Спутниковые навигационные системы GPS

Большой интерес представляют спутниковые системы определения местоположения мобильного объекта с большой точностью — в разных режимах погрешности определения координат могут составлять от нескольких сантиметров до нескольких метров. В качестве мобильного объекта может выступать как любое средство передвижения (автомобиль, яхта, самолет и т. д.), так и человек — пользователь системы.

Проект спутниковой сети для определения координат в режиме реального времени в любой точке земного шара первоначально был создан в министерстве обороны США и назван NAVSTAR (NAVigation Satellite with Timing And Ranging — навигационная система определения времени и дальности). Название Global Positioning System (GPS) — система глобального позиционирования появилось позднее, когда система стала использоваться не только в оборонных, но и в гражданских целях.

Первые шаги по развертыванию навигационной сетибыли предприняты в середине 70-х, коммерческая же эксплуатация системы в ее современном виде началась с 1995 года. В настоящий момент в сети задействованы 28 спутников, равномерно распределенных по орбитам с высотой 20 350 км (для полнофункциональной работы достаточно 24 спутников). Сеть GPS довольно активно развивается — ежегодный прирост ее абонентов составляет примерно 1 млн приемников.

Базой для определения координат GPS-приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, местонахождение которых считается известным (эти данные содержатся в передаваемых со спутников данных). Дальнометрия основана на вычислении расстояния по временной задержке распространения радиосигнала от спутника к приемнику. Если знать время распространения сигнала, то пройденный им путь легко вычислить, просто умножив время на скорость света. При использовании для координации 6–8 спутников (большинство современных аппаратов имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников) погрешность местоопределения составляет 3–5 м (высота определяется с точностью около 10 м).

Качественно уменьшить ошибку (до нескольких сантиметров) в измерении координат позволяет режим так называемой дифференциальной коррекции (DGPS — Differential GPS). Дифференциальный режим подразумевает два приемника, один из которых является стационарным, находится в точке с известными координатами и называется базовым, а второй является подвижным. Данные, полученные базовым приемником, используются для коррекции информации мобильного приемника. Обычно в качестве базового применяется профессиональный приемник, принадлежащий какой-либо компании, специализирующейся на оказании услуг навигации или занимающейся геодезией. Например, в феврале 1998 года недалеко от Санкт-Петербурга компания «НавГеоКом» установила первую в России наземную станцию дифференциальной GPS. Мощность передатчика станции — 100 Вт (частота 298,5 КГц), что позволяет пользоваться DGPS при удалении от станции на расстояния до 300 км по морю и до 150 км по суше.

Но система дифференциальной коррекции требует весьма дорогостоящего оборудования и используется обычно только в системах специального назначения (в обычных бытовых устройствах точность определения места до нескольких сантиметров и не нужна).

В качестве мобильного приемника (навигатора) выступают портативные специализированные устройства либо сотовые телефоны стандартов GSM/CDMA со специальным программным обеспечением или встроенным микрочипом.

Например, специализированный навигатор GPS II+ имеет вес 255 г, размеры — 59 27 41 мм и большой дисплей (56 38 мм). При включении навигатора начинается процесс сбора информации со спутников, а на экране появляется простенькая мультипликация (вращающийся земной шар). После первоначальной инициализации (которая на открытой местности занимает пару минут) на дисплее возникает примитивная карта неба с номерами видимых спутников, а рядом — гистограмма, свидетельствующая об уровне сигнала от каждого спутника. Кроме того, указывается погрешность навигации (в метрах) — чем больше спутников видит прибор, тем, разумеется, точнее будет определение координат.

Интерфейс GPS II+ построен по принципу «перелистываемых» страниц (для этого даже есть специальная кнопка PAGE). Выше была описана страница спутников, а кроме нее есть страница навигации, карта, страница меню и ряд других. На странице навигации отображаются: абсолютные географические координаты, пройденный путь, мгновенная и средняя скорости движения, высота над уровнем моря, время движения, а в верхней части экрана — электронный компас.

Пройденный путь отображается на карте, причем ее масштаб можно менять от десятков метров до сотен километров в сантиметре. Удобно также и то, что в памяти прибора имеются координаты основных населенных пунктов земного шара.

Показанный на рис. 26.2. сотовый телефон Benefon Esc! (GSM 900/1800) имеет зашитый в микрочип протокол MPTP (Mobile Phone Telematics Protocol), позволяющий абоненту оперативно вывести на экран информацию о собственном местоположении, а также узнать координаты ближайших сервисных центров. Телефон имеет 12-канальный GPS-навигатор, со сменными электронными картами местности.

Автомобильные системы GPS часто включают в свой состав, помимо GPS-приемника, карту местности, локальный LCD-экран, вмонтированный в переднюю панель автомобиля (иногда на переднем стекле), и пульт. Водитель может ввести пункт назначения, система прокладывает оптимальный маршрут по улицам города, показывает маршрут, дальность, время поездки. Предоставляется и дополнительный сервис: информация об ограничениях движения, о пробках на дорогах и т. п.

Первая российская GPS-система ГЛОНАСС (ГЛОбальная Навигационная Спутниковая Система) стала активно использоваться в 2007 году.

Рис. 26.2. Сотовый телефон с функцией GPS