Сегодня, наверное, нет человека, который не слышал о GPS. Однако не у всех есть полное представление о том, что это такое. Из этой статьи вы узнаете, что такое глобальная система позиционирования, из чего она состоит и как работает.
История глобального позиционирования
Навигационная система GPS является частью комплекса Navstar, разработанного и эксплуатируемого Министерством обороны США. Проект комплекса начал реализовываться еще в 1973 году. И уже в начале 1978 года, после успешных испытаний, он был введен в эксплуатацию. К 1993 году вокруг Земли было запущено 24 спутника, полностью покрывших поверхность нашей планеты. Гражданская часть военной сети Navstar стала называться GPS, что расшифровывается как Global Positoning System ("глобальная система позиционирования").
Ее основа состоит из спутников, которые движутся по шести круговым орбитальным траекториям. Их ширина всего полтора метра, а длина чуть больше пяти. При этом вес составляет около восьмисот сорока килограммов. Все они обеспечивают полную функциональность в любой точке мира.
Слежение осуществляется с главного пункта управления, расположенного в штате Колорадо. Там находится база ВВС Шрайвер - пятидесятое космическое формирование.
На Земле насчитывается более десяти станций слежения. Они водятся на острове Вознесения, Гавайях, Кваджалейне, Диего-Гарсии, Колорадо-Спрингс, мысе Канаверал и в других местах, число которых растет с каждым годом. Вся полученная от них информация обрабатывается на главной станции. Загрузка исправленных данных производится каждые двадцать четыре часа.
Это глобальное позиционирование представляет собой спутниковую систему, находящуюся в ведении Министерства обороны США. Она работает в любую погоду и постоянно передает информацию.
Принцип действия GPS
Системы глобального позиционирования GPS работают на основе следующих компонентов:
- спутниковая трилатерация;
- спутниковая дальнометрия;
- точное время;
- расположение;
- поправка.
Давайте рассмотрим их более подробно.
Трилатерация означает вычисление расстояния до этих трех спутников, благодаря которому можно вычислить местоположение определенной точки.
Дальнометрия означает расстояние до спутников, рассчитанное по времени прохождения радиосигнала от них до приемника с учетом скорости света. Для определения времени генерируется псевдослучайный код, благодаря которому приемник способен зафиксировать задержку в любой момент.
Следующий показатель говорит о прямой зависимости от точности часов. Атомные часы работают на спутниках, точность которых составляет до одной наносекунды. Однако из-за их высокой стоимости они используются не везде.
Спутники расположены на высоте более двадцати тысяч километров от Земли, ровно столько, сколько необходимо для стабильного движения по орбите и уменьшения сопротивления атмосферы.
Во время работы глобальной системы позиционирования по всему миру допускаются ошибки, которые трудно устранить. Это связано с прохождением сигнала через тропосферу и ионосферу, где скорость уменьшается, что приводит к ошибкам измерения.
Компоненты картографической системы
Существует множество продуктов глобальной системы позиционирования и картографических приложений ГИС. Благодаря им географические данные быстро формируются и обновляются. Компонентами этих продуктов являются GPS-приемники, программное обеспечение и устройства хранения данных.
Приемники способны производить вычисления с частотой менее секунды и точностью от десятков сантиметров до пяти метров, работая в дифференциальном режиме. Они отличаются друг от друга размером, объемом памяти и количеством каналов отслеживания.
Пока человек стоит на одном месте или передвигается, приемник принимает сигналы со спутников и производит расчет его местоположения. Результаты в виде координат высвечиваются на дисплее.
Контроллеры - это портативные компьютеры, на которых запущено программное обеспечение, необходимое для сбора данных. Программное обеспечение управляет настройками приемника. Накопители имеют разные размеры и типы записи данных.
Каждая система оснащена программным обеспечением. После загрузки информации с накопителя на компьютер программа повышает точность данных, используя специальный метод обработки, называемый "дифференциальная коррекция". Программное обеспечение визуализирует данные. Некоторые из них можно редактировать вручную, другие можно распечатать и так далее.
Системы глобального позиционирования GPS - это системы, которые облегчают сбор информации для ввода в базы данных, а программное обеспечение экспортирует их в ГИС-программы.
Дифференциальная коррекция
Этот метод значительно повышает точность собираемых данных. В этом случае один из приемников находится в точке с определенными координатами, а другой собирает информацию там, где они неизвестны.
Дифференциальная коррекция реализуется двумя способами.
