Средняя скорость определяется по несколько странному алгоритму — время бездействия (когда мгновенная скорость равна нулю) не включается в расчеты (на мой взгляд, логичнее было бы просто разделить пройденное расстояние на общее время в пути, но разработчики GPS II+ руководствовались другими соображениями).
Система GPS. Взгляд изнутри и снаружи
Как это часто бывает с высокотехнологичными проектами, инициатором разработки и внедрения GPS (Global Positioning System) стали военные. Проект спутниковой сети для определения координат в реальном времени в любой точке мира получил название Navstar (Navigation system with timing and ranging), а аббревиатура GPS появилась позже, когда система стала использоваться не только в оборонных, но и в гражданских целях.
Первые шаги по созданию навигационной сети были сделаны в середине 1970-х годов, а коммерческая эксплуатация системы в ее нынешнем виде началась в 1995 году. В настоящее время в эксплуатации находятся 28 спутников, равномерно распределенных по орбитам высотой 20350 км (для полнофункциональной системы достаточно 24 спутников).
Действительно важным моментом в истории GPS стало решение президента США отменить с 1 мая 2000 года так называемый режим выборочной доступности (SA) — ошибку, искусственно вводимую в спутниковые сигналы, чтобы сделать гражданские GPS-приемники неточными. Отныне любительский терминал может определять координаты с точностью до нескольких метров (ранее погрешность составляла десятки метров)! На рис. 1 показаны навигационные ошибки до и после отключения функции селективного доступа (данные космического агентства США).Рис. 1.
Давайте попробуем получить общее представление о структуре системы глобального позиционирования, а затем перейдем к некоторым пользовательским аспектам. Начнем с принципа измерения расстояния, который определяет, как работает система космической навигации.
Алгоритм измерения расстояния от точки наблюдения до спутника.
Измерение расстояния основано на вычислении расстояния с использованием временной задержки в распространении радиосигнала от спутника до приемника. Если известно время распространения радиосигнала, то пройденное расстояние можно рассчитать, просто умножив время на скорость света.
Каждый спутник GPS непрерывно передает радиоволны на двух частотах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,60 МГц. Передаваемая мощность составляет 50 и 8 Вт соответственно. Навигационный сигнал представляет собой фазово-манипулированный код псевдослучайного числа (PRN), который бывает двух типов: Первый, C/A код (Coarse Acquisition Code), используется в гражданских приемниках; второй, P код (Precision Code), используется для военных целей и иногда для геодезии и картографии. Частота L1 модулируется как кодом C/A, так и кодом P, в то время как частота L2 доступна только для передачи кода P. Помимо описанного, существует также Y-код, который представляет собой зашифрованный P-код (схема шифрования может быть изменена в случае войны).
Период повторения кода довольно длительный (например, для кода P он составляет 267 дней). Каждый GPS-приемник имеет свой собственный генератор, который работает на той же частоте и модулирует сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, время распространения сигнала и, следовательно, расстояние до спутника может быть рассчитано по задержке между одинаковыми сегментами кода, полученными со спутника, и самостоятельно сгенерированным кодом.
Одной из основных технических трудностей описанного выше метода является синхронизация часов спутника и приемника. Даже простая погрешность по обычным стандартам может привести к большой ошибке в определении расстояния. Каждый спутник оснащен высокоточными атомными часами. Конечно, невозможно установить его в каждый приемник. Поэтому для исправления ошибок в определении положения, связанных с неточностями в часах, установленных в приемнике, используется некоторая избыточность в данных, необходимых для однозначного географического определения (подробнее об этом чуть позже).
Помимо собственно навигационных сигналов, спутник постоянно передает всевозможную служебную информацию. Например, приемник получает эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере (поскольку скорость света меняется при прохождении через разные слои атмосферы), а также информацию о функционировании спутника (так называемый «альманах», который содержит данные о состоянии и орбитах всех спутников и обновляется каждые 12,5 минут). Эти данные передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.
О возможности определения своего положения с помощью портативного устройства размером с мобильный телефон я случайно узнал из журнала за девяносто седьмой год. Однако замечательные перспективы, составленные авторами статьи, были безжалостно сведены на нет указанной в тексте ценой на навигатор — почти $400!
