Наверное, я не буду
преувеличивать, если скажу, что каждый из нас хоть раз, но попадал в
незнакомые места или попросту заблуждался (от слова «заблудиться» :), и
потом долго блуждал в поисках нужного места. Из такой ситуации есть по
сути два выхода: спросить дорогу у прохожих, либо при отсутствии
таковых положиться на карту. Оба способа знакомы всем давным-давно. И
если первый с течением времени практически не меняется, то второй
претерпел значительные, можно сказать качественные изменения.
Во-первых, карты из бумажных постепенно стали цифровыми и
интерактивными, а во-вторых, научились определять положение своего
владельца. Как все, наверное, уже догадались, я имею в виду
персональные (и не очень) навигаторы. На сегодняшний день на ниве
определения координат трудится две (строго говоря, полторы)
навигационных системы — это американская Navstar GPS и отечественная
ГЛОНАСС, которая пока не до конца введена в эксплуатацию. При этом ещё
две подобных системы (европейская Galileo и китайская «Большая
медведица» — Beidou) находятся в разработке. Однако рассказывать обо
всех них в одной статье было бы, наверное, нецелесообразно, поэтому
остановимся на единственной полноценно функционирующей сегодня системе
навигации — GPS. На самом деле, мы уже публиковали обзор технологии GPS — в общих чертах. А в предлагаемом вашему вниманию материале мы постарались дать более подробную информацию.
История
GPS
(Global Positioning System), как и многие вошедшие в обиход технологии
(интернет, например) изначально разрабатывалась для военных, и только
потом, с течением времени, постепенно рассекретилась и стала доступной
рядовым гражданам. «Днем рожденья» GPS принято считать декабрь 1973
года. Именно тогда в ВВС США начались работы над ней. Полученная в
результате их пятилетней работы система получила название NAVSTAR —
NAVigation Satellite providing Time And Range, что в переводе означает
«Спутниковая навигационная система определения координат во времени». С
её помощью американские военные могли, невзирая на неблагоприятные
погодные условия, определять координаты любых объектов, будь то на
суше, на воде или даже на околоземной орбите. Однако не все так
радужно, как кажется. В течение первых нескольких лет номинальной
эксплуатации военные никак не хотели менять старые привычные всем
системы навигации на новую можно сказать диковинку. NAVSTAR по сути
стала нерентабельным проектом, и, чтобы хоть как-то её окупить, было
решено её рассекретить.
Так
с 1983 года GPS официально стала гражданской. Передача полномочий на
дальнейшее совершенствование этой системы гражданскими компаниями стала
своего рода триггерной точкой — она стала очень стремительно
развиваться, и сегодня мы имеем то, что имеем: GPS является фактически
монополистом в области гражданской навигации. Система известна по всему
миру и является стандартом де-факто. То есть под неё выпускается
основная масса навигационных устройств, будь то военный GPS-приёмник,
напичканный функциями коммуникатор Nokia N96 или любой другой гражданский приёмник, например, Garmin.
Кстати, эти два названия — только верхушка айсберга. Помимо именитых
производителей существуют десятки, если не сотни брендов поменьше,
которые выпускают девайсы, мало чем уступающие по качеству
мейнстримовым.
Принцип работы
Теперь,
поняв, что прогрессивная часть человечества уже вовсю пользуется
благами спутниковой навигации, рассмотрим принципы работы GPS. Система
состоит, по сути, из двух отдельных частей. Первая находится в космосе,
а вторая, соответственно, — на земле. На орбите нашей планеты болтается
ни много ни мало, а 27 спутников, отвечающих за GPS-навигацию. 24 из
них — основные, а три — вспомогательные. Большая часть спутников
расположена в 6 плоскостях (A – F), по 4 спутника на каждую плоскость.
