Как известно, большинству из нас, Земля представляется в форме, близкой к шару, но всем известно, что она не шар. Отличие, весьма существенное для точной навигации и системы координат. Сложная поверхность Земли получила еще в 19 веке название геоида. Поверхность геоида совпадает с поверхностью морей и океанов в их спокойном состоянии и виртуально продолжается под материками.

Системы координат для GPS-навигаторов, географические координаты.

Земля, ее форма и координаты.

Для практического применения широкое распространение получили две модели формы Земли: сферическая с упрощенным представлением ее в виде шара с радиусом 6371,1 километра и сфероидальная в виде эллипса вращения (эллипсоида). Под ним понимают геометрическую фигуру, которая образуется при вращении эллипса вокруг своей малой оси. Размеры эллипсоида вращения, его ориентация и расположение относительно центра масс Земли могут варьироваться для достижения наибольшей точности приближения к реальной земной поверхности. Следует уяснить, что каждой используемой модели соответствует и своя система координат.

Когда мы говорим о какой-либо системе координат, то подразумеваем и соответствующую модель эллипсоида. Но и это еще не все различия, которые нужно знать пользователю системы GPS. Если параметры эллипсоида подбираются для Земли в целом, то такой эллипсоид получил название общего земного эллипсоида (ОЗЭ). С целью же описания локальной (частичной) области поверхности Земли с большей точностью может использоваться эллипсоид с другими параметрами.

Такой эллипсоид, законодательно принятый для измерений и обработки геодезических данных, называется референц-эллипсоидом (РЭ), а образуемая им система координат — референцной. В референц-эллипсоиде его малая ось не совпадает с осью вращения Земли, но должна быть параллельна ей. В ОЗЭ малая полуось всегда совпадает с осью вращения, а центр эллипсоида совпадает с центром масс Земли.

На территории СНГ используются две общеземные системы координат, ПЗ-90 и Международная WGS-84 (Wordl Geodetic System 1984). Цифры в обозначении системы указывают на год ее создания. Обе системы близки друг к другу. ПЗ-90 используется на территории СНГ для геодезического обеспечения орбитальных полетов, a WGS-84 применяется во всем мире для обработки спутниковых измерений GPS. К российским референцным системам относятся системы СК-42 (Пулково) и СК-95. Обе системы используют эллипсоид Красовского (введен с 1946 г.) и применяются при выполнении геодезических и картографических работ.

Системы координат для GPS-навигаторов.

При навигации и использовании GPS-навигаторов очень важно понимать, что отображение GPS-позиций на картах с разными системами координат без их пересчета приведет к большим ошибкам. Поэтому используются картографические программы, позволяющие переводить данные, например, из системы WGS-84 в местные системы координат. К счастью, у пользователей портативных GPS-навигаторов этой проблемы вообще нет. При использовании совместно с GPS-навигатором бумажной карты с координатной сеткой необходимо проверить совпадение систем координат карты и навигатора.

При необходимости можно произвести настройку системы координат навигатора, установив в нем параметры, называемые датумом, соответствующие загруженной карте, или выбрав пользовательский датум. Преобразование координат навигатор выполнит тогда автоматически. Датум есть геодезическая система координат, однозначно определяемая размерами своего эллипсоида и его положением по отношению к центру Земли. Число разных датумов, а проще - систем координат, используемых в мировой картографии, более сотни. Разные датумы были предложены с целью получения наилучшего приближения определяемой ими модели к реальной поверхности Земли данного региона.

К примеру, локальный Североамериканский датум NAD-27 разработан для наилучшего представления Северной Америки, а локальный Европейский датум ED-50 создан для использования в Европе. Локальные датумы нельзя применять вне области, для которой они были разработаны. Для удобства пользователя GPS-навигаторов в их память заложены параметры многих датумов, что дает возможность использовать в них электронные карты из разных источников без каких-либо сложностей.

На многих бумажных указана поправка для перехода с системы координат карты к международной WGS-84, в которой работает GPS. Например, чтобы точку, находящуюся в районе Балтийского моря и Ладоги, с координатами по WGS-84 системе нанести на российскую карту, построенную в системе Пулковской обсерватории 1942 года, необходимо сместить это точку на 0,14 минуты к востоку. На широте Петербурга Эта разница соответствует примерно 130 метрам.

Географические координаты.

Для определения положения любого объекта на поверхности Земли используется система из географических координат и двух особых точек — полюсов Северного и Южного. Полюса являются, как известно, точками пересечения оси вращения Земли с поверхностью эллипсоида. Наиболее наглядно географические координаты представляются в сферической модели Земли. В ней географические координаты, широта и долгота, определяются с помощью окружностей, образующихся при сечении шаровидной модели Земли плоскостями: для широты - в горизонтальном направлении, а для долготы - в вертикальном.

Окружность EQ, образуемая на поверхности шара горизонтальной секущей плоскостью, перпендикулярной земной оси и проходящей через центр шара, называется экватором. Он делит земной шар на северное и южное полушария. Окружности малых кругов, плоскости которых параллельны плоскости экватора, образуют параллели (РР). Окружности, образуемые плоскостями, проходящими через земную ось, получили название меридианов (географических или истинных). Среди всех меридианов надо выделить начальный (нулевой) PnGPs, называемый гринвичским, поскольку он проходит через астрономическую обсерваторию в Гринвиче (Англия). Этот меридиан делит земной шар на восточное и западное полушария.

Географическая широта.

Географической широтой некоторой точки на поверхности земного сфероида называется угол между плоскостью экватора и нормалью (отвесной линией) к этой поверхности. Для модели Земли в виде шара нормаль совпадает с земным радиусом ОМ, проведенным через данную точку М в центр шара. Широта измеряется дугой меридиана (угол МОЛ) от экватора до параллели данной точки. Широта принимает значения в диапазоне от 0 до 90 градусов. Если точка находится в северном полушарии, то широте приписывают наименование N (северное), если в южном - S.

Географическая долгота.

Географической долготой какой-либо точки называется двугранный угол между плоскостями начального (нулевого) меридиана и меридиана, проходящего через заданную точку. Так, долгота точки М определяется углом GOL. Долгота измеряется меньшей дугой экватора GL, а, к примеру, не дугой GEQL. Счет долгот ведут к востоку или западу от начального меридиана, от 0 до 180 градусов.

Если точка находится в восточном полушарии, то долготе приписывает наименование Е (восточная), если в западном - W (западная). Иногда, для обозначения полушарий точки, в координатах используются знаки +/-. Причем знак минус приписывают координатам, находящимся в южном и западном полушариях. Для географических координат в GPS-навигаторах используются следующие форматы:

— ddd.mm.ss.s — градусы, минуты, секунды,
— ddd.dddd — градусы, десятичные доли градусов,
— ddd.mm.mmm — градусы, минуты, десятичные доли минут.

По материалам книги «Все о GPS-навигаторах».
Найман В.С., Самойлов А.Е., Ильин Н.Р., Шейнис А.И.

Как нередко бывает с высокотехнологичными проектами, инициаторами разработки и реализации системы GPS (Global Positioning System - система глобального позиционирования) стали военные. Проект спутниковой сети для определения координат в режиме реального времени в любой точке земного шара был назван Navstar (Navigation system with timing and ranging - навигационная система определения времени и дальности), тогда как аббревиатура GPS появилась позднее, когда система стала использоваться не только в оборонных, но и в гражданских целях.

Первые шаги по развертыванию навигационной сети были предприняты в середине семидесятых, коммерческая же эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась с 1995 года. В настоящий момент в работе находятся 28 спутников, равномерно распределенных по орбитам с высотой 20350 км (для полнофункциональной работы достаточно 24 спутников).

Несколько забегая вперед, скажу, что поистине ключевым моментом в истории GPS стало решение президента США об отмене с 1 мая 2000 года режима так называемого селективного доступа (SA - selective availability) - погрешности, искусственно вносимой в спутниковые сигналы для неточной работы гражданских GPS-приемников. С этого момента любительский терминал может определять координаты с точностью в несколько метров (ранее погрешность составляла десятки метров)! На рис.1 представлены ошибки в навигации до и после отключения режима селективного доступа (данные ).Рис1.

