Поговорим о GPS. Часть 1. Общие сведения
В последнее время аббревиатура GPS все чаще стала встречаться на страницах газет и журналов, посвященных мобильным устройствам. При этом авторы статей очень редко дают пояснения по поводу особенностей конкретного GPS-устройства, пугая при этом читателя фразами типа "позволяет загружать данные об эфемеридах по GPRS" или "холодный старт проходит за 3-5 минут". При этом никакого объяснения достаточно специфическим понятиям не дается, что, в свою очередь, отпугивает потенциального покупателя. Ведь если я не понимаю, что же это такое, то оно мне, скорее всего, не нужно, правда? В первой статье цикла я простым языком расскажу, что такое GPS, принципы его работы, постараюсь объяснить специфические термины, связанные с GPS.
Теория GPS
Что такое GPS, и как она работает
Данные, получаемые с GPS-приемника
GPS — это первые буквы английских слов Global Positioning System — глобальная система определения местоположения. GPS состоит из 24 искусственных спутников Земли, сети наземных станций слежения за ними и неограниченного количества пользовательских приемников-вычислителей. GPS предназначена для определения текущих координат пользователя на поверхности Земли или в околоземном пространстве. Спутниковая навигационная система GPS состоит из 3-х основных частей: космической (навигационные спутники), наземной (комплексы управления спутниками и синхронизации) и GPS-приемники разного уровня и стоимости. Вращающиеся на высоте 20.000 км 24 спутника имеют такие орбиты, чтобы в любой точке планеты принимался сигнал минимум с 5 спутников. Станции слежения, расположенные вдоль экватора Земли, обеспечивают траекторными измерениями вычислительный центр, в котором рассчитываются, а затем экстраполируются на сутки вперед орбитальные дуги. После чего эфемериды транслируются на спутники, чтобы через них дойти до пользователя в навигационных сообщениях. GPS-спутники передают два вида сообщений: альманах и эфемерис. Альманах содержит данные об орбитах всех спутников. Каждый спутник передает альманах для всех остальных спутников. Данные альманаха не отличаются большой точностью и действительны несколько месяцев. Данные эфемериса содержат очень точные корректировки параметров орбит и часов для каждого спутника, что требуется для точного определения координат приемника. Каждый GPS-спутник передает только данные своего собственного эфемериса. Эти данные действительны только 30 минут. Спутники передают свой эфемерис каждые 30 секунд.
Координаты определены
Отсюда мы приходим к понятиям горячего и холодного старта GPS-приемника. Теплый старт происходит по прошествии более 30 минут с момента выключения приемника, ведь приемник должен заново получить и обработать данные эфемериса. Холодный старт происходит, если GPS-приемник будет включен на большом расстоянии от места предыдущего включения. В таком случае данные альманаха также становятся неверными, и приемник начинает обрабатывать их заново. Данные об эфемеридах можно получать не только с самих спутников, но и из Интернета. К примеру, очень точные данные об орбитах GPS-спутников можно получить на сайте международной некоммерческой службы под скромной аббревиатурой IGS, что расшифровывается как International GPS Service for Geodynamics. Точность предоставляемых данных об орбитах составляет около 5 сантиметров! Впрочем, такая точность нужна в основном геофизикам и геодезистам. В процессе работы GPS-приемник выполняет несколько основных этапов.
Получение данных альманаха
Основой GPS является "триангуляция" спутников. При "триангуляции" GPS-приемник измеряет расстояние, используя время прохождения радиосигналов. Для измерения этого времени GPS использует очень точный таймер. Вместе с расстоянием GPS-приемнику понадобится точно знать нахождение спутников в космосе. По идее, для определения координат можно было бы обойтись и сигналами двух спутников, однако это потребовало бы очень точных и дорогих атомных часов внутри приемника. На сегодняшний день обычный гражданский GPS-приемник позволяет определить координаты с точностью 3-5 метров при хороших условиях приема. Условия приема могут быть ухудшены плотной застройкой (а внутри зданий даже самые лучшие GPS-приемники практически не работают), деревьями и различными источниками радиопомех. По умолчанию координаты выдаются в системе WGS-84. В принципе, для нужд обычного человека этого достаточно. В судовых и авиационных GPS-системах дополнительно используются данные, получаемые с наземных радиомаяков и радиобуев.
Такие системы называются DGPS.
Практическое применение
Получение и обработка данных эфемериса
GPS применяется для нужд геодезии, используется для навигации судов в туманную погоду, отслеживания транспортировки ценных грузов, точной посадки самолетов, поиска кораблей и отслеживания опасных айсбергов и т.п. Но какую пользу GPS-приемник может принести обычному человеку? В первую очередь он будет полезен автомобилистам, особенно начинающим. Благодаря GPS-приемнику вы всегда будете знать, где вы находитесь в данный момент, и вечный вопрос "Куда это я заехал?" отпадет сам собой. Современное программное обеспечение для работы с GPS-приемниками позволяет не просто определить координаты (сами по себе они, в общем-то, мало кому интересны), а привязать их к карте, загруженной в память компьютера или самого GPS-приемника, если он поддерживает такую возможность. В качестве карты может быть использована как отсканированная бумажная карта или спутниковая фотография (спасибо Google Maps), так и специальная векторная карта, которая занимает куда меньше памяти в компьютере, а также имеет некоторые другие преимущества. К тому же, отсканированную карту придется привязывать — указать минимум две точки с известными координатами, а лучше больше. Такие карты принято называть растровыми. Векторная же карта привязана изначально.
