Всё, что Вы хотели знать о GPS, но боялись спросить
Часть 1: Что такое GPS и с чем его едят
Большинство разговоров по сотовому телефону начинаются с вопроса «Ты где?».
GPS (Global Positioning System) — система глобального позиционирования, позволяющая определять координаты движущихся и неподвижных объектов в трёхмерном пространстве с очень высокой точностью. Когда говорят о GPS, имеют в виду систему NAVSTAR GPS (NAVigation Satellites providing Time And Range Global Positioning System), созданную в 1993 году Министерством Обороны США. Эта технология использует несколько десятков спутников, для которых точно известно местоположение на орбите. При помощи хитрых алгоритмов, вычисляется положение GPS-приемника, который может находиться где угодно – на воде, на суше или в воздухе. Кроме широты и долготы определяется также высота. Точность определения координат зависит от погоды, условий приема сигнала со спутника, местности, помещения и некоторых других факторов и в среднем составляет несколько метров.
Определение координат местоположения пользователя стало возможным благодаря совокупности математических, физических и технических знаний. Спутник позволяет лишь определить расстояние до объекта, измеряя время задержки распространения сигнала. По одному этому числу положение объекта может быть произвольным на воображаемой сфере с радиусом, равным расстоянию от спутника до объекта. Однако если спутников пара, то местоположение объекта сужается до точек пересечения сфер, а это, как некоторые помнят из курса геометрии, есть круг. Три спутника увеличивают точность до двух точек – пересечений трёх сфер. И лишь четыре спутника способны однозначно идентифицировать положение объекта в трёхмерном пространстве. Для того чтобы с любой точки поверхности Земли можно было наблюдать не менее 4 спутников, достаточно 24 таких космических аппаратов, движущихся вокруг Земли на высоте примерно 20180 км по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой). Однако «на всякий случай» (создатели ведь – люди военные) количество спутников избыточно и составляет 32 (максимально поддерживается 37). Сигналы для передачи данных местоположения излучаются спутниками в диапазонах: L1=1575.42 МГц, L2=1227.60 МГц и L5=1176.45 МГц. Гражданский диапазон L1 является открытым и имеет ограниченную точность, сигналы повышенной точности шифрованы и используются в военных целях Министерством Обороны США. Хотя в 2000 году ограничение точности для гражданского диапазона было снято, так как некоторые любопытные исследователи расшифровали алгоритм снижения точности и использовали GPS в своих целях «по полной».
Факт принадлежности системы GPS Министерству Обороны США привёл к созданию конкурирующих решений, которых на данный момент в проекте два:
. Российская система ГЛОНАСС - ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система, создающаяся Министерством Обороны России;
. Европейская система Galileo – проект европейского космического агентства ESA (European Space Agency).
Оба проекта аналогичны NAVSTAR GPS и созданы для снятия зависимости от США в критической ситуации (в качестве примера прецедента можно привести отключение гражданского сектора GPS во время войны в Ираке). В отличие от Galileo, ГЛОНАСС уже функционирует на территории России и с этого года стал доступен гражданским пользователям. Пока запущено 18 из 24 запланированных спутников, после ввода в эксплуатацию которых до конца этого года система станет глобальной. Европейская же система позиционирования готовится вступить в строй через 4 года, после чего станет предоставлять ряд бесплатных и коммерческих сервисов с точностью позиционирования до 10 см. Все три системы частично совместимы друг с другом и в не столь отдалённом будущем будут доступны при помощи одного приемника.
Так что некоторые перемены на рынке услуг спутниковой навигации грядут, однако на сегодняшний день реального выбора нет – обилие недорогих аппаратов с поддержкой GPS, системы, функционирующей по всему миру, сделали выбор за пользователя.
Рядом с GPS в последнее время часто упоминается новая технология - A-GPS (Assisted GPS). Эта система является расширением «классической» GPS, ускоряющей определение координат приёмником. Однако для её работы спутников на орбите и приемника в руках мало – необходима дополнительная наземная инфраструктура, в роли которой обычно выступает сеть базовых станций сотового оператора. Для ускорения работы системы глобального позиционирования данные о спутниках передаются клиенту через Wi-Fi или GPRS, а не напрямую со спутника, как это происходит в «обычном» GPS- приемнике. В результате «холодный старт» ускоряется с нескольких минут до считанных секунд.