Попробуем разобраться в общих чертах, как устроена система глобального позиционирования, а потом коснемся ряда пользовательских аспектов. Рассмотрение же начнем с принципа определения дальности, лежащего в основе работы космической навигационной системы.

Алгоритм измерения расстояния от точки наблюдения до спутника.

Дальнометрия основана на вычислении расстояния по временной задержке распространения радиосигнала от спутника к приемнику. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить, просто умножив время на скорость света.

Каждый спутник системы GPS непрерывно генерирует радиоволны двух частот - L1=1575.42МГц и L2=1227.60МГц. Мощность передатчика составляет 50 и 8 Ватт соответственно. Навигационный сигнал представляет собой фазовоманипулированный псевдослучайный код PRN (Pseudo Random Number code). PRN бывает двух типов: первый, C/A-код (Coarse Acquisition code - грубый код) используется в гражданских приемниках, второй Р-код (Precision code - точный код), используется в военных целях, а также, иногда, для решения задач геодезии и картографии. Частота L1 модулируется как С/А, так и Р-кодом, частота L2 существует только для передачи Р-кода. Кроме описанных, существует еще и Y-код, представляющий собой зашифрованный Р-код (в военное время система шифровки может меняться).

Период повторения кода довольно велик (например, для P-кода он равен 267 дням). Каждый GPS-приемник имеет собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, по времени задержки между одинаковыми участками кода, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние до спутника.

Одной из основных технических сложностей описанного выше метода является синхронизация часов на спутнике и в приемнике. Даже мизерная по обычным меркам погрешность может привести к огромной ошибке в определении расстояния. Каждый спутник несет на борту высокоточные атомные часы. Понятно, что устанавливать подобную штуку в каждый приемник невозможно. Поэтому для коррекции ошибок в определении координат из-за погрешностей встроенных в приемник часов используется некоторая избыточность в данных, необходимых для однозначной привязки к местности (подробней об этом чуть позже).

Кроме самих навигационных сигналов, спутник непрерывно передает разного рода служебную информацию. Приемник получает, например, эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере (так как скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), а также сведения о работоспособности спутника (так называемых "альманах", содержащий обновляемые каждые 12.5 минут сведения о состоянии и орбитах всех спутников). Эти данные передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.

Общие принципы определения координат с помощью GPS.

Основой идеи определения координат GPS-приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным (эти данные содержатся в принятом со спутника альманахе). В геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами называется трилатерацией. Рис2.

Если известно расстояние А до одного спутника, то координаты приемника определить нельзя (он может находится в любой точке сферы радиусом А, описанной вокруг спутника). Пусть известна удаленность В приемника от второго спутника. В этом случае определение координат также не представляется возможным - объект находится где-то на окружности (она показана синим цветом на рис.2), которая является пересечением двух сфер. Расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек (обозначены двумя жирными синими точками на рис.2). Этого уже достаточно для однозначного определения координат - дело в том, что из двух возможных точек расположения приемника лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близи от нее), а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, теоретически для трехмерной навигации достаточно знать расстояния от приемника до трех спутников.

Однако в жизни все не так просто. Приведенные выше рассуждения были сделаны для случая, когда расстояния от точки наблюдения до спутников известны с абсолютной точностью. Разумеется, как бы ни изощрялись инженеры, некоторая погрешность всегда имеет место (хотя бы по указанной в предыдущем разделе неточной синхронизации часов приемника и спутника, зависимости скорости света от состояния атмосферы и т.п.). Поэтому для определения трехмерных координат приемника привлекаются не три, а минимум четыре спутника.

Получив сигнал от четырех (или больше) спутников, приемник ищет точку пересечения соответствующих сфер. Если такой точки нет, процессор приемника начинает методом последовательных приближений корректировать свои часы до тех пор, пока не добьется пересечения всех сфер в одной точке.

Следует отметить, что точность определения координат связана не только с прецизионным расчетом расстояния от приемника до спутников, но и с величиной погрешности задания местоположения самих спутников. Для контроля орбит и координат спутников существуют четыре наземных станции слежения, системы связи и центр управления, подконтрольные Министерству Обороны США. Станции слежения постоянно ведут наблюдения за всеми спутниками системы и передают данные об их орбитах в центр управления, где вычисляются уточнённые элементы траекторий и поправки спутниковых часов. Указанные параметры вносятся в альманах и передаются на спутники, а те, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим приемникам.

Кроме перечисленных, существует еще масса специальных систем, увеличивающих точность навигации, - например, особые схемы обработки сигнала снижают ошибки от интерференции (взаимодействия прямого спутникового сигнала с отраженным, например, от зданий). Мы не будем углубляться в особенности функционирования этих устройств, чтобы излишне не осложнять текст.

После отмены описанного выше режима селективного доступа гражданские приемники "привязываются к местности" с погрешностью 3-5 метров (высота определяется с точностью около 10 метров). Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников (большинство современных аппаратов имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников).

Качественно уменьшить ошибку (до нескольких сантиметров) в измерении координат позволяет режим так называемой дифференциальной коррекции (DGPS - Differential GPS). Дифференциальный режим состоит в использовании двух приемников - один неподвижно находится в точке с известными координатами и называется "базовым", а второй, как и раньше, является мобильным. Данные, полученные базовым приемником, используются для коррекции информации, собранной передвижным аппаратом. Коррекция может осуществляться как в режиме реального времени, так и при "оффлайновой" обработке данных, например, на компьютере.

Обычно в качестве базового используется 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 дифференциального GPS. Мощность передатчика станции - 100 Ватт (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. Кроме наземных базовых приемников, для дифференциальной коррекции GPS-данных можно использовать спутниковую систему дифференциального сервиса компании OmniStar. Данные для коррекции передаются с нескольких геостационарных спутников компании.

Следует заметить, что основными заказчиками дифференциальной коррекции являются геодезические и топографические службы - для частного пользователя DGPS не представляет интереса из-за высокой стоимости (пакет услуг OmniStar на территории Европы стоит более 1500 долларов в год) и громоздкости оборудования. Да и вряд ли в повседневной жизни возникают ситуации, когда надо знать свои абсолютные географические координаты с погрешностью 10-30 см.

В заключение части, повествующей о "теоретических" аспектах функционирования GPS, скажу, что Россия и в случае с космической навигацией пошла своим путем и развивает собственную систему ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Но из-за отсутствия должных инвестиций в настоящее время на орбите находятся лишь семь спутников из двадцати четырех, необходимых для нормального функционирования системы…

Краткие субъективные заметки пользователя GPS.

Так уж получилось, что о возможности определять свое местоположение с помощью носимого приборчика размерами с сотовый телефон я узнал году в девяносто седьмом из какого-то журнала. Однако замечательные перспективы, нарисованные авторами статьи, были безжалостно разбиты заявленной в тексте ценой навигационного аппарата - почти 400 долларов!

Года через полтора (в августе 1998) судьба занесла меня в маленький спортивный магазинчик в американском городе Бостон. Какого же было мое удивление и радость, когда на одной из витрин я случайно заметил несколько разных навигаторов, самый дорогой из которых стоил 250 долларов (простенькие же модели предлагались за $99). Конечно, уйти из магазина без прибора я уже не мог, поэтому принялся пытать продавцов о характеристиках, преимуществах и недостатках каждой модели. Ничего вразумительного от них я не услышал (и отнюдь не из-за того, что плохо знаю английский), так что пришлось разбираться во всем самому. И в результате, как это нередко бывает, была приобретена самая продвинутая и дорогая модель - Garmin GPS II+, а также специальный чехол к ней и шнур для питания от гнезда прикуривателя автомобиля. В магазине имелось еще два аксессуара для теперь уже моего аппарата - устройство для крепления навигатора на велосипедном руле и шнур для соединения с РС. Последний я долго крутил в руках, но, в конце концов, все же решил не покупать из-за немалой цены (немногим более 30 долларов). Как потом оказалось, шнур я не купил совершенно правильно, ибо все взаимодействие прибора с компьютером сводится к "сливке" в ЭВМ пройденного маршрута (а также, думаю, координат в режиме реального времени, но насчет этого есть определенные сомнения), да и то при условии покупки софта от Garmin. Возможность загружать в прибор карты, к сожалению, отсутствует.

