На фото: GPS-навигатор Magellan Blazer 12

(кликать на картинках для просмотра в полном размере)

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 м, а при наличии корректирующего сигнала от наземной станции — до 1 мм (обычно 5—10 мм) 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.

Классификация

Устройства, использующие в своей работе сигнал со спутников GPS, можно разделить на профессиональные, обладающие высокой точностью определения местоположения и бытовые. Первые в основном используются в военных целях, для геодезии и картографии, а вторые получили широкое применение в различных сферах современной жизни.

Профессиональное GPS оборудование отличается качеством изготовления компонентов (особенно антенн), используемым программным обеспечением (ПО), поддерживаемыми режимами работы (например RTK, binary data output), рабочими частотами (L1 + L2), алгоритмами подавления интерференционных зависимостей, солнечной активности (влияние ионосферы), поддерживаемыми системами навигации (например NAVSTAR GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Beidou), увеличенным запасом электропитания и разумеется, ценой.

Основа любого GPS-приемника – это чипсет, на котором он работает. Долгое время все приемники выпускались с 12-канальными чипсетами. Кроме того, что 12 каналов не достаточно для быстрого «Холодного старта» - первоначального определения своего местоположения, такие приемники нуждались в открытом небе, т.к. работали только с прямой видимостью спутников (минимум 3; чем больше, тем точнее). На сегодняшний день все подобные приемники считаются устаревшими и сняты с производства.

GPS приёмники для широкого круга пользователей можно классифицировать следующим образом:

• автомобильные и портативные (туристические) GPS-навигаторы, GPS-трекеры, GPS-логгеры, которые могут представлять из себя отдельное устройство или быть встроенными в транспортное средство в качестве бортового компьютера (онбордера);
• GPS приёмники, встроенные в другие устройства (КПК, ноутбук или мобильный телефон);

Первые имеют собственный процессор для выполнения навигационных функций, а вторые, даже будучи оснащёнными собственными GPS чипсетами используют для своей работы навигационные приложения, предназначенные для конкретной операционной системы основного устройства. Как правило GPS-трекеры и GPS-логгеры не оснащаются собственными дисплеями для отображения информации, ведь они служат исключительно для сбора, передачи и хранения данных, которые впоследствии могут быть обработаны и использованы в самых разных целях, например для GPS мониторинга.

Подавляющее большинство автомобильных и портативных GPS-навигаторов представляют собой устройство, в котором присутствуют несколько важных компонентов, от которых во многом зависит точность и качество работы прибора:

• GPS чипсет - процессор, самая важная часть любого навигатора
• оперативная память
• дисплей для отображения информации

Современные автомобильные навигаторы способны прокладывать маршрут с учётом организации дорожного движения и осуществлять адресный поиск. Они могут обладать обширной базой объектов инфраструктуры, которая послужит для быстрого поиска пунктов общественного питания, автозаправочных станций, мест для стоянки и отдыха. Некоторые модели способны принимать и учитывать при прокладке маршрута информацию о ситуации на дорогах, по возможности избегая серьёзных транспортных заторов. Данные о трафике (пробках) могут быть получены навигатором посредством мобильной связи, по GPRS протоколу или из радио эфира по каналам RDS диапазона FM. В США и странах западной Европы используются и другие способы доставки данных о трафике до автомобильного навигатора, например MSN Direct Traffic Service и другие.

Портативные туристические навигаторы предназначены для туризма (водного, горного, пешего) и активного отдыха. Как правило такие навигаторы имеют водонепроницаемый корпус по стандарту (IPX7), способны работать и принимать спутниковый сигнал в самых сложных условиях густого леса и горной местности. Они подразумевают возможность использования специальных топографических карт местности. Кроме того, некоторые модели оснащаются дополнительными возможностями, которые могут пригодиться в дальнем походе, среди которых магнитный компас и барометрический высотомер.

Отличительной особенностью GPS-трекеров и GPS-логгеров можно считать GPS-приёмник, совмещённый с системой электропитания и набором программных интерфейсов, которые не выполняют самостоятельных расчётов и предназначены для регистрации спутниковых сигналов и передачи результатов измерения в устройство обработки, например компьютер. По способу подключения такие приёмники бывают беспроводные (BlueTooth, Wi-Fi, IrDa (в настоящее время не применяется)) и проводные (USB, RS-232, PS/2).