Каждый из спутников весит порядка 900 кг и летит над Землей на высоте
20 тыс. км со скоростью 3,05 км/с. То есть полный оборот вокруг Земли
совершается за 11 часов 58 минут. Внутри спутника размером чуть больше
5 м (с развёрнутыми солнечными батареями) располагаются атомные часы,
которые позволяют добиться высокой точности (погрешность даже в сотую
секунды выливается в огромное снижение точности позиционирования — 300
км, но поскольку погрешность атомных часов составляет не более
0,000000001 секунды, бояться нам — гражданским — нечего),
вычислительно-кодирующее устройство и передатчики мощностью 50 и 8 Вт,
которые излучают цифровые сигналы на частотах 1575,42 МГц (L1) и
1227,60 (L2) МГц. Частота L2, правда, доступна, только военным, но
«мирным» приемникам и первой вполне хватает. Все это дорогостоящее
хозяйство управляется из пяти наземных контрольно-измерительных
станций, находящихся на Гавайях, Кваджалейне, о. Вознесения, в
Диего-Гарсия и Колорадо-Спрингс, а также 4 станций связи, работа
которых координируется из центра управления в городе Шривере, штат
Колорадо. Оттуда при необходимости в работу спутников вносятся
изменения и корректировки.
Но
спустимся с небес на землю. Клиентская часть системы представляет собой
GPS-приёмник (какой именно, в общем-то значение не имеет). Минимальное
число спутников, с которыми может взаимодействовать такой приёмник
равняется 4, максимальное — ограничено исключительно возможностями
установленного в прибор процессора, но стоит отметить, что даже при
потенциально существующей возможности работать сразу со всеми 24
каналами, на практике осуществить этого не удастся, так как часть
спутников все равно будет находиться «за» Землёй. Так вот, дальше
происходит следующее: приёмник определяет, с какими именно спутниками
он в данный момент работает и время, затраченное на отправку сигнала, а
следовательно и расстояние до них (траектории полета всех спутников
аппарат «знает» заранее). После этого происходит так называемая
триангуляция. То есть фактически определение местоположения приёмника.
Вокруг трёх выбранных спутников описываются виртуальные сферы с
радиусами, равными расстояниям от приёмника до спутников. Дальше
электроника внутри клиентской части производит расчёты возможных точек
пересечения этих сфер, и отбрасывает заведомо ложные варианты.
Например, одна из точек может находиться слишком далеко от земли или
двигаться неприлично быстро. В итоге остаётся одна единственно верная.
Все, процесс определения координат завершён. После этого остаётся
только наложить полученную точку на карту и в удобоваримом виде
представить владельцу приёмника :)
Навигаторы, как они есть
Теперь
перейдём, наверное, к самой интересной части статьи — выбору
навигатора. К этому стоит подходить так же, как и при покупке других
устройств. То есть сначала необходимо, вообще, осознать, а нужен ли в
действительности вам такой девайс. Если ответ положительный, и вы
знаете, для чего он вам будет нужен, то далее задайтесь вопросом
необходимых функций устройства. Тут в принципе вариантов может быть
много, и они ограничены лишь вашей фантазией и наличием денежных
средств, а уж производители расстарались и выпустили устройства на
любой вкус: со встроенными MP3-плеерами, модулями Bluetooth, которые
позволяют спаривать мобильник с навигатором и т. д. и т. п.
Строго
говоря, все приёмники можно поделить на 4 типа: портативные,
автомобильные, морские и авиационные. Как вы понимаете, последние две
категории обычному потребителю не слишком интересны, и потому
портативные приёмники вкупе с автомобильными являются основным
источником дохода производителей. Портативные в свою очередь можно
условно поделить на две, а то и больше групп: это GPS-приёмники сами по
себе и другие портативные приборы со встроенным GPS-модулем. Таким
образом, выбор девайса сводится в общем-то к выбору набора входящих в
него функций. Советовать конкретные модели, честно говоря, не хочется,
ибо это вещь субъективная, и кому-то нравится, одно, а кому-то другое,
поэтому мы ограничимся лишь обзором некоторых тенденций и брендов.
В области «непрофильных» GPS-устройств сейчас царят
А
вот в области дискретных навигаторов (и портативных, и автомобильных)
бал правит компания Garmin, за которой следуют TomTom, iGO, Mio и
многие другие производители. Garmin в своей продукции использует
собственные векторные карты, в то время как TomTom, iGo и Mio
сотрудничают с TeleAtlas и пользуются картографической информацией этой
компании.
Карты
Что
касается карт, то тут все достаточно просто. Существует два их вида:
растровые и векторные. Из этого проистекают все различия между ними.