Давать подробное описание своего прибора я не буду хотя бы потому, что он уже снят с производства (желающие ознакомиться с подробной технической характеристикой могут сделать это ). Замечу лишь, что вес навигатора - 255 гр., размеры - 59х127х41 мм. Благодаря своему треугольному сечению аппарат исключительно устойчиво располагается на столе или панели приборов автомобиля (для более прочной фиксации в комплект входит липучка Velcro). Питание осуществляется от четырех пальчиковых батареек АА (их хватает лишь на 24 часа непрерывной работы) или внешнего источника. Попробую рассказать об основных возможностях моего прибора, которые, думаю, имеет подавляющее большинство присутствующих на рынке навигаторов.

С первого взгляда GPS II+ можно принять за мобильный телефон, выпущенный пару лет назад. Лишь только присмотревшись, замечаешь необычно толстую антенну, огромный дисплей (56х38 мм!) и малое, по телефонным меркам, количество клавиш.

При включении прибора начинается процесс сбора информации со спутников, а на экране появляется простенькая мультипликация (вращающийся земной шар). После первоначальной инициализации (которая в открытом месте 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 возврата", "страница меню" и ряд других. Следует заметить, что описываемый аппарат не русифицирован, однако даже с плохим знанием английского можно понять его работу.

На странице навигации отображаются: абсолютные географические координаты, пройденный путь, мгновенная и средняя скорости движения, высота над уровнем моря, время движения и, в верхней части экрана, электронный компас. Надо сказать, что высота определяется с гораздо большей погрешностью, чем две горизонтальные координаты (на этот счет есть даже специальная ремарка в руководстве пользователя), что не позволяет использовать GPS, например, для определения высоты парапланеристами. Зато мгновенная скорость вычисляется исключительно точно (особенно для быстродвижущихся объектов), что дает возможность использовать прибор для определения скорости снегоходов (спидометры которых имеют обыкновение значительно врать). Могу дать "вредный совет" - взяв напрокат автомобиль, отключите его спидометр (чтобы он насчитал поменьше километров - ведь оплата зачастую пропорциональна пробегу), а скорость и пройденное расстояние определяйте по GPS (благо он может вести измерения как в милях, так и в километрах).

Средняя скорость движения определяется по несколько странному алгоритму - время простоя (когда мгновенная скорость равна нулю) в вычислениях не учитывается (более логично, на мой взгляд, было бы просто делить пройденное расстояние на общее время поездки, но создатели GPS II+ руководствовались каким-то иными соображениями).

Пройденный путь отображается на "карте" (памяти аппарата хватает километров на 800 - при большем пробеге автоматически стираются самые старые метки), так что при желании можно посмотреть схему своих блужданий. Масштаб карты меняется от десятков метров до сотен километров, что, несомненно, исключительно удобно. Самое же замечательное состоит в том, что в памяти прибора имеются координаты основных населенных пункты всего мира! США, конечно, представлено более подробно (например, все районы Бостона присутствуют на карте с названиями), чем Россия (тут указано расположение лишь таких городов как Москва, Тверь, Подольск и т.п.). Представьте, например, что Вы направляетесь из Москвы в Брест. Находите в памяти навигатора "Брест", жмете специальную кнопку "GO TO", и на экране появляется локальное направление Вашего движения; глобальное направление на Брест; количество километров (по прямой, разумеется), оставшееся до точки назначения; средняя скорость и расчетное время прибытия. И так в любой точке мира - хоть в Чехии, хоть в Австралии, хоть в Таиланде…

Не менее полезной является так называемая функция возврата. Память аппарата позволяет записывать до 500 ключевых точек (waypoints). Каждую точку пользователь может называть по своему усмотрению (например, DOM, DACHA и т.п.), также предусмотрены различные пиктрограммки для отображения информации на дисплее. Включив функцию возврата к точке (любой из заранее записанных), владелец навигатора получает те же возможности, что и в описанном выше случае с Брестом (т.е. расстояние до точки, расчетное время прибытия и все остальное). У меня, например, был такой случай. Приехав в Прагу на автомобиле и устроившись в гостинице, мы с приятелем отправились в центр города. Оставив машину на стоянке, пошли побродить. После бесцельной трехчасовой прогулки и ужина в ресторане мы поняли, что совершенно не помним, где оставили машину. На улице ночь, мы - на одной из маленьких улочек незнакомого города… К счастью, прежде чем покинуть автомобиль, я записал его местоположение в навигатор. Теперь же, нажав пару кнопок на аппарате, я узнал, что машина стоит в 500 метрах от нас и через 15 минут мы уже слушали тихую музыку, направляясь на автомобиле в гостиницу.

Кроме движения к записанной метке по прямой, что не всегда удобно в условиях города, Garmin предлагает функцию TrackBack - возврат по своему пути. Грубо говоря, кривая движения аппроксимируется рядом прямолинейных участков, а в точках излома ставятся метки. На каждом прямолинейном участке навигатор ведет пользователя к ближайшей метке, по достижении же ее осуществляется автоматическое переключение на следующую метку. Исключительно удобная функция при езде на автомобиле по незнакомой местности (сигнал со спутников сквозь здания, конечно, не проходит, поэтому, чтобы получить данные о своих координатах в условиях плотной застройки, приходится искать более-менее открытое место).

Я не буду дальше углубляться в описание возможностей прибора - поверьте, что кроме описанных, в нем есть еще масса приятных и нужных примочек. Одна смена ориентации дисплея чего стоит - можно использовать аппарат как в горизонтальном (автомобильном), так и в вертикальном (пешеходном) положении (см. рис.3).

Одной из основных же прелестей GPS для пользователя я считаю отсутствие какой-либо платы за пользование системой. Купил один раз прибор - и наслаждайся!

Заключение.

Я думаю, нет нужды перечислять области применения рассмотренной системы глобального позиционирования. GPS-приемники встраивают в автомобили, сотовые телефоны и даже наручные часы! Недавно я встретил сообщение о разработке чипа, совмещающего в себе миниатюрный GPS-приемник и модуль GSM - устройствами на его базе предлагается оснащать собачьи ошейники, чтобы хозяин мог без труда обнаружить потерявшегося пса посредством сотовой сети.

Но в любой бочке меда есть ложка дегтя. В данном случае в роли последнего выступают российские законы. Я не буду подробно рассуждать о юридических аспектах использования GPS-навигаторов в России (кое-что об этом можно найти ), замечу лишь, что теоретически высокоточные навигационные приборы (коими, без сомнения являются даже любительские GPS-приемники) у нас запрещены, а их владельцев ждет конфискация аппарата и немалый штраф.

К счастью для пользователей, в России строгость законов компенсируется необязательностью их выполнения - например, по Москве разъезжает огромное количество лимузинов с шайбой-антенной GPS-приемников на крышке багажника. Все более-менее серьезные морские суда оборудованы GPS (и уже выросло целое поколение яхтсменов, с трудом ориентирующихся в пространстве по компасу и прочим традиционным средствам навигации). Надеюсь, власти не будут вставлять палки в колеса техническому прогрессу и в ближайшее время легализуют пользование GPS-приемниками в нашей стране (отменили же разрешения на сотовые телефоны), а также дадут добро на рассекречивание и тиражирование подробных карт местности, необходимых для полноценного использования автомобильных навигационных систем.