Первый - дифференциальная коррекция в реальном времени, когда ошибки каждого спутника вычисляются и сообщаются базовой станцией. Обновленные данные принимаются ровером, который отображает исправленные данные.
Вторая, дифференциальная коррекция при последующей обработке, происходит, когда ведущая станция записывает исправления непосредственно в файл на компьютере. Исходный файл обрабатывается вместе с уточненным, затем получается дифференциально исправленный.
Картографические системы Trimble способны использовать оба метода. Таким образом, если режим реального времени прерывается, то остается возможность использовать его при последующей обработке.
Применение GPS
GPS используется в различных областях. Например, системы глобального позиционирования широко используются в сфере природных ресурсов, где геологи, биологи, лесники и географы используют их для записи местоположения и дополнительной информации. Это также область инфраструктуры и городского развития, где контролируются транспортные потоки и коммунальные услуги.
GPS-системы глобального позиционирования широко используются в сельском хозяйстве, описывая, например, особенности полей. В социальных науках историки и археологи используют их для навигации и регистрации исторических мест.
Область применения картографических систем GPS этим не ограничивается. Их можно использовать в любом другом приложении, где требуются точные координаты, время и другая информация.
GPS-приемники
Это радиоприемное устройство, которое определяет координаты местоположения антенны, основываясь на информации о временных задержках радиосигналов со спутников Navstar.
Измерения формируются с точностью от трех до пяти метров, а при наличии сигнала от наземной станции - до одного миллиметра. GPS-навигаторы коммерческого типа на старых моделях имеют точность в сто пятьдесят метров, а на новых - до трех метров.
GPS-регистраторы, GPS-трекеры и GPS-навигаторы изготавливаются на базе приемников.
Оборудование может быть индивидуальным или профессиональным. Второе отличается качеством, режимами работы, частотами, навигационными системами и ценой.
Пользовательские приемники способны сообщать точные координаты, время, высоту, заданное пользователем направление, текущую скорость, информацию о дороге. Информация отображается на телефоне или компьютере, к которому подключено устройство.
GPS-навигаторы: карты
Карты улучшают качество навигатора. Они бывают векторными и растровыми.
Векторные варианты хранят данные об объектах, координатах и другую информацию. Они могут содержать характеристики естественной местности и многих объектов, например, отелей, заправочных станций, ресторанов и т.д., поскольку они не содержат изображений, занимают меньше места и работают быстрее.
Типы растров являются самыми простыми. Они представляют изображение местности в географических координатах. Фотография может быть сделана со спутника или отсканирована с бумажной карты.
В настоящее время существуют навигационные системы, которые пользователь может дополнить своими собственными объектами.
GPS-треккеры
Такое радиоприемное устройство принимает и передает данные для управления и отслеживания перемещений различных объектов, к которым оно прикреплено. Оно включает в себя приемник, который определяет координаты, и передатчик, который отправляет их пользователю на расстоянии.
Они используются для определения местоположения различных объектов (людей, транспортных средств, животных, товаров и так далее).
Против этих устройств могут быть использованы средства подавления сигналов, которые создают помехи на тех частотах, на которых работает трекер.
GPS регистратор
Эти радиоприемники способны работать в двух режимах:
обычный GPS-приемник;
регистратор, записывающий информацию о пройденном пути в память.
Они могут быть:
портативными, оснащенные малогабаритной аккумуляторной батареей;
автомобильными, работающими от бортовой сети.
В современных моделях регистраторов возможно записывать до двухсот тысяч точек. Также предлагается отмечать любые точки по пути.
Устройства активно используются в туризме, спорте, трекинге, картографии, геодезии и так далее.
Глобальное позиционирование сегодня
Основываясь на предоставленной информации, можно сделать вывод, что такие системы уже используются повсеместно, и сфера применения, как правило, становится еще более распространенной.
Глобальное позиционирование охватывает потребление. Использование новейших технических инноваций делает систему одной из самых востребованных в этом сегменте рынка.
Наряду с GPS в России разрабатывается ГЛОНАСС, а в Европе - Galileo.
В то же время глобальное позиционирование не лишено недостатков. Например, в квартире железобетонного здания, в туннеле или в подвале невозможно определить точное местоположение. Магнитные бури и радиоисточники на земле могут мешать нормальному приему. Навигационные карты быстро устаревают.
Самым большим недостатком является то, что система полностью зависит от Министерства обороны США, которое в любой момент может, например, включить помехи или вообще отключить гражданскую часть. Поэтому так важно, чтобы в дополнение к глобальной системе позиционирования также развивались GPS и ГЛОНАСС, а также Galileo.
