемую надстройку GSM для пакетной передачи данных для доступа к мобильному Интернету.
Если все же вернуться к технологии GPS, то ею пользуются не только автомобилисты, как многие думают. Сфера использования системы GPS намного шире. К примеру, она очень популярна среди путешественников, охотников, рыбаков и прочих людей, предпочитающих активное времяпрепровождение и которым время от времени требуется информация о собственном нахождении или местоположении той или иной локации. Кроме того, если необходима информация по скорости передвижения транспортного средства и ориентировочного времени прибытия к пункту назначения – GPS может стать незаменимым средством.
Отметим, что GPS-приёмники отличаются скоростью, с которой они с момента включения могут вычислить координаты, а также чувствительностью и точностью позиционирования. Все эти параметры зависят от чипсета, который оснащен GPS-приёмник. На рынке представлены чипсеты для GPS-устройств от целого ряда производителей, однако, самыми востребованными считаются чипсеты SiRfstarIII, которые производит компания SiRf Technology. Приёмники, в оснащение которых входит чипсет SiRfstarIII, демонстрируют короткое время так называемого холодного старта, когда системой навигации не пользовались продолжительное время, оно насчитывает пару секунд. К тому же эти чипсеты дают возможность приёма сигналов сразу от 20 спутников. Более того, GPS-приёмники с чипсетами SiRfstarIII считаются самыми чувствительными и обладают высокоточной способностью определения координат.
В чем же состоит разница между GPS и A-GPS?
Для начала стоит упомянуть о том, что в технических спецификациях смартфонов фигурирует информация о разных модулях. Если в одних речь идет о GPS-модуле, то в других – о A-GPS. Та в чем же их отличие? Если в оснащение устройства входит обычный GPS-приёмник, то в ходе холодного старта (что это такое – читайте выше) поиск может затянуться поскольку навигатор не может быстро найти спутник, причем это может продолжаться не одну минуту. Причина долгого поиска спутника GPS-навигатором проста – отсутствие информации о фактическом местоположении спутника.
Если в устройстве применена технология A-GPS, то необходимая информация в оперативном режиме поступает при помощи сети GPRS, 3G или LTE (4G) (трафик не превышает 12 Кб). По своей сути, A-GPS – это программная надстройка для GPS-приёмника, с помощью которой в значительной степени может быть сокращено время поиска спутника в рамках холодного старта. Как уже было отмечено, ускорение достигается в основном за счет альтернативных каналов связи. По большому счету, чтобы технология A-GPS функционировала, требуется канал связи с удаленным сервером, от которого поступает необходимая для GPS-приёмника информация. Если вернуться к мобильным аппаратам, то в их случае это Интернет-соединение сотовой связи или с помощью Wi-Fi.
Отметим, что надстройка A-GPS имеет как преимущества, так и недостатки. Если начать с преимуществ, то стоит отметить очень быстрое определение координат непосредственно после включения. Кроме того, технология усиливает чувствительность приёма слабого сигнала в так называемых мертвых зонах – тоннелях, в помещении, в долинах т.д. Тем не менее, существенным минусом в A-GPS невозможность работать там, где нет покрытия сотовой сети. Кроме того, применение A-GPS не может быть абсолютно бесплатным, как, к примеру, GPS. Это обусловлено потреблением интернет-трафика надстройкой A-GPS, которые необходимо оплачивать в зависимости от тарификации конкретного интернет-провайдера.