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Институт радиоэлектроники и информационных технологий – РТФ

Кафедра «Радиоэлектроника информационных систем»

Gps (Global Positioning System)

Реферат по дисциплине «Введение в направление»

Дата 28.10.2013

Преподаватель ___________________________ (Иванов Вячеслав Элизбарович)

Студент ________________________________ (Ахтаров Данил Надирвич)

Группа РИ-130801

Оценка _________

Екатеринбург

Введение

Заключение

Приложение

Список литературы

Введение

GPS - аббревиатура от английского Global Positioning System, в переводе на русский глобальная система позиционирования. Это система позволяет определить собственные координаты. Представляет она из себя группировку спутников - 24 штуки. Группировка эта называется NAVSTAR. Спутники не висят над одной точкой планеты, а перемещаются относительно поверхности Земли. Также, система позиционирования содержит земные станции коррекции. Проект был реализован и принадлежит военному ведомству США и первоначально задумывался только для военных целей. Основной задачей проекта является высокоточное позиционирование различных подвижных и статических объектов на местности. Этому способствует измерение расстояния, времени и определение местоположения во всемирной системе координат WGS 84.

Спутниковая Система Навигации (GPS) является американской системой, основанной на радионавигации местности, которая обеспечивает надежное расположение, навигацию, и выбор времени услуг гражданским пользователям на непрерывной международной основе - свободный доступ для всех. Для любого человека, имеющего приемник GPS, система обеспечит возможность определения местоположения и времени.

GPS составлен из трех частей: спутники, вращающиеся вокруг Земли; контроль и станций на Земле; и приемники GPS принадлежащие пользователям. Спутники GPS передают сигналы с места, которые воспринимаются и идентифицируются приемниками GPS. Каждый приемник GPS затем обеспечивает трехмерное местоположение (широта, долгота, и высота) плюс время. Люди могут купить мобильные телефоны с GPS, которые доступны через сеть коммерческих розничных продавцов. Пользователи, которые имеют приемник, GPS могут точно определить местонахождение и легко определить, куда нужно идти дальше согласно предварительно выбранному маршруту.

GPS стал оплотом систем транспортировки во всем мире, обеспечивая навигацию для авиации, наземного транспорта, и морских сообщений. Помогая во время катастроф и бедствия. GPS помогает аварийным службам для определения местоположения и возможности выбора времени для своих спасательных миссий. Каждодневные действия, такие как банковское дело, деятельность мобильных операторов, и даже контроль сети энергопередачи, облегчены благодаря точному выбору времени, предоставленными системой GPS. Фермеры, инспекторы, геологи и бесчисленные другие эксперты выполняют свою работу более эффективно, благополучно, экономно, благодаря использованию сигналов GPS.

Цель данного реферата рассмотреть такие вопросы как: история возникновения GPS, принципы работы GPS, необходимость и важность их практического использования.

GPS (Global Positioning System) - глобальная система местоопределения (навигации). Не будет преувеличением сказать, что толчок к развитию навигации с использованием космических аппаратов дал запуск в СССР первого искусственного спутника Земли (ИСЗ). Это событие произошло в 1957 году. Не секрет, что в любом подобном действии американцы видели угрозу для своей страны. Была поставлена задача следить за советским ИСЗ. Сигнал со спутника принимали на наземном пункте с известными координатами. Появился интерес к обратной задаче: расчет координат приемника на основе принятых со спутника сигналов.

В 1964 году директор лаборатории прикладной физики университета Джона Гопкинса профессор Кершнер создал спутниковую радионавигационную систему первого поколения Transit. Как правило, изобретения подобного рода создаются для военных целей. Не стала исключением и Transit. Ее целью было обеспечение навигации баллистических ракет Поларис, запускаемых с подводных лодок. Но данная система могла обеспечить точное определение координат лишь для стационарных или медленно движущихся объектов. Благодаря изобретенным в 60-х годах высокоточным атомным часам появилась возможность использовать для навигации несколько синхронизированных передатчиков, пересылающих закодированные сигналы. Чтобы рассчитать координаты приемника, необходимо было лишь измерить соответствующие временные задержки сигналов. ВМС США успешно продолжали работать над реализацией этого принципа и осуществили запуск нескольких спутников. В то время ВВС США разрабатывали идею использования для целей навигации широкополосных модулированных псевдослучайными шумовыми кодами (PRN - Pseudo Random Number code) сигналов с использованием одной несущей частоты. А в 1973 году ВМС и ВВС США объединились в общую Навигационную технологическую программу. Как следствие, появилась программа Navstar GPS.

Свой «ответ Чемберлену» - американской GPS - пытаются разработать в Европе, России и Китае.
Европейская Galileo - будет состоять из 30 спутников. Ожидается, что «Галилео» войдёт в строй в 2013 году. В отличие от американской GPS и российской ГЛОНАСС, система Галилео не контролируется ни государственными, ни военными учреждениями.
Расчётная орбита высотой более 23000 км с наклонением 56°.

ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАциональная Спутниковая Система) – 27 спутников. Спутники находятся в трёх плоскостях на высоте примерно 19 100 км. В ГЛОНАСС используется частотное разделение сигналов, т. е. каждый спутник работает на своей частоте и, соответственно, L1 находится в пределах от 1602,56 до 1615,5 МГц и L2 от 1246,43 до 1256,53.

Свою независимую спутниковую навигационную систему с 1993 года развертывает и Китай. Проект Beidou (тамошнее название Большого Ковша - созвездия Большой Медведицы) стартовал 30 октября 2000 года. В Пекине планируют, что система начнет работать уже к 2012 году. На полную мощность "Бэйдоу" выйдет к 2020 году.

IRNSS (англ. Indian Regional Navigation Satellite System) - Индийская навигационная спутниковая система, в состоянии разработки. Предполагается для использования только в этой стране. Общее количество спутников системы IRNSS: 7. Проектная дата завершения работ: 2011 год.

О спутниках

Первый спутник для работы GPS был запущен в феврале 1978 года. Сегодня система включает в себя 31 спутник. Для покрытия земного шара необходимо только 24 спутника, остальные выступают в качестве запасных. Спутники распределены по шести орбитам на высоте около 20 000 км (по четыре спутника на каждой орбите) и имеют наклон 55° по отношению к экватору. Они движутся со скоростью около 3 км/с (два оборота вокруг Земли менее чем за сутки). Такая конфигурация системы позволяет принимать сигнал сразу от нескольких спутников практически в любом месте Земли (за исключением некоторых приполярных областей). Вес каждого спутника около тонны, а размер с раскрытыми солнечными батареями - около 5 м. Мощность передатчика порядка 50 Вт. Каждый спутник рассчитан на работу в течение десяти лет. Новые спутники запускаются на орбиту по мере необходимости, например в случае выхода из строя или необходимости провести профилактические работы.

Как это работает

Прежде чем мы приступим к описанию принципов работы GPS, придется ознакомиться с некоторыми терминами и даже вспомнить формулы из школьного курса физики.

Задача трилатерации

Итак, задачей трилатерации (триангуляции) является вычисление координат объекта путем измерения его удаленности от точек с заданными координатами. В нашем случае объектом является GPS-приемник, а точками с заданными координатами - три спутника системы GPS. Впрочем, обо всем по порядку.

Каким образом становятся известны координаты спутников? Министерство Обороны США имеет четыре станции слежения, три станции связи и центр управления для контроля орбит и координат спутников. Станции слежения непрерывно отслеживают спутники и передают данные в центр управления. В центре управления вычисляются уточненные элементы орбит и коэффициенты поправок спутниковых часов. Эти данные составляют так называемый альманах, который передается по каналам станций связи на спутники.

Перейдем непосредственно к задаче определения координат. Предположим, что расстояние А до одного спутника известно. Тогда мы можем описать вокруг него сферу заданного радиуса. Но координаты объекта (GPS-приемника) определить невозможно, так как известно лишь то, что он находится где-то на поверхности описанной сферы. Если известно расстояние В и до второго спутника, то объект находится на окружности, образованной пересечением двух сфер. Третий спутник позволяет определить две точки на окружности.

Теперь нам остается выбрать правильную точку. Одна точка может быть отброшена, так как находится внутри Земли или высоко над ней. Таким образом, получив данные от трех спутников, можно узнать координаты объекта. Также окончательную точку можно выбрать, сверив с данными от четвертого спутника. Но не все так просто, как кажется на первый взгляд. Приведенные рассуждения актуальны для случая, когда расстояния до спутников известны с абсолютной точностью. Как же определяются эти расстояния и что является источником вносимой погрешности?