При работе с GPS следует учесть, что помимо координат, спутники передают также дополнительные служебные данные – альманах и эфемериды. Альманах – это набор данных об орбитах спутников созвездия, их активности и работоспособности. Эти данные передаются каждым спутником в его сообщении и являются актуальными в течение 28 суток. Многие GPS-приемники способны записывать данных альманаха во встроенную память, что позволяет значительно ускорить запуск устройства. Эфемериды – это вычисленные координаты спутника на орбите, то есть его положение в конкретные промежутки времени. Эфемеридные данные актуальны в течение нескольких часов, после чего обновляются. Ускорение глобального позиционирования A-GPS стало возможным как раз благодаря передаче альманаха и эфемерид по скоростному каналу оператора связи. Данные поступают со спутника на базовую станцию, а она рассылает их своим абонентам – ведь в пределах соты базовой станции альманах и эфемеридные данные актуальны для пользователя по причине незначительного удаления. Кстати холодным стартом называют включение GPS-приемника после длительного отключения, когда необходимо загружать обновлённые альманах и эфемериды, а также проводить расчёты текущего положения. Холодный старт может занимать значительное время – вплоть до 10-15 минут в зависимости от прибора.
Технология A-GPS, несмотря на «свежесть», уже используется в некоторых моделях сотовых телефонов и требует поддержки оператора со стороны, что иногда превращает её в платный сервис. A-GPS имеет два режима работы, которые значительно определяют качество определения координат:
. режим On-line используется, когда все определение координат выполняется базовыми станциями наземной инфраструктуры, приемник не имеет связи со спутником. В этом режиме точность определения координат зависит от наземной инфраструктуры и бывает достаточно низкой – ведь реальное положение относительно базовых станций сотовой сети вычисляется при помощи триангуляции по мощности сигнала сотовой связи, что в зонах с неплотным размещением базовых станций практически непригодно для использования;
. режим Off-line - приёмник A-GPS использует наземную инфраструктуру лишь для загрузки данных о спутниках, что значительно ускоряет расчет координат местоположения, при этом точность определения остаётся высокой;
Следует обратить внимание, что некоторые модели сотовых телефонов умеют работать с A-GPS только в режиме On-line, что означает невысокую точность и неработоспособность за пределами покрытия сотовой сети, а также полное отсутствие аппаратного GPS-приемника.
Главным устройством, занимающимся приемом сигналов со спутника и обработкой этих данных, то есть превращением их в реальные координаты на местности, является GPS-ресивер (GPS-приемник), входящий в состав многих электронных приборов. В настоящее время ресиверы выполняются на базе чипсета – электронной микросхемы, реализующей всю необходимую функциональность. Наиболее популярным на сегодняшний день GPS-чипсетом является SiRFstarIII от калифорнийской компании SiRF Technology. Эта микросхема характеризуется наличием 20 каналов, то есть способностью принимать одновременно сигналы от 20 спутников, чего с избытком хватает для точного определения координат на любой местности. Кроме того, повышенная чувствительность позволяет принимать сигналы спутников, отражённые от верхних слоев атмосферы (учитывая, что одновременно на открытой местности в прямой видимости находятся около 8 спутников, каналов для этого вполне достаточно). Малые габариты и низкое энергопотребление обеспечили SiRFstarIII невероятную популярность и на сегодняшний день этот чипсет установлен в большинстве телефонов и GPS-навигаторов.
Даже на первый взгляд, ценность системы глобального позиционирования переоценить весьма сложно. Причем пристальное изучение предмета лишь усугубляет подозрения в его бесценности. GPS-приемники за последние несколько лет стали весьма миниатюрными и начали процесс интеграции в сотовые телефоны, что значительно расширяет функциональность последних. Следует отметить, что в этом году внедрение спутниковой навигации в мобильные аппараты будет очень динамичным и приведёт в сторону заметного повышению интереса клиентов сотовой связи к новым сервисам на базе GPS, множество из которых уже успешно функционируют в устройствах технически продвинутых пользователей. Большим шагом вперёд к распространению технологии является бесплатность её использования (лишь Galileo к моменту запуска, являясь коммерческим решением, будет взимать лицензионные отчисления с производителей приемников спутникового сигнала и некоторую плату за дополнительные услуги с конечных пользователей) и отсутствие необходимости лицензирования для личного использования (не касающегося «выполнения геодезических и топографических работ при проведении инженерных изысканий, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений, межевании земель, ведении кадастров, а также иных изысканий и специальных работ»).