Такие устройства позволяют выполнять полевые измерения, накапливая результаты во встроенной памяти, а отложенную обработку проводить в камеральных условиях на мощных компьютерах с целью получения повышенной точности измерений (для этого применяют дополнительные данные, не только результаты измерений GPS-приёмником). Некоторые такие приборы для удобства полевых работ оснащаются дисплеем для отображения примерных (вычисленных не с максимальной точностью) координат, скоростей и направлений в реальном масштабе времени. Это становится возможным благодаря встроенному процессору, что роднит их с типом самостоятельных устройств.

Пользовательские приёмники

Помимо собственно широты, долготы и высоты такой GPS-приёмник способен сообщить:

• точное время (некоторые приёмники имеют выход PPS);
• ориентацию по сторонам света (в моделях без встроенного компаса — только направление скорости при движении);
• высоту над уровнем моря (при условии приёма сигнала более четырёх спутников или при наличии встроенного баровысотомера);
• направление на точку с координатами, заданными пользователем;
• текущую скорость, пройденное расстояние, среднюю скорость;
• данные с информацией о состоянии дороги — пробки, дорожные работы и т. д. (в моделях, оснащённых TMC-приёмником и при наличии службы Канал автодорожных сообщений);
• текущее положение на электронной карте местности (модели, оснащённые картами);
• текущее положение относительно трека (маршрута).

Информация о пути перемещения (трек) может быть скопирована в файл, а затем передана (в частности, через Интернет) другим пользователям GPS, желающим двигаться тем же маршрутом (см. GPS трекер).

При использовании GPS-приставки информация выводится на КПК, сотовый телефон или компьютер, к которому подключена эта приставка с помощью навигационного программного обеспечения. Физически соединение, как правило, осуществляется через последовательный порт (RS-232, USB, Bluetooth). Для связи GPS-приёмника с компьютером может использоваться двоичный (текстовый) протокол производителя приёмника (Garmin, Magellan и другие) либо производителя GPS-чипсета (Magellan, Sirf, Trimble и другие), при этом абсолютное большинство GPS-приёмников поддерживают обмен информацией с помощью текстового протокола NMEA.

Карты в GPS-навигаторах

Наличие карты существенно улучшает пользовательские характеристики навигатора. Навигаторы с картами показывают положение не только самого приёмника, но и объектов вокруг него.

Все электронные GPS-карты можно поделить на два основных типа — векторные и растровые.

Растровые карты — это самый простой и доступный тип карт. Фактически это изображение местности, к которому привязываются географические координаты. Масштаб растровой карты напрямую зависит от исходного варианта; или это фотография со спутника, или отсканированная бумажная карта. В России лучше всего представлены растровые карты крупных городов, для других районов карты найти проблематично. Также есть проблема привязки координат карты к координатам, выдаваемым приёмником (проблема датума). На платформах PC и Windows Mobile для использования растровых карт доступна популярная программа OziExplorer. Так же огромный массив растровых (фотографических, и растеризованных векторных) карт и средства работы с ними, включая поддержку работы с GPS-приёмниками, предоставляют такие интернет-сервисы, как Карты Google.

Векторные карты представляют собой базу данных, где хранится информация об объектах, их характеристиках и взаимном месторасположении, географических координатах и прочем. В картах могут храниться разнообразные характеристики местности: горы, реки, озера, впадины, дороги, мосты, уровни антропогенных загрязнений, типы растительности, расположение ЛЭП. Также многие подробные карты хранят множество таких объектов как заправки, гостиницы, кафе и рестораны, стоянки, посты дорожной полиции, запрещённые к проезду зоны, достопримечательности и памятники, культурные артефакты, больницы.

Поскольку в них не содержится объёмных графических изображений, места в памяти они занимают гораздо меньше, чем растровые и быстрее работают. Безусловным преимуществом векторных карт, является возможность искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие необходимые путешественнику места. Кроме того, векторные карты позволяют показывать разную детализацию объектов при отображении карты в разных масштабах.

Существуют навигационные системы, позволяющие пользователю дополнять карты навигатора своими собственными объектами.

В специализированных автомобильных GPS-навигаторах существует возможность прокладывать маршруты по векторной навигационной карте — с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже дорожных пробок. Такие карты в России (по информации на сентябрь 2008) есть только для крупных городов:

• Москва;
• Санкт-Петербург;
• Екатеринбург;
• Калининград;
• Калуга;
• Краснодар;
• Ростов-на-Дону;
• Ставрополь;

Их количество и качество со временем увеличится, но не быстро, так как хорошо делать карты весьма трудоёмко.