Задачей дальнометрии является определение расстояние до объекта по временной задержке распространения радиосигнала от него. Используется всем известная со школьной скамьи формула х =V * t (расстояние равно скорости, умноженной на время). Каждый спутник передает радиосигналы с заданной частотой. Для гражданских целей используется частота F1 = 1575.42 MHz. Для военных целей - частота F2 = 1227.60 MHz. Передаваемый сигнал модулируется псевдослучайным кодом (PRN). Существует грубый код - С/А-код (Coarse Acquisition code), используемый в гражданских приемниках, и точный P-код (Precision code), используемый в военных целях и иногда для нужд геодезии и картографии. На спутнике и в приемнике одновременно генерируется одинаковый PRN. Получив сигнал, GPS-приемник определяет временную задержку и, умножая эту цифру на скорость света (скорость распространения радиоволн), вычисляет расстояние до спутника.

Чтобы расстояние было вычислено точно, необходима идеальная синхронизация часов на спутнике и в приемнике, что достигается за счет применения атомных часов, находящихся на борту спутника. Естественно, что устанавливать такие часы в каждый GPS-приемник невозможно. Поэтому для получения точных координат применяют некоторую избыточность в данных. Например, для определения координат используют данные от четырех или более спутников. Получив сигналы от нескольких спутников, приемник ищет точку пересечения соответствующих окружностей и, если такую точку не находит, то компьютер в приемнике начинает корректировать время методом последовательных итераций до тех пор, пока не сведет все измерения к одной точке. Таким образом, чем больше спутников, тем точнее измерение. Стандартные гражданские GPS-приемники могут принимать сигналы от двенадцати спутников одновременно. При этом спутники выведены на орбиту таким образом, чтобы по крайней мере четыре из них приемник "видел".

Какие же сигналы передает спутник? Его сигнал содержит “псевдослучайный код” (PRN - pseudo-random code), эфимерис (ephimeris) и альманах (almanach).

Псевдослучайный код служит для идентификации передающего спутника. Все они пронумерованы от 1 до 32 и этот номер, если это предусмотрено программой, показывается на экране GPS приёмника во время его работы. Дополнительные номера предназначены для резервных спутников, которые так же находятся на орбите и в любой момент могут заменить вышедший из строя спутник.

Данные эфимериса , постоянно передаваемые каждым спутником, содержат такую важную информацию, как состояние спутника (рабочее или нерабочее), текущая дата и время. Каждый GPS спутник передаёт только данные своего собственного эфимериса. Эти данные действительны только 30 минут. Спутники передают свой эфимерис каждые 30 секунд.

Данные альманаха передаются каждые 12.5 минут и говорят о том, где в течение дня должны находиться все GPS спутники. Каждый из них передаёт альманах, содержащий параметры своей орбиты, а также параметры всех других спутников системы. Последний полученный альманах сохраняется в памяти даже при выключенном питании, однако некоторые карманные модели приёмников теряют эти данные, если вынуть из них батарейки на достаточно продолжительное время. Однажды запомненный альманах используется программой приёмника для различных целей. Данные альманаха не отличаются большой точностью и действительны несколько месяцев.

Ваш GPS приёмник получает сигнал спутника, запоминает эфимерис и альманах для дальнейшего использования. Эта же информация используется для установки или коррекции часов приёмника. Если GPS был отключён более 30 минут, а потом включён, он начинает искать спутники, основываясь на известном ему альманахе. По нему GPS выбирает спутники для инициации поиска. Когда GPS приёмник фиксирует спутник, он показывает на экране "пустой" столбик силы сигнала. В этот момент ещё идёт процесс сбора данных эфимериса. Когда эфимерис каждого спутника принят, соответствующий ему столбик силы сигнала закрашивается чёрным цветом и данные, принятые от спутника считаются подходящими для навигации. Если питание приёмника отключить, а потом снова включить в течении 30 минут, он "поймает" спутники очень быстро, т.к. не надо будет снова собирать данные эфимериса. Это называется "горячий" старт .

Если после отключения прошло более 30 минут, будет произведён "тёплый " старт и GPS приёмник снова начнёт собирать данные эфимериса. Если GPS приёмник был перевезён (в выключенном состоянии) на несколько сотен километров или внутренние часы стали показывать неточное время, то данные имеющегося альманаха являются неверными. В таком случае навигатору требуется выполнить новый "поиск неба" (переинициализация) для загрузки нового альманаха и эфимериса. Это уже будет "холодный " старт.

Иногда бывает такая ситуация, что GPS приёмник долго не может "поймать" спутники. При этом на экране "Спутники" отображается пустое небо без номеров спутников. Оживить GPS поможет программка GPS Utility. Кроме неё, Вам потребуется рабочий GPS приёмник. С помощью программы Вы можете выкачать альманах из рабочего приёмника в ПК, а потом, подключив "мёртвый" GPS, закачать в него.

GPS приемники

GPS-приёмник - радиоприёмное устройство для определения географических координат текущего местоположения антенны приёмника, на основе данных о временных задержках прихода радиосигналов, излучаемых спутниками группы NAVSTAR.

Максимальная точность измерения составляет 3-5 метров, а при наличии корректирующего сигнала от наземной станции - до 1 мм (обычно 5-10мм) на 1 км расстояния между станциями (дифференциальный метод). Точность коммерческих GPS-навигаторов составляет от 150 метров (у старых моделей при плохой видимости спутников) до 3 метров (у новых моделей на открытом месте). Кроме того, при использовании систем SBAS и местных систем передачи поправок точность может быть повышена до 1-2 метров по горизонтали. До 1 мая 2000 года точность искусственно занижалась путем внесения в передаваемые спутником данные помех.

На базе GPS-приёмников создаются как самостоятельные устройства - GPS-навигаторы, GPS-трекеры, имеющие собственный процессор для необходимых расчётов и (в основном, у навигаторов) дисплей для отображения информации, и GPS-приставки к КПК и ноутбукам, которые бывают беспроводные (BlueTooth) и проводные (USB, RS-232). Последние также жаргонно называют GPS-мышками из-за внешнего сходства с компьютерными мышами. Помимо этих устройств, для GPS-навигации используются онбордеры (встроенные автомобильные компьютеры).

Оборудование условно делится на пользовательское и профессиональное. Профессиональное отличается качеством изготовления компонент (особенно антенн) и ПО, поддерживаемыми режимами работы (например RTK, binary data output), рабочими частотами (L1+L2), алгоритмами подавления многолучевости, солнечной активности (влияние ионосферы), поддерживаемыми системами навигации (например GPS - ГЛОНАСС приёмники) и, разумеется, ценой. Приемники бывают одноканальными и многоканальными.

Одноканальным GPS приёмникам приходиться осуществлять последовательно захват каждого GPS спутника. По этому каналу осуществляется как слежение за спутниками, так и передача технической информации о состоянии спутника и системы в целом.

Многоканальные GPS приёмники используют несколько каналов для слежения за несколькими спутниками одновременно. Многоканальные GPS приёмники работают более эффективно, чем одноканальные приёмники. В идеальных условиях, со стационарно расположенным C/A кодовым приёмником, когда нет никаких препятствий закрывающих видимость спутников, многолучёвого переотражения или других факторов снижающих точность, разница практически будет незаметна. Однако в реальных условиях, когда приёмник передвигается или сигнал от спутников может прерываться, приёмники с большим числом каналов будут работать лучше. Вам необходимо иметь, по крайней мере, 4-х канальный GPS приёмник для выполнения высокоточных работ с использованием фазовых измерений. Это связанно с тем, что фазовому приёмнику требуется один канал на каждый спутник для выполнения измерений.

Спутниковый GPS сигнал может быть принят из любого направления. Для получения наилучшего результата, антенну необходимо установить в районе с максимально открытым участком неба (вплоть до горизонта).

