Як працює gps-навігатор

Відео: GPS Навігатор - опис і тест

Вступ

В даний час завдяки впровадженню системи GPS набули широкого поширення точні і недорогі навігаційні приймачі. Яким же чином ці маленькі "розумні" помічники дізнаються, де Ви перебуваєте? Основний принцип, що лежить в основі всієї системи GPS, простий і давно використовується для навігації і орієнтування: якщо Ви точно знаєте місце розташування будь-якого реперного орієнтира і відстань до нього, то можна накреслити коло (в 3-х мірному випадку - сферу), на якої повинна бути розташована точка Вашого положення. На практиці, якщо вищевказане відстань, тобто радіус, досить великий, то можна замінити дугу окружності відрізком прямої лінії. Якщо провести кілька таких ліній, що відповідають різним реперних орієнтирів, то точка їх перетину вкаже Ваше місце розташування. В GPS роль таких реперів грають дві дюжини супутників, що рухаються кожен по своїй орбіті на висоті близько 17 000 км над поверхнею Землі. Швидкість їх руху досить велика, проте параметри орбіти і їх поточне місцезнаходження з високою точністю відомі бортовим комп`ютерам.

Важливою частиною будь-якого GPS-навігатора є звичайний радіоприймач, що працює на фіксованій частоті і постійно "прослуховує" сигнали, що передаються цими супутниками. Кожен з супутників постійно випромінює радіосигнал, в якому містяться дані про параметри його орбіти, стані бортового обладнання і про точний час. З усієї цієї інформації дані про точне бортовому часу є найбільш важливими: GPS-приймач за допомогою вбудованого процесора обчислює проміжок часу між посилкою і отриманням сигналу, потім множить його на швидкість поширення радіохвиль і таким чином дізнається відстань між супутником і приймачем. Результатом подальших обчислень є координати свого місця розташування.

Нестабільність годин приймача

З описаного вище принципу видно, що для визначення місця розташування досить спіймати сигнали від двох супутників і побудувати дві пересічні прямі. Однак на практиці точність такого методу була б недостатньою через наявність помилки годинника приймача. Справа в тому, що супутники, що знаходяться на орбіті, мають на борту дуже точні і, природно, дорогі атомні годинники. Що ж стосується GPS-приймачів, особливо побутових, то використання таких годин було б невиправдано в сенсі габаритів і вартості. Це було однією з серйозних проблем, з якими зіткнулися розробники - адже неточність ходу годинника за все в одну тисячну секунди приводила б до помилки більше 250 км! Для вирішення цієї проблеми і для можливості використання в GPS-приймачах звичайних кварцових годин (аналогічних тим, які використовуються в побуті) було запропоновано використовувати не два, а три реперних орієнтира, тобто. тріпересекающіеся прямі.

Як же це працює? Припустимо, що годинник GPS-приймача трохи поспішають, тобто виміряний час проходження радіохвиль буде більше реального. Це означає, що обидві розраховані лінії, і, отже, точка їх перетину будуть знаходитися на більшій відстані від орієнтирів (супутників), ніж насправді. Якщо ж годинник відстає, то точка перетину переміститься ближче до супутників. Візьмемо тепер третій орієнтир (супутник). Легко бачити, що перетин трьох ліній дасть нам трикутник, розміри і положення якого можуть змінюватися в залежності від ходу годинника. Якщо ж в якості шуканого місця розташування взяти геометричний центр трикутника, то його зміщення буде досить мало, особливо якщо третій супутник розташований в протилежному від спостерігача напрямку. Більш того, враховуючи, що неточність годин для всіх трьох сигналів буде практично однаковою, можна автоматично підібрати таку величину корекції, яка забезпечить перетин всіх трьох ліній в одній шуканої точці.