Полтора года спустя (август 1998 года) судьба привела меня в небольшой спортивный магазин в Бостоне, Америка. К моему удивлению и восторгу, на одной из витрин я обнаружил несколько различных навигационных систем, самая дорогая из которых стоила 250 долларов (самые дешевые модели продавались по 99 долларов). Я не мог уйти из магазина без прибора и начал расспрашивать продавца о функциях, преимуществах и недостатках каждой модели. Я не мог понять ничего из того, что они говорили (и не только потому, что я не очень хорошо знаю английский), поэтому мне пришлось разбираться во всем самому. И как это часто бывает, я купил самую продвинутую и дорогую модель — Garmin GPS II+, специальную сумку для нее и кабель питания для автомобильного прикуривателя. В магазине были еще два аксессуара для моего устройства: устройство для крепления навигатора к рулю велосипеда и кабель для подключения к компьютеру. Я долго заигрывал с последним вариантом, но потом решил не покупать его из-за высокой цены (чуть больше 30 долларов). Потом выяснилось, что я неправильно купил кабель, потому что все взаимодействие с компьютерным устройством ограничивается «слиянием» с пройденным путем (а также, как я полагаю, координатами в реальном времени, но в этом есть некоторые сомнения), и только если вы покупаете программное обеспечение от Garmin. К сожалению, нет возможности загрузить карты на устройство.
Я воздержусь от подробного описания моего устройства, поскольку оно уже снято с производства (все желающие могут ознакомиться с подробными техническими характеристиками здесь). Отмечу лишь, что Navigator весит 255 граммов, а его размеры составляют 59x127x41 мм. Благодаря треугольному сечению устройство очень устойчиво стоит на столе или приборной панели в автомобиле (для лучшего крепления в комплект входит застежка-липучка). Питание осуществляется от четырех батареек типа АА (достаточно для 24 часов непрерывной работы) или от внешнего источника питания. Я постараюсь описать основные особенности моего устройства, которыми, как мне кажется, обладает подавляющее большинство навигационных устройств на рынке.
Когда устройство включается, оно начинает получать информацию со спутников, и на экране появляется простой эскиз (вращающаяся сфера). После начальной инициализации (которая занимает несколько минут на открытом воздухе) на экране появляется примитивная карта неба с номерами видимых спутников и рядом с ней гистограмма, показывающая уровень сигнала каждого спутника. Он также отображает навигационную ошибку (в метрах) — чем больше спутников видит устройство, тем точнее позиционирование.
Интерфейс GPS II+ основан на принципе «перелистывания страниц» (для этого есть даже специальная кнопка PAGE). Страница «спутник» уже была описана выше, кроме того, существуют «навигационная страница», «карта», «страница возврата», «страница меню» и многие другие. Следует отметить, что описанный модуль не терпит спешки, но даже при небольшом знании английского языка можно понять, как он работает.
С помощью навигатора на приборной панели автомобиля или смартфона можно легко воспользоваться картой и посмотреть, где находится тот или иной объект, и задать нужное направление.
Как работает GPS-навигатор
Тридцать один спутник был размещен на высоте 20 000 километров над Землей. Все эти летающие объекты посылают радиосигналы. GPS принимает сигнал и размещает его на орбитах спутников. Результатом является локализация конкретного объекта и отображение его положения на карте.
Точность расчета составляет от 4 до 20 метров. Чем больше спутников находится в зоне прямой видимости, тем точнее будут координаты.
Ошибка может произойти только в том случае, если спутники выстроились в ряд, что является маловероятным совпадением. На точность вычислений навигатора также немного влияют погодные условия (например, облачная погода затрудняет связь устройства со спутником). Но в целом, это очень удобно, и вы не заблудитесь в лабиринте дорог.
Так что пора отказаться от компасов и применить современные научные знания на практике.
В здании, гараже, туннеле или другом подземном сооружении система глобального позиционирования не видит спутники и не работает.
С помощью автомобильного навигатора можно не только определить свои координаты, но и получить множество других полезных функций:
- Планируйте маршрут,
- запомните свой маршрут,
- узнайте, где находятся пробки,
- выяснить расположение камер наблюдения,
- определить местонахождение камер контроля скорости.
Устройство прибора
В пластиковом или резиновом корпусе GPS-навигатора скрываются следующие детали:
- Основная плата, на которой установлены процессор, память и модуль GPS,
- TFT или IPS сенсорный экран, который подключается к основной плате специальными кабелями,
- Аккумулятор, позволяющий устройству работать автономно.
Как видите, это устройство по своим функциям напоминает планшет.
Для работы этого оборудования необходимо установить BIOS, операционную систему (Windows CE, Android, GARMIN или Tom Tom) и соответствующее программное обеспечение.
В поисковых системах вы найдете десятки рабочих программ для работы GPS, но обычно автолюбители устанавливают Navitel или используют навигационные программы Yandex или Google.
Как работают карты?
Без карт определитель местоположения становится бесполезным устройством, которое выводит на экран точку на белом или черном фоне и сообщает долготу, широту и высоту над уровнем моря. Эта информация может помочь вам сориентироваться, но не вашему автомобилю.
Электронные карты, с другой стороны, позволяют навигатору определить ваше точное местоположение и показать названия улиц, домов, магазинов, светофоров, камер контроля скорости и другую важную и полезную информацию.