От чего зависит точность определения координат GPS приёмников?

GPS приёмник на основании полученной со спутников информации определяет расстояние до каждого спутника, их взаимное расположение и вычисляет свои координаты по законам геометрии. При этом, для определения 2-х координат (широта и долгота) достаточно получить сигналы с трёх спутников, а для определения высоты над уровнем моря - с четырёх.

Постоянно отслеживая Ваше местоположение в течение некоторого времени, приёмник также может рассчитать скорость и направление Вашего движения.

Прямая видимость необходима для устойчивого приёма сигнала со спутника. В автомобиле, среди высоких зданий, в горах или в глубоких ущельях возможности приёмника GPS могут быть существенно ограничены. Если сигналы от некоторых спутников оказываются экранированы, то точность определения местоположения будет зависеть от оставшихся “видимыми” спутников. Чем большая часть неба заслонена искусственными или естественными предметами, тем более сложно определить положение.

Другим фактором, влияющим на точность GPS приёмника, является геометрия спутников. Простыми словами, понятие “геометрия спутников” означает то, как они расположены относительно друг друга и GPS приёмника. Если, например, приёмник “видит” четыре спутника и все четыре расположены в северном и западном направлениях, то такая спутниковая геометрия не позволит получить максимальную точность. Если же эти четыре спутника будут находиться в разных направлениях, то точность значительно возрастёт.

Другим источником ошибок является переотражение спутникового сигнала от различных объектов. Переотражение возникает при взаимодействии сигнала со зданиями или рельефом местности до того, как он достигнет приёмной антенны. Такому сигналу требуется больше времени для достижения приёмника, чем прямому. Это увеличение времени заставляет приёмник считать, что спутник находится на большем расстоянии, чем на самом деле, что увеличивает ошибку при определении положения.

Существуют и другие источники погрешностей. Например, задержка прохождения сигнала из-за различных атмосферных феноменов. Однако GPS приборы спроектированы так, чтобы, по возможности, компенсировать возможные ошибки. Однако, небольшие погрешности измерений всё же всегда присутствуют, но не превышают нескольких метров. Этого вполне достаточно для решения задач навигации подвижных объектов (туристы, автомобили, самолёты, корабли и т.д.).

Глобальные системы координат и отсчетов.

С наступлением космической эры, наконец, удалось взглянуть на землю со стороны, более точно определить ее форму, размеры и корректно "порезать" на параллели и меридианы. В результате в США появился эллипсоид WGS84 и одноименная с ним общеземная система координат, а в СССР система координат "Параметры земли ПЗ-90" , которые отличаются между собой всего на полметра. В Европе уже тоже есть своя система, предназначенная для, пока еще не существующей, навигационной системы Galileo.

Эталонной считается "Международная земная система отсчета" (ITRF) . Ее положение в теле земли круглосуточно контролируется спутниковыми измерениями координат нескольких сотен пунктов по всему земному шару. Точность ее такова, что на координаты в ней влияют не только движения материков по нескольку сантиметров в год, но и таяние ледников, и крупные землетрясения. Поэтому параметры этой системы публикуются ежегодно, а координаты пунктов в этой системе даются с обязательным указанием эпохи (года) когда эти координаты были измерены. Так, WGS84 привязана к системе ITRF эпохи 1984, а ПЗ-90 соответственно к ITRF 1990.

Системы координат спутниковых навигационных систем WGS84 и ПЗ-90 тоже не отстаются неизменными. Они становятся более точными и более удобными для использования. WGS84 за время своего существования утоянялась 3 раза. В настоящее время используется версия WGS84 G1150. Правда изменения настолько малы, что пользователи бытовых GPS навигаторов могут считать, что их не было.

Совсем другая ситуация с российской ПЗ-90. В ноябре 2007 года система была изменена и стала называться ПЗ-90.02. Параметры ее изменились сразу на несколько метров, но зато, она стала почти совпадать с ITRF и WGS84. Опять же, для пользователей навигаторов, теперь можно считать их идентичными.

Координаты в глобальных системах измеряют не в градусах, а в метрах знакомой нам со школы трехмерной декартовой системе, где ось Z направлена от центра земли на северный полюс, ось X пересекает гринвичский меридиан, а ось Y направлена, как всегда, вбок.

В глобальных системах отсчета не делают карт и их эллипсоиды не являются референсными. Их задача взаимоувязка разных датумов разных стран и регионов и определение коэффициентов для точного пересчета координат из одной системы в любую другую и обратно. Исключение составляет WGS84, которая, благодаря GPS, стала такой популярной, что изготовление карт на ее базе - занятие, хоть и не вполне законное, но весьма распространенное.

Координаты и датумы в спутниковых навигаторах.

Если опустить геодезические тонкости, то для нас датум - это размеры эллипсоида, принятого за основу в данной стране (так называемый опорный или референц эллипсоид) плюс коэффициенты, характеризующие его смещение и поворот, для совмещения с территорией данной страны. В практике спутниковой навигации набор из пяти коэффициентов для пересчета координат из WGS-84 в данную систему координат и называются датумом этой системы .

Чтобы не иметь проблем - запомните раз и навсегда: все GPS-навигаторы все вычисления производят в своей родной системе WGS-84 ! В этой же системе они сохраняют в своей памяти точки, треки и маршруты. В ней же принято передавать координаты в компьютеры и другие устройства и сохранять данные в файлы. Координаты дорог, населенных пунктов, гор и озер в загруженной в навигатор карте тоже хранятся в WGS, не зависимо от того, в какой системе эта карта была построена. ГЛОНАСС приемники делают то же самое, но в своей ПЗ-90.

Даже если ваш GPS приемник умеет передавать данные в системе отличной от WGS-84, а программа умеет такие данные принимать, никогда этого не делайте! В лучшем случае вы потеряете точность на двух лишних преобразованиях, а в худшем ваши точки "уедут" метров на 150 и вы долго будете спрашивать на форумах, почему.

Для пользования навигатором вам вообще не нужны никакие другие датумы кроме WGS-84. В этой системе вы можете хранить координаты, передавать их друзьям, публиковать в Интернете. По таким координатам вас быстро найдет спасательная служба любой страны, несмотря на то, что у них, возможно, принята другая система. Другой датум может понадобиться вам только в том случае, если у вас есть бумажная карта в другой системе координат, и вы захотите найти текущую точку на этой карте или ввести в навигатор координаты точки, определенные по карте. Вот для этого, и только для этого, в навигаторе нужно менять датум.

Изменение настройки датума в навигаторе никоим образом не меняет алгоритм его работы. Он все вычисляет, хранит и передает, как и прежде в WGS-84, и только тогда, когда координаты нужно показать на экране, присчитывает их в нужную вам систему. Координаты, введенные вами с клавиатуры, он, прежде всего, преобразует в WGS и потом поступает с ними как обычно.

В большинстве навигаторов есть целый список датумов, которые можно выбрать. Если, как назло, в этом списке нет именно того датума, который вам нужен - не отчаивайтесь. Там есть датум под названием "User" или "пользовательский". Выберите его и вручную введите коэффициенты для преобразования WGS-84 в датум, который вам нужен. Где взять эти коэффициенты - это уже отдельный вопрос.

Если вы поменяли датум в навигаторе, во избежание проблем, предупреждайте всех, кому вы тем или иным способом пытаетесь передать какие-то координаты, что они не в WGS-84.