При подготовке туристических походов в ряде случаев разумным является рисование собственных карт района будущего путешествия. Такая карта рисуется с помощью специализированного векторного графического редактора — и может быть сохранена в векторном формате, пригодном для загрузки в GPS-приемник. Таким образом, количество и качество туристических карт для GPS также со временем растет.

Основные производители

Основные производители GPS-чипсетов:

• SiRF — SiRF — SiRFstar III, SiRFatlasIV
• U-blox
• Trimble
• Nemerix
• Mediatek — MediaTek — MTK, MTK-II, MT3329
• Javad

Основные производители приёмников для массового применения:

• Garmin
• GlobalSat
• GlobusGPS
• iBlue
• JJ-Connect
• Holux
• Magellan
• Mitac
• Navigon — Navigon
• Qstarz
• ThinkWare
• Tom-Tom — TomTom
• TSI — transystem.com.tw
• xDevice

Основные производители профессиональных (в том числе геодезических) приёмников:

• Ashtech, ранее Magellan Professional, ранее Thales Navigation.
• Javad
• Leica
• NovAtel
• Trimble
• Topcon
• Sokkia
• Septentrio
• МКБ "Компас"
• ОАО «РИРВ»

Картографическое ПО для навигаторов и сотовых телефонов с GPS

• Навиком
• Nav N Go (en) (второе название — IGO)
• Be On Road
• OziExplorer
• Автоспутник
• Навител Навигатор
• Visicom
• СитиГид
• PocketGIS

Поставщики информации о загруженности дорог (трафик, пробки) для навигаторов

• Навиком Трафик для навигаторов Garmin
• Яндекс пробки для мобильных телефонов

См. также

Примечания

Ссылки

• Принцип работы GPS с технической точки зрения

Популярные gps-приемники:

• GlobalSat BR-355
• GlobalSat BT-338
• GlobalSat BT-368
• GlobalSat BU-353
• GlobalSat MR-350
• Holux Gps M1200
• u-Blox AMY
• u-Blox NEO-5D
• u-BLOX LEA-5A
• Leadtek LR9023
• Leadtek LR 9123
• Leadtek LR9101
• GPS приёмники HOLUX

• Навигационные GPS-приёмники фирмы Garmin (рус.)
• Геодезические приёмники фирмы Leica(англ.)
• GPS-GLONASS-GALILEO приёмники фирмы Javad(англ.)
• Приёмники фирмы Trimble(англ.)
• Профессиональные приёмники фирмы Magellan(англ.)
• Геодезические приёмники фирмы Topcon(англ.)
• Выбор автомобильного GPS навигатора Garmin, gps-rus.ru (рус.)
• Выбор портативного GPS навигатора Garmin, gps-rus.ru (рус.)
• Использование GPS навигатора и бумажных карт(рус.)
• Как залить карты в GPS (рус.)
• FAQ по GPS навигаторам, Bezpomex.ru
• GPS-навигатор без экрана Kapten, «GPSinfo.ru», 15 августа 2008 г
• Обзор автомобильных GPS навигаторов Garmin Nuvi серии 1xxx, geo-planet.ru (рус.)
• GPS оборудование фирмы STONEX, tpgroup.com.ua (рус.)
• автомобильные трекеры (рус.)
• Портативные GPS - модельный ряд (рус.)

NAVSTAR GPS (англ. NAVigation Satellites providing Time And Range; Global Positioning System (читается Джи Пи Эс) — обеспечивающие измерение времени и расстояния навигационные спутники; глобальная система позиционирования) — спутниковая система навигации, часто именуемая GPS. Позволяет в любом месте Земли (включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США.

Основной принцип использования системы — определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами — спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно знать расстояние до трёх спутников и время GPS системы. Таким образом, для определения координат и высоты приёмника, используются сигналы как минимум с четырёх^[1]. спутников.