Среди плюсов, которые даёт система глобального позиционирования в первую очередь приходит на ум спутниковая навигация. Ведь возможность получить своё местонахождение на карте являлась мечтой путешественников и мореплавателей на протяжении многих тысячелетий, а теперь она стала доступна любому жителю планеты. Возможности современных электронных устройств позволили не только показать себя на карте, но также мгновенно прокладывать маршруты из начальной точки в конечную, голосом подсказывая по ходу движения правильный поворот. Мониторинг дорог в реальном времени при помощи той же GPS позволил создать сервисы наподобие Яндекс.Пробки, где на карте чётко видна загруженность участка пути, дабы пользователь мог их избежать. Даже без набора карт GPS обеспечивает пользователя прекрасным компасом и возможностью записи маршрута следования (чтобы легко можно был вернуться обратно), сверхточными часами, спидометром (для измерения скорости), акселерометром (для измерения ускорения), альтиметром (для индикации высоты) и т.п. Внедрение GPS-приемников в фотоаппараты позволило привязать сделанный снимок к местности, отобразив его на карте мира, подобно тому, как это делает сервис Panoramio, за три года своего существования собравший более 12 млн. фотографий, которые удобно интегрированы в сервис Google Earth.
Интересным явлением в мире GPS стала недавно представленная услуга Google «Локатор», которая позволяет показать на карте местоположение других людей, разрешивших следить за собой. Естественно, для этого необходимо соблюдение ряда условий - иметь телефон с GPS, установить специальную программу, находиться в одной из 27 стран мира (Россия присутствует), иметь согласие другой стороны (человека, за которым будем «следить»), быть подключенным к сотовой сети. Условий немало, однако, сам факт того, что технология слежки, доступная ранее лишь спецслужбам, стала частью жизни обычных людей, удивителен. Сервис уже вызвал массу негативных эмоций со стороны защитников приватности, однако ничто не мешает и Вам попробовать его в действии.
К GPS-навигации не стоит относиться как к чему-то далёкому и чуждому. Более 70% GPS-устройств, проданных в 2008 году, оказались смартфонами и коммуникаторами, посему тема GPS весьма актуальна для владельцев сотовых телефонов, а значит, большинства жителей планеты. Весьма высока вероятность, что Ваш следующий телефон будет оснащён GPS-ресивером, поэтому, чтобы быть готовым к его правильному использованию – читайте следующую статью.
Коробейко Николай Васильевич, hexed2@me.by
Большинство разговоров по сотовому телефону начинаются с вопроса «Ты где?».
GPS (Global Positioning System) — система глобального позиционирования, позволяющая определять координаты движущихся и неподвижных объектов в трёхмерном пространстве с очень высокой точностью. Когда говорят о GPS, имеют в виду систему NAVSTAR GPS (NAVigation Satellites providing Time And Range Global Positioning System), созданную в 1993 году Министерством Обороны США. Эта технология использует несколько десятков спутников, для которых точно известно местоположение на орбите. При помощи хитрых алгоритмов, вычисляется положение GPS-приемника, который может находиться где угодно – на воде, на суше или в воздухе. Кроме широты и долготы определяется также высота. Точность определения координат зависит от погоды, условий приема сигнала со спутника, местности, помещения и некоторых других факторов и в среднем составляет несколько метров.
Определение координат местоположения пользователя стало возможным благодаря совокупности математических, физических и технических знаний. Спутник позволяет лишь определить расстояние до объекта, измеряя время задержки распространения сигнала. По одному этому числу положение объекта может быть произвольным на воображаемой сфере с радиусом, равным расстоянию от спутника до объекта. Однако если спутников пара, то местоположение объекта сужается до точек пересечения сфер, а это, как некоторые помнят из курса геометрии, есть круг. Три спутника увеличивают точность до двух точек – пересечений трёх сфер. И лишь четыре спутника способны однозначно идентифицировать положение объекта в трёхмерном пространстве. Для того чтобы с любой точки поверхности Земли можно было наблюдать не менее 4 спутников, достаточно 24 таких космических аппаратов, движущихся вокруг Земли на высоте примерно 20180 км по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой). Однако «на всякий случай» (создатели ведь – люди военные) количество спутников избыточно и составляет 32 (максимально поддерживается 37). Сигналы для передачи данных местоположения излучаются спутниками в диапазонах: L1=1575.42 МГц, L2=1227.60 МГц и L5=1176.45 МГц. Гражданский диапазон L1 является открытым и имеет ограниченную точность, сигналы повышенной точности шифрованы и используются в военных целях Министерством Обороны США. Хотя в 2000 году ограничение точности для гражданского диапазона было снято, так как некоторые любопытные исследователи расшифровали алгоритм снижения точности и использовали GPS в своих целях «по полной».