Привязка к карте
Одним из главных преимуществ векторных карт является возможность роутинга. Включив GPS-приемник и указав точку, в которую вы хотите попасть, получаем проложенный программой маршрут проезда. Во время движения большинство программ для работы с векторными картами рассчитывают среднюю скорость движения, расстояние до точки прибытия и приблизительное время, которое будет затрачено на движение. Конечно, какие-то детали на карте могут быть не указаны (запреты поворотов, места разворотов и т.п.), однако при хорошей карте компьютер с подключенным GPS-приемником становится настоящим штурманом. Некоторые программы имеют возможность предупреждать водителя о предстоящих маневрах голосом, так что смотреть на экран компьютера и отвлекаться от дороги совсем необязательно. Еще GPS-приемник будет полезен туристам и путешественникам, выполняя обязанности навигационного прибора куда лучше традиционного компаса. Он также позволит принять участие в различных интересных играх, основной из которых является геокэтчинг. Суть этой игры состоит в том, что один человек закладывает некий сувенир и выкладывает координаты закладки на специальном сайте. Затем другие люди этот "клад" ищут. Мне также довелось принять участие в поиске "GPS-клада", и могу с полной ответственностью заявить: это очень интересно. Более подробно о геокэтчинге можно почитать на сайте www.geocaching.ru.
Кто-то из читателей уже ехидно усмехнулся и подумал что-то вроде: "Карты Германии или там Польши достать можно. А вот что делать на просторах родной Беларуси?" Действительно, еще несколько лет назад достать векторные карты Беларуси было невозможно, а цены на отсканированную километровую карту БССР 80-го года доходили до 100 у.е. За последний год ситуация с картами изменилась к лучшему. Цены на растровые карты РБ упали до уровня в 10-20 у.е. Но главным событием стало появление вполне приличной, а главное — бесплатной векторной карты РБ. В рамках некоммерческой программы "Нарисуй-ка", проведенной ЗАО "Русса", сообществом форума forum.belmap.info была создана электронная карта, годная для реального использования. Причем, кроме собственно дорог и населенных пунктов, на карте отмечены и основные достопримечательности, что, безусловно, будет оценено иностранными туристами, которые захотят отдохнуть в нашей стране. Карта постоянно дорабатывается, ее детализация растет, и все это — на голом энтузиазме участников форума.
В следующей статье мы познакомимся с современными GPS-приемниками для ноутбуков и КПК. Если у вас возникли какие-либо вопросы по статье, напишите мне на e-mail.
Sanik, mowchana@list.ru
Теория GPS
Что такое GPS, и как она работает
GPS — это первые буквы английских слов Global Positioning System — глобальная система определения местоположения. GPS состоит из 24 искусственных спутников Земли, сети наземных станций слежения за ними и неограниченного количества пользовательских приемников-вычислителей. GPS предназначена для определения текущих координат пользователя на поверхности Земли или в околоземном пространстве. Спутниковая навигационная система GPS состоит из 3-х основных частей: космической (навигационные спутники), наземной (комплексы управления спутниками и синхронизации) и GPS-приемники разного уровня и стоимости. Вращающиеся на высоте 20.000 км 24 спутника имеют такие орбиты, чтобы в любой точке планеты принимался сигнал минимум с 5 спутников. Станции слежения, расположенные вдоль экватора Земли, обеспечивают траекторными измерениями вычислительный центр, в котором рассчитываются, а затем экстраполируются на сутки вперед орбитальные дуги. После чего эфемериды транслируются на спутники, чтобы через них дойти до пользователя в навигационных сообщениях. GPS-спутники передают два вида сообщений: альманах и эфемерис. Альманах содержит данные об орбитах всех спутников. Каждый спутник передает альманах для всех остальных спутников. Данные альманаха не отличаются большой точностью и действительны несколько месяцев. Данные эфемериса содержат очень точные корректировки параметров орбит и часов для каждого спутника, что требуется для точного определения координат приемника. Каждый GPS-спутник передает только данные своего собственного эфемериса. Эти данные действительны только 30 минут. Спутники передают свой эфемерис каждые 30 секунд.
Отсюда мы приходим к понятиям горячего и холодного старта GPS-приемника. Теплый старт происходит по прошествии более 30 минут с момента выключения приемника, ведь приемник должен заново получить и обработать данные эфемериса. Холодный старт происходит, если GPS-приемник будет включен на большом расстоянии от места предыдущего включения. В таком случае данные альманаха также становятся неверными, и приемник начинает обрабатывать их заново. Данные об эфемеридах можно получать не только с самих спутников, но и из Интернета. К примеру, очень точные данные об орбитах GPS-спутников можно получить на сайте международной некоммерческой службы под скромной аббревиатурой IGS, что расшифровывается как International GPS Service for Geodynamics. Точность предоставляемых данных об орбитах составляет около 5 сантиметров! Впрочем, такая точность нужна в основном геофизикам и геодезистам. В процессе работы GPS-приемник выполняет несколько основных этапов.