Спутник системы GPS на орбите

Космический сегмент

Сигнал с кодом стандартной точности (C/A код - модуляция BPSK(1)), передаваемая в диапазоне L1 (и сигнал L2C (модуляция BPSK) в диапазоне L2 начиная с аппаратов IIR-M), распространяется без ограничений на использование. Первоначально используемое на L1 искусственное загрубление сигнала (режим селективного доступа - SA) с мая 2000 года отключен. С 2007 года США окончательно отказались от методики искусственного загрубления. Планируется с запуском аппаратов Блок III введение нового сигнала L1C (модуляция BOC(1,1)) в диаппазоне L1. Для военных пользователей дополнительно доступны сигналы в диапазонах L1/L2, модулированные помехоустойчивым криптоустойчивым P(Y) кодом (модуляция BPSK(10)). Начиная с аппаратов IIR-M введен в эксплуатацию новый М-код (используется модуляция BOC(15,10)). Использование М-кода позволяет обеспечить функционирование системы в рамках концепции Navwar (навигационная война).

24 спутника обеспечивают 100% работоспособность системы в любой точке земного шара, но не всегда могут обеспечить уверенный приём и хороший расчёт позиции. Поэтому, для увеличения точности позиционирования и резерва на случай сбоев, общее число спутников на орбите поддерживается в большем количестве (31 аппарат в марте 2010 года).

Наземные станции контроля космического сегмента

Слежение за орбитальной группировкой осуществляется с главной контрольной станции, расположенной на авиабазе ВВС США Schriever, штат Колорадо, США и с помощью 10 станций слежения, из них три станции способны посылать на спутники корректировочные данные в виде радиосигналов с частотой 2000—4000 МГц. Спутники последнего поколения распределяют полученные данные среди других спутников.

Пользовательский сегмент

 GPS-приёмник

Приёмник сигнала GPS

Сегодня GPS-приёмники всё чаще используются в гражданских целях, в основном для определения местонахождения и скорости. 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.

Точность

Типичная точность современных GPS приемников в горизонтальной плоскости составляет примерно 1-2 метра при хорошей видимости спутников. Для сравнения, точность GLONASS составляет +/-10 метров. При использовании систем дифференциальных поправок или WAAS точность GPS может быть существенно увеличена.

Недостатки

Общим недостатком использования любой радионавигационной системы является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до приёмника, или приходить со значительными искажениями или задержками. Например, практически невозможно определить своё точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле. Так как рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приёма сигнала от спутников может серьёзно ухудшиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Нормальному приёму сигналов GPS могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников, а также от магнитных бурь.

Невысокое наклонение орбит GPS (примерно 55) серьёзно ухудшает точность в приполярных районах Земли, так как спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом.

Существенной особенностью GPS считается полная зависимость условий получения сигнала от министерства обороны США. Так, например, во время боевых действий в Ираке, гражданский сектор GPS был отключён.

Начиная с 2010 года, нормальной работе американской Системе глобального позиционирования (GPS) грозят серьезные сбои , сообщается в докладе Главного контрольного управления при правительстве США. Одной из главных причин возможного выхода из строя системы называются плохое управление орбитальной группировкой, состоящей из 31 спутника.

В документе отмечается, что ВВС США, ответственные за обслуживание спутниковой группировки, уже превысили бюджет соответствующей программы почти на 1 млрд долларов, однако оказались неспособны обеспечить соблюдение графика плановой замены спутников, отслуживших свой срок в космосе.

По заключению авторов доклада, сбои в работе GPS затронут не только военные операции американской армии, но и негативно отразятся на миллионах людей и бизнес-секторе. В частности, это коснется производителей автомашин, катеров и мобильных телефонов со встроенной системой глобального позиционирования.

История

Идея создания спутниковой навигации родилась ещё в 50-е годы. В тот момент, когда СССР был запущен первый искусственный спутник Земли, американские учёные во главе с Ричардом Кершнером, наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть открытия заключалась в том, что если Вы точно знаете свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение и скорость спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты.

Реализована эта идея была через 20 лет. Первый тестовый спутник выведен на орбиту 14 июля 1974 г США, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г., таким образом, GPS встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле.

Первоначально GPS — глобальная система позиционирования, разрабатывалась как чисто военный проект. Но после того, как в 1983 году был сбит вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза самолёт Корейских Авиалиний с 269 пассажирами на борту, президент США Рональд Рейган разрешил частичное использование системы навигации для гражданских целей. Во избежание применения системы для военных нужд точность была уменьшена специальным алгоритмом.

Затем появилась информация о том, что некоторые компании расшифровали алгоритм уменьшения точности на частоте L1 и с успехом компенсируют эту составляющую ошибки. В 2000 г. это загрубление точности было отменено указом президента США.