Факт принадлежности системы GPS Министерству Обороны США привёл к созданию конкурирующих решений, которых на данный момент в проекте два:
. Российская система ГЛОНАСС - ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система, создающаяся Министерством Обороны России;
. Европейская система Galileo – проект европейского космического агентства ESA (European Space Agency).
Оба проекта аналогичны NAVSTAR GPS и созданы для снятия зависимости от США в критической ситуации (в качестве примера прецедента можно привести отключение гражданского сектора GPS во время войны в Ираке). В отличие от Galileo, ГЛОНАСС уже функционирует на территории России и с этого года стал доступен гражданским пользователям. Пока запущено 18 из 24 запланированных спутников, после ввода в эксплуатацию которых до конца этого года система станет глобальной. Европейская же система позиционирования готовится вступить в строй через 4 года, после чего станет предоставлять ряд бесплатных и коммерческих сервисов с точностью позиционирования до 10 см. Все три системы частично совместимы друг с другом и в не столь отдалённом будущем будут доступны при помощи одного приемника.
Так что некоторые перемены на рынке услуг спутниковой навигации грядут, однако на сегодняшний день реального выбора нет – обилие недорогих аппаратов с поддержкой GPS, системы, функционирующей по всему миру, сделали выбор за пользователя.
Рядом с GPS в последнее время часто упоминается новая технология - A-GPS (Assisted GPS). Эта система является расширением «классической» GPS, ускоряющей определение координат приёмником. Однако для её работы спутников на орбите и приемника в руках мало – необходима дополнительная наземная инфраструктура, в роли которой обычно выступает сеть базовых станций сотового оператора. Для ускорения работы системы глобального позиционирования данные о спутниках передаются клиенту через Wi-Fi или GPRS, а не напрямую со спутника, как это происходит в «обычном» GPS- приемнике. В результате «холодный старт» ускоряется с нескольких минут до считанных секунд.
При работе с GPS следует учесть, что помимо координат, спутники передают также дополнительные служебные данные – альманах и эфемериды. Альманах – это набор данных об орбитах спутников созвездия, их активности и работоспособности. Эти данные передаются каждым спутником в его сообщении и являются актуальными в течение 28 суток. Многие GPS-приемники способны записывать данных альманаха во встроенную память, что позволяет значительно ускорить запуск устройства. Эфемериды – это вычисленные координаты спутника на орбите, то есть его положение в конкретные промежутки времени. Эфемеридные данные актуальны в течение нескольких часов, после чего обновляются. Ускорение глобального позиционирования A-GPS стало возможным как раз благодаря передаче альманаха и эфемерид по скоростному каналу оператора связи. Данные поступают со спутника на базовую станцию, а она рассылает их своим абонентам – ведь в пределах соты базовой станции альманах и эфемеридные данные актуальны для пользователя по причине незначительного удаления. Кстати холодным стартом называют включение GPS-приемника после длительного отключения, когда необходимо загружать обновлённые альманах и эфемериды, а также проводить расчёты текущего положения. Холодный старт может занимать значительное время – вплоть до 10-15 минут в зависимости от прибора.
Технология A-GPS, несмотря на «свежесть», уже используется в некоторых моделях сотовых телефонов и требует поддержки оператора со стороны, что иногда превращает её в платный сервис. A-GPS имеет два режима работы, которые значительно определяют качество определения координат:
. режим On-line используется, когда все определение координат выполняется базовыми станциями наземной инфраструктуры, приемник не имеет связи со спутником. В этом режиме точность определения координат зависит от наземной инфраструктуры и бывает достаточно низкой – ведь реальное положение относительно базовых станций сотовой сети вычисляется при помощи триангуляции по мощности сигнала сотовой связи, что в зонах с неплотным размещением базовых станций практически непригодно для использования;
. режим Off-line - приёмник A-GPS использует наземную инфраструктуру лишь для загрузки данных о спутниках, что значительно ускоряет расчет координат местоположения, при этом точность определения остаётся высокой;
Следует обратить внимание, что некоторые модели сотовых телефонов умеют работать с A-GPS только в режиме On-line, что означает невысокую точность и неработоспособность за пределами покрытия сотовой сети, а также полное отсутствие аппаратного GPS-приемника.