Основой GPS является "триангуляция" спутников. При "триангуляции" GPS-приемник измеряет расстояние, используя время прохождения радиосигналов. Для измерения этого времени GPS использует очень точный таймер. Вместе с расстоянием GPS-приемнику понадобится точно знать нахождение спутников в космосе. По идее, для определения координат можно было бы обойтись и сигналами двух спутников, однако это потребовало бы очень точных и дорогих атомных часов внутри приемника. На сегодняшний день обычный гражданский GPS-приемник позволяет определить координаты с точностью 3-5 метров при хороших условиях приема. Условия приема могут быть ухудшены плотной застройкой (а внутри зданий даже самые лучшие GPS-приемники практически не работают), деревьями и различными источниками радиопомех. По умолчанию координаты выдаются в системе WGS-84. В принципе, для нужд обычного человека этого достаточно. В судовых и авиационных GPS-системах дополнительно используются данные, получаемые с наземных радиомаяков и радиобуев.
Такие системы называются DGPS.
Практическое применение
GPS применяется для нужд геодезии, используется для навигации судов в туманную погоду, отслеживания транспортировки ценных грузов, точной посадки самолетов, поиска кораблей и отслеживания опасных айсбергов и т.п. Но какую пользу GPS-приемник может принести обычному человеку? В первую очередь он будет полезен автомобилистам, особенно начинающим. Благодаря GPS-приемнику вы всегда будете знать, где вы находитесь в данный момент, и вечный вопрос "Куда это я заехал?" отпадет сам собой. Современное программное обеспечение для работы с GPS-приемниками позволяет не просто определить координаты (сами по себе они, в общем-то, мало кому интересны), а привязать их к карте, загруженной в память компьютера или самого GPS-приемника, если он поддерживает такую возможность. В качестве карты может быть использована как отсканированная бумажная карта или спутниковая фотография (спасибо Google Maps), так и специальная векторная карта, которая занимает куда меньше памяти в компьютере, а также имеет некоторые другие преимущества. К тому же, отсканированную карту придется привязывать — указать минимум две точки с известными координатами, а лучше больше. Такие карты принято называть растровыми. Векторная же карта привязана изначально.
Одним из главных преимуществ векторных карт является возможность роутинга. Включив GPS-приемник и указав точку, в которую вы хотите попасть, получаем проложенный программой маршрут проезда. Во время движения большинство программ для работы с векторными картами рассчитывают среднюю скорость движения, расстояние до точки прибытия и приблизительное время, которое будет затрачено на движение. Конечно, какие-то детали на карте могут быть не указаны (запреты поворотов, места разворотов и т.п.), однако при хорошей карте компьютер с подключенным GPS-приемником становится настоящим штурманом. Некоторые программы имеют возможность предупреждать водителя о предстоящих маневрах голосом, так что смотреть на экран компьютера и отвлекаться от дороги совсем необязательно. Еще GPS-приемник будет полезен туристам и путешественникам, выполняя обязанности навигационного прибора куда лучше традиционного компаса. Он также позволит принять участие в различных интересных играх, основной из которых является геокэтчинг. Суть этой игры состоит в том, что один человек закладывает некий сувенир и выкладывает координаты закладки на специальном сайте. Затем другие люди этот "клад" ищут. Мне также довелось принять участие в поиске "GPS-клада", и могу с полной ответственностью заявить: это очень интересно. Более подробно о геокэтчинге можно почитать на сайте www.geocaching.ru.
Кто-то из читателей уже ехидно усмехнулся и подумал что-то вроде: "Карты Германии или там Польши достать можно. А вот что делать на просторах родной Беларуси?" Действительно, еще несколько лет назад достать векторные карты Беларуси было невозможно, а цены на отсканированную километровую карту БССР 80-го года доходили до 100 у.е. За последний год ситуация с картами изменилась к лучшему. Цены на растровые карты РБ упали до уровня в 10-20 у.е. Но главным событием стало появление вполне приличной, а главное — бесплатной векторной карты РБ. В рамках некоммерческой программы "Нарисуй-ка", проведенной ЗАО "Русса", сообществом форума forum.belmap.info была создана электронная карта, годная для реального использования. Причем, кроме собственно дорог и населенных пунктов, на карте отмечены и основные достопримечательности, что, безусловно, будет оценено иностранными туристами, которые захотят отдохнуть в нашей стране. Карта постоянно дорабатывается, ее детализация растет, и все это — на голом энтузиазме участников форума.
В следующей статье мы познакомимся с современными GPS-приемниками для ноутбуков и КПК. Если у вас возникли какие-либо вопросы по статье, напишите мне на e-mail.
Sanik, mowchana@list.ru
Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 45 за 2006 год в рубрике mobile
