Что такое глобальное позиционирование?
Сегодня, наверное, нет человека, который бы не слышал о GPS. Однако полное понимание того, что же это такое, есть далеко не у каждого. В статье попробуем разобраться, что же такое система глобального позиционирования, из чего она состоит и как работает.
История
Навигационная система GPS входит в комплекс Navstar, разработанный и функционирующий в Министерстве обороны США. Проект комплекса начали реализовывать еще в 1973 году. А уже в начале 1978-го, после успешного тестирования, запустили в эксплуатацию. К 1993 году вокруг Земли было запущено 24 спутника, полностью покрывающих поверхность нашей планеты. Гражданскую часть военной сети Navstar стали называть GPS, что означает Global Positoning System («система глобального позиционирования»).
Ее база состоит из спутников, которые движутся по шести круговым траекториям орбиты. В ширину они всего полтора метра, а в длину — немногим больше пяти. Вес при этом составляет порядка восьмисот сорока килограмм. Все они обеспечивают полную работоспособность в любой точке нашей планеты.
Слежение осуществляется с главной управляющей станции, находящейся в штате Колорадо. Там находится база ВВС Шривер — пятидесятое космическое соединение.
На Земле расположено более десяти станций, предназначенных для слежения. Они находятся на острове Вознесения, Гавайях, Кваджалейн, Диего-Гарсия, Колорадо-Спрингс, на мысе Канаверал и в других местах, количество которых растет с каждым годом. Вся информация, получаемая от них, перерабатывается на главной станции. Загрузка данных с поправками делается каждые двадцать четыре часа.
Такое глобальное позиционирование — спутниковая система, функционирующая под управлением МО США. Она работает при любой погоде и постоянно передает информацию.
Принцип функционирования
Системы глобального позиционирования GPS работают на основе следующих составляющих:
- трилатерация спутника;
- дальнометрия спутника;
- точная привязка по времени;
- расположение;
- коррекция.
Рассмотрим их подробнее.
Под трилатерацией понимается расчет расстояния данных трех спутников, благодаря которому удается вычислить место расположения определенной точки.
Дальнометрия подразумевает расстояние до спутников, исчисляемое временем прохождения радиосигнала от них до приемника с учетом скорости света. Для определения времени генерируется псевдослучайный код, благодаря которому приемник способен в любое время зафиксировать задержку.
Следующий показатель говорит о прямой зависимости от точности часов. На спутниках работают атомные часы, точность которых составляет до одной наносекунды. Однако в силу дороговизны они используются не везде.
Спутники расположены на высоте свыше двадцати тысяч километров от Земли, ровно столько, сколько необходимо для стабильного движения по орбите и сужения сопротивления атмосферы.
При работе системы глобального позиционирования в мире совершаются ошибки, которые трудноустранимы. Это связано с прохождением сигнала через тропосферу и ионосферу, где скорость снижается, что приводит к сбоям в измерениях.
Компоненты картографической системы
Существует множество продуктов системы глобального позиционирования и ГИС-приложений для картографирования. Благодаря им географические данные быстро формируются и обновляются. Компонентами этих продуктов являются GPS-приемники, ПО и накопители данных.
Приемники способны делать вычисления с частотой менее секунды и точностью от десятков сантиметров до пяти метров, функционируя в дифференциальном режиме. Они отличаются друг от друга по габаритам, объему памяти и числу каналов слежения.
Пока человек стоит на одном месте или передвигается, приемник получает сигналы от спутников и делает вычисление о его расположении. Результаты в виде координат высвечиваются на дисплее.
Контроллеры представляют собой портативные компьютеры, которые функционируют под управлением ПО, необходимого для сбора данных. ПО контролирует установки приемника. Накопители имеют разные габариты и типы записи данных.
Каждая система оснащена программным обеспечением. После того как вы выгружаете информацию с накопителя на компьютер, программа увеличивает точность данных при помощи специального метода обработки, получившего название «дифференциальная коррекция». ПО визуализирует данные. Одни из них можно редактировать в ручном режиме, другие — выводить на печать и так далее.
GPS глобального позиционирования — системы, способствующие сбору информации для ввода в базы данных, а ПО экспортирует их в ГИС-программы.
Коррекция дифференциальная
Данный метод существенно повышает точность собираемых данных. При этом один из приемников находится в точке определенных координат, а другой собирает информацию там, где они неизвестны.
Дифференциальная коррекция реализуется двумя путями.
- Первый — это дифференциальная коррекция в реальном времени, где вычисляются и выдаются ошибки каждого спутника основной станцией. Уточненные данные воспринимаются передвижным приемником, который показывает скорректированные данные.