Главным устройством, занимающимся приемом сигналов со спутника и обработкой этих данных, то есть превращением их в реальные координаты на местности, является GPS-ресивер (GPS-приемник), входящий в состав многих электронных приборов. В настоящее время ресиверы выполняются на базе чипсета – электронной микросхемы, реализующей всю необходимую функциональность. Наиболее популярным на сегодняшний день GPS-чипсетом является SiRFstarIII от калифорнийской компании SiRF Technology. Эта микросхема характеризуется наличием 20 каналов, то есть способностью принимать одновременно сигналы от 20 спутников, чего с избытком хватает для точного определения координат на любой местности. Кроме того, повышенная чувствительность позволяет принимать сигналы спутников, отражённые от верхних слоев атмосферы (учитывая, что одновременно на открытой местности в прямой видимости находятся около 8 спутников, каналов для этого вполне достаточно). Малые габариты и низкое энергопотребление обеспечили SiRFstarIII невероятную популярность и на сегодняшний день этот чипсет установлен в большинстве телефонов и GPS-навигаторов.
Даже на первый взгляд, ценность системы глобального позиционирования переоценить весьма сложно. Причем пристальное изучение предмета лишь усугубляет подозрения в его бесценности. GPS-приемники за последние несколько лет стали весьма миниатюрными и начали процесс интеграции в сотовые телефоны, что значительно расширяет функциональность последних. Следует отметить, что в этом году внедрение спутниковой навигации в мобильные аппараты будет очень динамичным и приведёт в сторону заметного повышению интереса клиентов сотовой связи к новым сервисам на базе GPS, множество из которых уже успешно функционируют в устройствах технически продвинутых пользователей. Большим шагом вперёд к распространению технологии является бесплатность её использования (лишь Galileo к моменту запуска, являясь коммерческим решением, будет взимать лицензионные отчисления с производителей приемников спутникового сигнала и некоторую плату за дополнительные услуги с конечных пользователей) и отсутствие необходимости лицензирования для личного использования (не касающегося «выполнения геодезических и топографических работ при проведении инженерных изысканий, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений, межевании земель, ведении кадастров, а также иных изысканий и специальных работ»).
Среди плюсов, которые даёт система глобального позиционирования в первую очередь приходит на ум спутниковая навигация. Ведь возможность получить своё местонахождение на карте являлась мечтой путешественников и мореплавателей на протяжении многих тысячелетий, а теперь она стала доступна любому жителю планеты. Возможности современных электронных устройств позволили не только показать себя на карте, но также мгновенно прокладывать маршруты из начальной точки в конечную, голосом подсказывая по ходу движения правильный поворот. Мониторинг дорог в реальном времени при помощи той же GPS позволил создать сервисы наподобие Яндекс.Пробки, где на карте чётко видна загруженность участка пути, дабы пользователь мог их избежать. Даже без набора карт GPS обеспечивает пользователя прекрасным компасом и возможностью записи маршрута следования (чтобы легко можно был вернуться обратно), сверхточными часами, спидометром (для измерения скорости), акселерометром (для измерения ускорения), альтиметром (для индикации высоты) и т.п. Внедрение GPS-приемников в фотоаппараты позволило привязать сделанный снимок к местности, отобразив его на карте мира, подобно тому, как это делает сервис Panoramio, за три года своего существования собравший более 12 млн. фотографий, которые удобно интегрированы в сервис Google Earth.
Интересным явлением в мире GPS стала недавно представленная услуга Google «Локатор», которая позволяет показать на карте местоположение других людей, разрешивших следить за собой. Естественно, для этого необходимо соблюдение ряда условий - иметь телефон с GPS, установить специальную программу, находиться в одной из 27 стран мира (Россия присутствует), иметь согласие другой стороны (человека, за которым будем «следить»), быть подключенным к сотовой сети. Условий немало, однако, сам факт того, что технология слежки, доступная ранее лишь спецслужбам, стала частью жизни обычных людей, удивителен. Сервис уже вызвал массу негативных эмоций со стороны защитников приватности, однако ничто не мешает и Вам попробовать его в действии.
К GPS-навигации не стоит относиться как к чему-то далёкому и чуждому. Более 70% GPS-устройств, проданных в 2008 году, оказались смартфонами и коммуникаторами, посему тема GPS весьма актуальна для владельцев сотовых телефонов, а значит, большинства жителей планеты. Весьма высока вероятность, что Ваш следующий телефон будет оснащён GPS-ресивером, поэтому, чтобы быть готовым к его правильному использованию – читайте следующую статью.
Коробейко Николай Васильевич, hexed2@me.by
Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 28 за 2009 год в рубрике mobile