точність системи

З огляду на вищесказане, ми бачимо, що для усунення нестабільності ходу годинника приймача і визначення точного місця розташування в двовимірному просторі (тобто за широтою та довготою) нам необхідно отримати сигнали мімнімум від 3-х супутників. На щастя, сьогодні кількість GPS-супутників досить велике навіть длятого,


Щоб будь-якій точці земної кулі визначити не тільки двовимірні, а й тривимірні координати - широту, довготу і висоту над рівнем моря. Для цього потрібно отримувати сигнали мінімум від 4-х супутників. При цьому, чим більше супутників "бачить" Ваш GPS- приймач, тим точніше він може визначити координати місця розташування - аж до максимальної межі, що визначається точністю системи. З цього, зокрема, випливає, що точність роботи GPS-навігатора знижується, якщо сигнали від деяких супутників екрануються місцевими предметами (рельєфом місцевості, деревами з щільною кроною, високими будівлями і т.п.). Як відомо, супутникова GPS-система оплачується і знаходиться під контролем Департаменту оборони США, який зарезервував граничну точність виключно для своїх військових цілей. Для цього передається супутниками сигнал кодується за допомогою спеціального Р-коду, який може бути береться стверджувати тільки військовими GPS-приймачами. На додаток до цього, в сигнали часу від супутникових атомного годинника додається випадкова помилка, яка спотворює отримані значення координат. В результаті точність цивільних GPS-премніков погіршується більш ніж в 10 разів у порівнянні з військовими і становить близько 50 - 150 м.

Відео: Як працює GPS навігатор Garmin Monterra в автомобілі

Диференціальна GPS

Для того, щоб в ряді випадком можна було "обійти" обмеження, накладені Департаментом оборони США, деякі спеціальні служби (наприклад, Берегова Охорона США) встановили мережу фіксованих т.зв. "Диференціальних" радіо-буїв. Кожен з них постійно реєструє сигнали GPS-супутників і порівнює розраховані координати зі своїм відомим постійним місцем розташування. Обчислена таким чином помилка передається радіо-буем на фіксованій частоті (зазвичай в 2-х метровому діапазоні) у вигляді спеціального сигналу. Якщо цей сигнал зловити за допомогою додаткового т.зв. "Диференціального" приймача, підключеного до GPS-навігатора, то останній може внести відповідну поправку і визначити координати з точністю близько 1 метра. Останнім часом такі служби отримують все більше поширення в західних країнах, проте їх послуги часто бувають платними.

Використання однієї частоти

Спосіб радіообміну між супутниками і GPS-премніком також досить незвичайний. Справа в тому, що всі супутники віщають одночасно на одній і тій же частоті. Для того щоб GPS-приймач міг визначити, від якого супутника виходить дана інформація, бортові передавачі посилають в складі свого сигналу стандартний ідентифікаційний код, який порівнюється з кодами, що знаходяться в пам`яті приймача. Т.ч. незалежно від того, скільки і яких супутників знаходяться в полі зору приймача, останній може без праці ідентифікувати джерела сигналів. Такий підхід не тільки спрощує схему GPS-приймача, але і, незважаючи


Намалюю рівень радіосигналів, дозволяє використовувати в них малогабаритні, а, значить, не дуже ефективні прийомні антени. Кожен мандрівник скоро матиме GPS-приймач. 10 років тому навряд чи можна було повірити в те, що кожна людина зможе купити порівняно недорогий кишеньковий прилад, який на основі сучасних космічних технологій точно вказує місце розташування в будь-якій точці земної кулі. Думалося, що відомі вже кілька століть компас і карта залишаться вічними супутниками тих, хто знаходиться в дорозі. Сьогодні ж ми бачимо, як побутові GPS-навігатори використовуються не тільки практично всіма яхтсменами і льотчиками-любителями, але також знаходять широке застосування в автомобільних навігаційних системах і все частіше супроводжують любителів відпочинку на природі в їх різноманітних подорожах. Тут не можна не згадати найбільш, мабуть, перспективний напрямок GPS-навігації - т.зв. комп`ютерні картографічні системи (іноді вони вбудовуються безпосередньо в GPS-приймачі), в яких інформація про Ваш поточне місцезнаходження та про розташування потрібних Вам орієнтирів відображається в графічному вигляді на екрані приладу безпосередньо на детальній карті місцевості. Це значно підвищує зручність і гнучкість системи і відкриває найширші можливості планування свого маршруту безпосередньо в польових умовах.