Растровые карты представляют собой целостную картинку, состоящую из
определённого количества точек, поэтому увеличивать ее бесконечно не
получится, и чтобы обеспечить достаточную детализацию, такие карты
приходится делать достаточно объёмными, что ограничивает их применение
в мобильных телефонах и других не слишком мощных устройствах. В этом
смысле «вектор» выгодно отличается о «растра», так как объекты на
подобных изображениях описываются математическими формулами, позволяя
тем самым уменьшить их объем без какой-либо потери качества. В связи с
этим в большинстве современных навигаторов используются именно
векторные карты, делая работу с устройствами быстрой и комфортной.
A-GPS
Дело
в том, что GPS-приёмники не всегда могут принимать сигнал от спутников.
Точнее — не везде. Наиболее неблагоприятными условиями для полноценного
приёма считаются зоны плотной застройки, где на его пути вырастают
высотные здания и прочие ненужные препятствия. Это выливается в
увеличение времени определения местоположения вплоть до 20 и даже более
минут. Однако способ исправить ситуацию есть, и имя ему A-GPS (assisted
GPS). A-GPS представляет собой надстройку над стандартным GPS и за счёт
передачи сигнала не со спутников, а с наземной станции, позволяет
намного быстрее осуществить холодный старт. Эта надстройка чаще
встречается в мобильных телефонах и коммуникаторах, ибо для передачи
такого сигнала нужен дополнительный канал связи, скажем GPRS или EDGE.
Заключение
К
A-GPS можно добавить возможность передачи по тем же каналам
дополнительной информации о находящихся на карте объектах (названия
гос. учреждений, заведений, и т. п.), а также данные о пробках, и мы
получим универсальный практически идеальный инструмент, улучшение
характеристик которого представляется только в виде дальнейшего
повышения точности позиционирования и запуска дополнительных сервисов.
Однако
при всех положительных чертах данной системы не стоит забывать о том,
что GPS является зарубежной национальной системой, и хотя доступ к ней
в данный момент не ограничен, американские военные в любую секунду
могут внести «поправки», которые, например, в разы снизят точность, а
то и вообще перестать подавать сигнал на «гражданской» частоте оставив
только зашифрованные частоты L2. В связи с этим и разрабатываются
альтернативные системы спутникового позиционирования, среди которых
есть, как я уже говорил и европейская Galileo, и китайская Beidou, и
наша национальная ГЛОНАСС. Последний проект, кстати, наиболее близок к
завершению из всех трёх, что даёт некоторые надежды на светлое будущее
и постепенное внедрение приёмников, работающих не только с GPS, но и с
ГЛОНАСС. Поэтому скрестим пальцы и будем с оптимизмом смотреть в небо :)
Полезная информация
Альманах. GPS-спутники передают два вида данных — альманах и эфемериды.
Альманах
содержит параметры орбит всех спутников. Каждый спутник передаёт
альманах для всех спутников. Данные альманаха не отличаются большой
точностью и действительны несколько месяцев.
Эфемериды.
Данные эфемерид содержат очень точные корректировки параметров орбит и
часов для каждого спутника, что требуется для точного определения
координат. Каждый GPS-спутник передаёт только свои собственные
эфемериды. Эти данные действительны только 30 минут. Спутники передают
свои эфемериды каждые 30 секунд.
Холодный старт.
Когда вы покупаете новый GPS-приемник и включаете его в первый раз, то
он не «знает», где находится. Чтобы определить своё местоположение
приёмник начинает сканировать частотный диапазон GPS в поисках нужных
сигналов. Такой процесс, называемый холодный старт, и включающий в себя
поиск, декодирование сигналов и проведение расчётов, может занимать от
5 до 20 минут. Точная продолжительность зависит от ряда факторов,
включая количество видимых спутников и алгоритм поиска, реализованный в
данной модели.
Тёплый старт. Тёплым
стартом называется включение GPS-приёмника, после того, как данные
эфемерид спутников уже утратили актуальность, то есть более чем через
30 минут после выключения приёмника. В этом случае данные о точном
местоположении спутников заново загружаются в память устройства. В
случае тёплого старта, данные о положениях спутников GPS-приёмник
черпает из имеющегося альманаха.
Горячий старт.
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 эфемерид. Это называется горячий старт.