- Второй — дифференциальная коррекция в постобработке — имеет место тогда, когда основная станция записывает коррекции прямо на файл в компьютере. Изначальный файл обрабатывается вместе с уточненным, далее получается дифференциально скорректированный.
Картографические системы Trimble способны использовать оба метода. Таким образом, если режим в реальном времени прервется, то остается возможность его использования в постобработке.
Применение
GPS применяются в разных областях. Например, системы глобального позиционирования на местности широко используются в сфере природных ресурсов, где геологи, биологи, лесники и географы используют их для записи положений и дополнительной информации. Также это область развития инфраструктуры и городского хозяйства, когда контролируются транспортные потоки и коммунальная система.
Широкое применение GPS-системы глобального позиционирования получили и в сельском хозяйстве, описывая, например, особенности полей. В сфере социальных наук историки и археологи используют их для навигации и регистрации исторических мест.
Область применения картографических систем GPS этим не исчерпывается. Они могут быть использованы в любых других приложениях, где необходимы точные координаты, время и другая информация.
GPS-приемник
Это радиоприемное устройство, которое определяет координаты месторасположения антенны, основывась на информации о временных задержках радиосигналов от спутников Navstar.
Измерения формируются с точностью до трех-пяти метров, а если имеется сигнал от наземной станции — до одного миллиметра. GPS-навигаторы коммерческого типа на старых образцах имеют точность от ста пятидесяти метров, а на новых — до трех метров.
На основе приемников изготавливают GPS-логгеры, GPS-трекеры и GPS-навигаторы.
Оборудование может быть пользовательским и профессиональным. Второе отличается качеством, режимами работы, частотами, системами навигации и ценой.
Пользовательские приемники способны сообщить точные координаты, время, высоту над уровнем моря, направление, заданное пользователем, текущую скорость, информацию о дороге. Информация выводится на телефон или компьютер, к которому подключено устройство.
GPS-навигаторы: карты
Карты повышают качество навигатора. Они бывают векторного и растрового типов.
В векторных вариантах хранятся данные об объектах, координатах и другая информация. В них может быть заложена характеристика местности природного типа и множества объектов, например, гостиниц, заправок, ресторанов и т. д., так как они не содержат изображений, занимают меньше места и быстрее работают.
Растровые типы — наиболее простые. Они представляют собой изображение местности по географическим координатам. Может быть сделана фотография со спутника или карта бумажного типа — отсканированная.
В настоящее время есть навигационные системы, которые пользователь может дополнять своими объектами.
GPS-трекеры
Такое радиоприемное устройство принимает и передает данные для контроля и слежения за передвижениями различных объектов, к которым его прикрепляют. В него входит приемник, определяющий координаты, и передатчик, отправляющий их пользователю, находящемуся в удалении.
GPS-трекеры бывают:
- персональными, используемыми индивидуально;
- автомобильными, подключаемыми к бортовой автосети.
Их применяют для определения местонахождения различных объектов (людей, транспорта, животных, товаров и так далее).
Против этих устройств могут быть использованы средства подавления сигналов, формирующих помехи на тех частотах, где работает трекер.
GPS-логгер
Данные радиоприемники способны работать в двух режимах:
- обычного GPS-приемника;
- логгера, записывая в память информацию о пути, который был пройден.
Они могут быть:
- портативными, оснащенными малогабаритной аккумуляторной батареей;
- автомобильными, питающимися от бортовой сети.
В современных моделях логгеров имеется возможность записывания до двухсот тысяч точек. Также предлагается отмечать какие-либо точки на своем пути.
Устройства активно применяются в туризме, спорте, слежении, картографии, геодезии и так далее.
Глобальное позиционирование сегодня
На основе приведенной информации можно заключить, что подобные системы уже используются повсеместно, и сфера применения имеет тенденцию к еще большему распространению.
Глобальное позиционирование охватывает сферу потребления. Использование самых последних технических новинок делает систему одной из самых востребованных на этом сегменте рынка.
Наряду с GPS в России разрабатывается ГЛОНАСС, в Европе — Galileo.
В то же время глобальное позиционирование не лишено недостатков. Например, в квартире железобетонного здания, в тоннеле или подвале определить точное местонахождение невозможно. Нормальному приему способны помешать магнитные бури и радиоисточники, находящиеся на земле. Карты навигации быстро устаревают.
Самым большим недостатком является то, что система полностью зависит от Министерства обороны США, которое в любой момент может, например, включить помехи или отключить гражданскую часть вообще. Поэтому так важно, что помимо системы глобального позиционирования GPS и ГЛОНАСС, и Galileo также развиваются.