Форматы отображения координат

Этот вопрос не связан с датумами, но тоже может стать источником серьезных проблем.
На уроках географии нас учили, что координаты задаются в угловых градусах, минутах и секундах. Многие, но, как ни странно, не все, еще помнят, что в градусе 60 минут, а в минуте 60 секунд. Спутниковые навигаторы так точны, что угловые секунды показывают еще и с десятичными долями после десятичной точки. Например, координаты известного в Крыму водопада Джур-Джур будут показаны так:

44°48"19.44"N 34°27"35.52"E
чаще вот так
44 48 19.44N 34 27 35.52E

Такой формат обозначатся в литературе и в настройках навигаторов как DD MM SS.SS - градусы (degrees), минуты (minutes) секунды (seconds). Но он не является единственным. В спутниковой навигации чаще используется другой формат - DD MM.MMMM (градусы и минуты с десятичными долями). Тот же водопад в этом формате:

44°48.3240"N 34°27.5920"E

Многим программам и Excel-ным таблицам необходимы координаты в градусах обычным действительным числом - DD.DDDDDD. Очень часто в таком формате координаты записываются в файлы и передаются по кабелям. Вот так:

44.805400N 34.459867E
или даже так
44.805400, 34.459867

Если вы в состоянии умножать и делить на 60, то ничего сложного здесь нет. Главное не перепутать и не запутать других.

Во всех навигаторах можно выбрать как минимум любой из трех перечисленных форматов. Часто там предусмотрен еще и вывод координат в метрах UTM или UserGrid. Такие координаты очень удобны при работе с бумажными картами. Поэтому, мы и говорить о нем будем там, где будем говорить о картах...

При написании статьи использованы материалы с сайтов

GPS (Global Positioning System - глобальная система определения координат) - спутниковая поисковая система, составленная из совокупности 24 спутников, помещенных на орбиту американским Министерством обороны и наземных станций слежения, объединенных в общую сеть. Глобальная система определения координат работает в любых метеорологических условиях, в любой точке мира, 24 часа в день. Никаких ограничений на использование системы определения координат не существует.

История развития GPS

GPS изначально разрабатывалась в сугубо военных целях: система обороны нуждалась, с одной стороны, в средствах наведения высокоточного оружия дальнего действия и, с другой стороны, в универсальной системе навигации, доступной для массового применения в армии. Объединив эти задачи в одну –создание системы точного позиционирования, - с 1960-х годов Министерство обороны США приступило к работе. Видя перспективность этой системы не только для военных целей, разработчикам была поставлена задача, чтобы оборудование было доступно широкому кругу пользователей, но при условии, что военные смогут в любой момент ограничить действие системы.

Когда основные требования к системе были определены, военно-морские и военно-воздушные силы США приступили к разработке концепции использования радиосигналов, излучаемых со спутников, в целях навигации. Безусловно, поводом послужил запуск первого искусственного спутника. США следили за его полетом, принимая сигнал бортового передатчика на наземных пунктах с заранее известными координатами. Были изучены параметры прохождения сигналов через толщу земной атмосферы и возникающий при движении спутника по орбите доплеровский сдвиг частоты, по которому можно вычислить полную орбиту спутника. Доктор Фрэнк МакКлар (FrankT McClure) из APL(Applied Physics Laboratory) указал, что, наоборот, если известна полная орбита спутника, то по доплеровскому сдвигу можно вычислить точное положение спутника на орбите. Возник интерес к обратной задаче: расчет координат приемника на основании принятых со спутника сигналов.

Система Transit, разработанная в 1964 году, стала предшественником GPS. Она состояла из 7 низкоорбитальных спутников, которые излучали стабильные сигналы. Несколько наземных станций контролировали и корректировали параметры орбиты. Пользователи определяли свои координаты на земной поверхности, измеряя доплеровский сдвиг частоты от каждого спутника. В 1967 году система Transit стала доступна для гражданских пользователей. Она была очень быстро приспособлена для навигации судов, но из-за большого количества недостатков не могла применяться в самолетах и других быстродвижущихся объектах.

Второй предшественник GPS, Timation, был разработан под руководством Роджера Истона в NRL (Naval Research Laboratory, Военно-морская исследовательская лаборатория). Программа исследований стартовала в 1964 году и включала в себя запуск двух искусственных спутников, несущих на борту сверхстабильные часы, передачу со спутника прецизионных сигналов точного времени и определение двухмерных координат приемника. Основная идея состояла в использовании синхронизированных передатчиков, излучающих закодированных сигнал. Измеряя задержку прохождения сигнала от спутников, имеющих заранее известные координаты, можно вычислить расстояние до спутников и рассчитать на основании этого координаты приемника. Таким образом, был заложен и экспериментально опробован базовый принцип работы GPS.

Тем временем ВВС США работали над трехмерной системой («Система 621В») с непрерывным доступом. В 1972 году была продемонстрирована работа системы, использующей новый метод разделения сигналов спутников – кодовое разделение на основе псевдослучайного шумоподобного сигнала. В этом варианте все спутники излучают на одной несущей частоте, которая модулируется сверхдлинным псевдослучайным кодом, индивидуальным для каждого спутника, который позволял значительно увеличить помехоустойчивость и передавать в сигнале информацию о положении спутников (эфемериды), а также метки точного времени. В простейшем случаем коды могли быть как открытыми для общего пользования, так и секретными. Гражданским пользователям были доступны только открытые коды, поэтому достаточно было внести преднамеренные погрешности в информацию, передаваемую открытыми кодами, как работоспособным останется только военное оборудование, а гражданские приемники перестанут функционировать с приемлемой точностью. Во время испытаний этой системы была сформулирована концепция глобальной системы из 16 спутников на геостационарных орбитах, чьи проекции на земную поверхность были вытянуты на 30° севернее и южнее экватора.

В течение последующих нескольких лет комитет, собранный для координации усилий всех исследовательских групп, разрабатывающих различные навигационные системы, окончательно определил, какой должна быть система спутниковой навигации. В апреле 1973 ода военно-воздушные силы были утверждены, как ведущий разработчик DNSS (Defensive Navigation Satellite System, оборонительная система спутниковой навигации). В декабре того же года Министерство обороны США утвердило и профинансировало первый из трех этапов разработки NAVSTAR GPS, системы, построенной по сформулированной концепции.

Первый этап подразумевал экспериментальное подтверждение пригодности общей концепции спутниковой навигационной системы, демонстрацию заложенного в нее потенциала и конкретизацию дальнейшего плана работ. Во второй этап включались полномасштабные инженерные разработки, в третий – производство и развертывание сегментов GPS. Первые экспериментальные спутники позволили опробовать метод измерения дальности с использованием широкополосного радиосигнала и прецизионных меток времени, получаемых от атомных часов. Круговые орбиты спутников последовательно увеличивались с 925 км до 13000 км, а затем достигли окончательной величины в 20145 км. Так же последовательно менялась несущая частота передатчиков: сначала 400 МГц, затем 1227 МГц, и позднее достигла современного значения 1575 МГц. Военные предусмотрели двойное назначение спутников GPS, в дополнение к имеющемуся оборудованию позиционирования и точного времени, спутники могли нести на борту датчики ядерного взрыва (NUDET, nuclear detonation), предназначенные для обнаружения фактов испытания ядерного оружия, выявления ядерной атаки и оценки масштабов разрушений.

В августе 1979 года все базовые компоненты системы были введены в строй, Объединенный Центр объявил о переходе к следующему этапу работ. Период с 1980 по 1989 годы отмечен попытками сохранить устойчивое развитие GPS, сопровождавшееся несколькими существенными спадами, связанными главным образом с проблемами финансирования. Первый спутник этого периода был выведен на орбиту в феврале 1989 года и приступил к работе в апреле. Затем были запущены еще 23 спутника.

Одновременно со спутниковым сегментом развивались наземный и пользовательский. Управление было перенесено на авиабазу Фэлкон, штат Колорадо. Система была полностью протестирована и продемонстрировала успешное взаимодействие между наземными пунктами управления, спутниками и оконечным оборудованием.

Первым полномасштабным боевым испытанием для системы стал кризис в Персидском заливе, случившийся в 1990-1991 годы. Спутники GPS позволили силам антииракской коалиции маневрировать, определяться на местности и вести огонь с беспрецедентной точностью 24 часа в сутки. Условия были тяжелейшие – частые песчаные бури, отсутствие мощенных дорог, растительного покрова и других ориентиров.

В марте 1994 года формирование созвездия GPS было завершено запуском 24-го спутника. Система поддерживает стометровую точность позиционирования для гражданских пользователей. Также было заявлено, что Министерство обороны США обязуется за 48 часов уведомлять гражданских пользователей о плановом отключении сервиса стандартного позиционирования и уведомлять об аварийных ситуациях. С 1996 года на орбиту начали выводить спутники нового типа, имеющие расширенные возможности, включая систему автономной навигации. Она позволяет спутнику, в случае невозможности контакта с наземной станцией, функционировать автономно без потери точности как минимум 180 дней.

Во время разработки первоначальной концепции GPS считалось, что точности в 100 метров будет достаточно для гражданских пользователей. При испытаниях в конце 1970-х годов выяснилось, что коды стандартной точности позволяют достичь значительно лучших результатов. Реальная точность позиционирования в то время находилась в пределах 20-30 м. Для обеспечения преимущества военных в использовании GPS было решено ввести преднамеренное ограничение точности для гражданских пользователей (вводились преднамеренные ошибки в передаваемые спутниками навигационные данные, занижалась точность эталонных сигналов времени). Применение GPS расширялось, и вскоре стандартная стометровая точность перестала удовлетворять людей. В полночь с 1 на 2 мая 2000 года принудительное отключение точности было отключено.

Состав системы

Система GPS состоит из трех сегментов:

• космический сегмент
• сегмент контроля и управления
• сегмент навигационной аппаратуры потребителей/аппаратуры спутниковой навигации

Космический сегмент

В настоящее время орбитальная группировка GPS насчитывает 32 КА.

Ведутся работы по обновлению системы GPS путём замены орбитальной группировки на НКА пятого поколения (GPS-III), для чего:

В Вотертоне, шт. Колорадо, компанией Lockheed Martin выполнена сборка 10 НКА GPS-III;

Запуск НКА GPS-IIISV01 произведен в декабре 2018 г. ракето-носителем Falcon-9 (первый из десяти спутников системы GPS –III, которые должны постепенно заменить собой другие аппараты, находящиеся сейчас на орбите);

ВВС США в сентябре 2018 г. заключили дополнительный контракт с компанией Lockheed Martin на изготовление 22 НКА GPS-IIIF;

Компания Raytheon поставила систему начального этапа наземного комплекса управления (НКУ) нового поколения, известную как Блок 0, для обеспечения запусков и орбитальных проверок НКА GPS-III.

Использование НКА GPS-III должно обеспечить повышение потребительских характеристик, в том числе: мощность, устойчивость, надёжность, помехозащищённость, точность местоопределения, расширить возможности использования гражданского сигнала L1C и сигнала для военных потребителей M-Code.

Внедрение новых навигационных сигналов GPS обеспечивает совершенствование структуры цифровой информации и применением новых видов модуляции, а также переход от структуры навигационного сообщения типа NAV на структуры типа CNAV и CNAV-2, более точно передающие в новом формате информацию о состоянии GPS (текущее время, признаки состояния КА, эфемеридно-временная информация, альманах системы и т.п.). При этом сообщения передаются в виде пакетов различной длительности вместо используемой архитектуры суперкадров/кадров.

Существенным изменением структуры CNAV является увеличение количества КА, используемых по целевому назначению, с 32 до 63, а также возможность оперативно передать данные о работоспособности конкретного аппарата (целостности) с задержкой не более 6 с.

Дополнительные возможности

Система обнаружения ядерных взрывов.

Спутниковая система оповещения о чрезвычайных ситуациях DASS.

Блоки КА

Принцип работы

Спутники системы двигаются по точной орбите с периодом обращения 11 часов 58 минут и передают информацию на Землю. Приемники GPS принимают эту информацию и, используя триангуляцию (разбивку на треугольники), вычисляют точное местоположение пользователя. По существу, приемник GPS сравнивает время, переданное спутником со временем, когда это время было отправлено. Разница во времени говорит приемнику о том, как далеко находится спутник. Измерив такое расстояние еще до нескольких спутников, приемник может определить положение пользователя и, например, показать ее на электронной карте навигационного приемника (навигатора).

Навигатор должен быть привязан к сигналам, по крайней мере, трех спутников для определения двух координат (широта и долгота). Имея четыре или больше спутников в поле зрения, приемник может определить три координаты пользователя (широта, долгота и высота). Как только положение пользователя будет определено, система может вычислить другую информацию, типа скорости, курса, пройденного расстояния, расстояния до точки назначения, восхода солнца и времени заката и т.д.

Сегодняшние приемники глобальной системы определения координат чрезвычайно точны благодаря своей параллельной многоканальности. 12 параллельных приемников GPS способны поддерживать сигналы со спутников даже в плотной листве или городских зданиях. Некоторые атмосферные факторы и другие источники погрешности могут влиять на точность приемников глобальной системы.

Более новые модели приемников GPS с системой WAAS (Wide Area Augmentation System) способны улучшить точность определения координат до 2-3 метров. Эта расположенная в космосе система передает информацию, обеспечивающую непрерывность спутниковых сигналов, а также данные корректировок, определяемые наземными станциями. Правительства США, Канады и других государств установили дифференциальные GPS-станции (DGPS ), предназначенные для передачи корректирующих сигналов. Эти станции работают в прибрежных районах, а также в бассейнах судоходных рек. Пользование системой DGPS является бесплатным. Сигналы, передаваемые станциями DGPS, не только корректируют ошибки при расчете местоположения, но также компенсируют ухудшение точности GPS, вызванное использованием программы SA (Selective Availability), проводимой Департаментом Обороны США. Для использования DGPS требуется дополнительное оборудование.

Источники ошибок сигнала GPS

Факторы, которые могут ухудшить сигнал GPS и таким образом повлиять на точность, следующие:

• Ионосфера и задержки тропосферы - спутниковый сигнал слабеет, поскольку проходит через атмосферу. Система GPS использует встроенную программу, которая вычисляет среднее количество задержки, чтобы частично исправить ошибки данного типа.
• Разветвленный сигнал - Это происходит, когда сигнал глобальной системы определения координат отражен от объектов типа высоких строений или поверхностей скал до того, как достигает приемника. Это увеличивает время прохождения сигнала, таким образом, вызывая ошибки.
• Ошибки часов приемника - встроенные часы приемника не столь же точны как бортовые атомные часы спутника GPS. Поэтому, это может иметь очень небольшие ошибки синхронизации.
• Орбитальные ошибки - Также известны как эфемероидные ошибки, - погрешности местоположения спутника.
• Количество спутников - Чем больше спутников может видеть приемник, тем лучше точность. Модули глобальной системы обычно не будут работать в закрытом помещении, под водой или землей.
• Спутниковая геометрия - Это относится к относительному положению спутников в любое данное время. Идеальная спутниковая геометрия существует, когда спутники расположены под широкими углами относительно друг друга.
• Намеренное снижение производительности спутникового сигнала - Основным источником было наличие, так называемого, режима "ограниченного доступа". В этом режиме в сигналы спутников Министерством обороны США априорно вводилась погрешность, позволяющая определять местоположение с точностью 30-100 м. С 1 мая 2000 года режим "ограниченного доступа" был отключен.

Применение GPS

Несмотря на то, что изначально проект GPS был направлен на военные цели, сегодня GPS широко используются в гражданских целях. GPS-приёмники продают во многих магазинах, торгующих электроникой, их встраивают в мобильные телефоны, смартфоны, КПК и онбордеры. Потребителям также предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть своё местонахождение на электронной карте; имеющие возможность прокладывать маршруты с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже пробок; искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие объекты инфраструктуры.

• Геодезия: с помощью GPS определяются точные координаты точек и границы земельных участков
• Картография: GPS используется в гражданской и военной картографии
• Навигация: с применением GPS осуществляется как морская, так и дорожная навигация
• Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью GPS ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением
• Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах, например США это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В России в 2010 году начата реализация аналогичного проекта - Эра-глонасс.
• Тектоника, Тектоника плит: с помощью GPS ведутся наблюдения движений и колебаний плит
• Активный отдых: есть разные игры, где применяется GPS, например, Геокэшинг и др.
• Геотегинг: информация, например фотографии «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам