В настоящие дни существует несколько глобальных навигационных спутниковых систем. К их числу относятся ГЛОНАСС, BeiDou и Galileo. Однако, первой появилась GPS.
Рассмотрим, какие GPS-устройства, геодезическое оборудование, сервисы и технологии применяются в наше время.
Что такое GPS
То, как все привыкли называть группировку, на самом деле аббревиатура. Буквам GPS соответствует расшифровка «Global Positioning System», или «Система Глобального Позиционирования». Установку можно описать как совокупность наземного и космического оборудования для определения точного местонахождения объектов на Земле.
Основной принцип — определение местоположения путём измерения моментов времени приема синхронизированного сигнала от навигационных спутников до потребителя. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения данных от посылки его спутником до приёма антенной GPS–приёмника.
История возникновения
Изначально структура была разработана для нужд американского военного флота и называлась «NavSTaR». Свое привычное название GPS получила в 1973 году. Первый спутник был выведен на орбиту в 1974 году, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 году.
Предназначалась для наведения оружия. Но в 1983 году самолет «Корейских Авиалиний» оказался на территории СССР и был сбит возле острова Сахалин. Причиной инцидента была названа дезориентация пилотов в пространстве. После случившегося президент США Рональд Рейган пообещал допустить пользование установки в гражданских целях.
Затем появилась информация о том, что некоторые компании расшифровали алгоритм уменьшения точности на частоте L1 и с успехом компенсируют эту составляющую ошибки.
Во избежание военного применения точность определения геолокации была снижена. Погрешность точности гражданской версии была существенно сокращена в 2000 году.
Принцип работы
В процесс GPS-навигации включены три элемента:
- космические аппараты;
- наземные антенны;
- приемники.
Станции и антенные вышки несут в себе две функции:
- Определение местоположения спутников относительно станции.
- Получение информации об атмосферных искажениях сигнала. В случае проверки заранее известно, где находится станция. Спутник передает сигнал на Землю, а станция замеряет время его поступления и отклонение в направлении. Если наблюдаются искажения (например, из-за плохой погоды), то поправки отправляются на все приемники, находящиеся в радиусе действия помех.
Работает навигационная система в 3 этапа:
- Определение расположения спутника. Отправляет данные на наземные станции. Так как антенны недвижимы в пространстве, приемник узнает свое точное положение, используя антенны как ориентиры.
- Отправка сигнала спутником на Землю. В сообщении содержится информация о времени передачи и точной геопозиции.
- Получение данных. Приемник анализирует информацию, полученную со спутника, и узнает свое местонахождение. Для точной навигации нужны данные с четырех спутников.
Сигналы и частоты
Установка использует метод кодового разделения CDMA. Поэтому снижается износ спутников. Метод применяет два частотных диапазона:
- L1 с частотой 1575,42 МГц;
- L2 с показателем в 1227,60 МГц.
Сигналы модулируются псевдослучайными последовательностями (PRN) двух типов: C/A–код и P–код. C/A (Clear access)—код общего доступа — представляет собой PRN с периодом повторения 1023 цикла и частотой следования импульсов 1023 МГц. Именно с этим кодом работают все гражданские GPS–приемники. C запуском спутника блока IIF введена новая частота L5 (1176.45 МГц). Его также называют safety of life (охрана жизни человека). На частоте L5 мощнее на 3 децибела, чем гражданский, и имеет полосу пропускания в 10 раз шире. Его смогут использовать в критических ситуациях, связанных с угрозой для жизни человека. Полноценно он будет использоваться после 2014 года.
Для увеличения точности позиционирования и резерва на случай сбоев, общее число спутников на орбите поддерживается в большем количестве (31 аппарат в марте 2010 года). Повышенная точность спутников GPS нового поколения стала возможной благодаря применению более точных атомных часов. Поскольку спутники перемещаются по орбите со скоростью около 14000 км/ч (3.874км/с) (первая космическая скорость на высоте 20 200 км), повышение точности времени даже в шестом знаке является критически важным для триангуляции. Невысокое наклонение орбит GPS (примерно 55) серьёзно ухудшает точность в приполярных районах Земли, так как спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом. В ближайшее время все GPS будут заменены на более новую версию GPS IIF, которая имеет ряд дополнительных преимуществ, в том числе они более устойчивы к помехам.
Но главное, что GPS IIF обеспечивает гораздо более высокую точность определения геолокации. Если нынешние спутники обеспечивают погрешность 6 метров, то новые спутники будут способны определять местоположение, как ожидается, с точностью не менее 60–90 см.
24 спутника обеспечивают 100 % работоспособность в любой точке земного шара, но не всегда в состоянии 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 – в марте 2010 года).
Определение геолокации
Система высчитывает точное положение объекта по времени приема сигнала с орбиты. Для интерпретации данных существует множество программ и мобильных приложений, а также технического оборудования.
Основные термины
В описании навигационной системы могут участвовать следующие понятия:
- покрытие – площадь, которую охватывают спутники группировки;
- WGS 84 – всемирная единая система координат;
- спутник – космический аппарат, принимающий и отправляющий сигналы;
- приемник – любой гаджет, снабженный модулем связи.
Плюсы и минусы навигационной системы
Основное преимущество группировки – глобальное покрытие. Остальные навигационные системы (ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou) не обладают таким количеством спутников, из-за чего их действие ограничено. Нельзя также игнорировать малую погрешность точности определения координат – всего 4 метра. Для сравнения, GLONASS гарантирует точность поиска объекта до 6 метров. На территории США, Канады, Японии, КНР, Европейского Союза и Индии имеются станции WAAS, EGNOS, MSAS и т. д. передающие поправки для дифференциального режима, что позволяет снизить погрешность до 1–2 метров на территории этих стран.
При применении более сложных дифференциальных режимов, точность определения геолокации можно довести до 10 см.
Однако, у установки есть один весомый недостаток – сигналы спутников практически недосягаемы в высоких широтах планеты из-за малого наклона космических девайсов. Ввиду этого жители севера, предпочитают использовать систему ГЛОНАСС.
Первые мобильные телефоны с GPS появились в 90х 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.
Применение GPS
Спутниковая навигация повсеместно используется в жизни человека. Самые популярные сферы применения перечислены в таблице.
| Вид пользования | Описание | Приборы |
| Забота о животных | Хозяин питомца может узнать его местоположение. Технология открывает возможность свободного выпаса и выгула. | Ошейник для питомца (собаки или кошки).
Маяк, закрепленный на рогах (для крупного рогатого скота). |
| Противоугонная система | В случае похищения транспорта (автомобиля, мотоцикла или велосипеда) владелец сможет отследить его координаты | GPS-трекер, спрятанный в салоне машины или внутри руля велосипеда |
| Помощь туристам | Навигация в незнакомом городе стала гораздо проще благодаря спутниковым навигационным системам | Смартфон с установленным приложением |
| Охрана территории | На больших площадях удобно использовать камеры с GPS или дроны | Камеры видеонаблюдения, квадрокоптеры |
| Мониторинг транспорта | Начальник может отследить стиль вождения работника, считать его скорость движения и узнать о пользовании машины вне работы | Видеорегистратор, навигатор, датчик уровня топлива, детектор удара и пр. |
| Раскрытие преступлений | Беспилотники с камерами могут «поймать» в объектив противоправные действия, например, незаконную вырубку леса | Квадрокоптеры |
| Отслеживание грузов | Компании, связанные с логистикой, и частники могут следить за своей посылкой | Маячок, GPS-трекер |
| Наука | Система позволяет собрать данные для отраслей науки о Земле (геофизика, геология, геотермия), а также замерить показатели участков для кадастрового учета | Геодезическое оборудование |
| Помощь водителю | Может проложить маршрут, предупредить о радарах («антирадар»), а также сообщить о пробках на дороге | Навигатор, специальное ПО на телефоне или компьютере |
| Забота о близких | Родители могут следить за своим ребенком, а также услышать, что происходит вокруг него | Смарт-часы, планшет, смартфон |
| Спорт | Бегуны отслеживают прогресс тренировок | Фитнес-браслет |
Виды
Почти в каждый смартфон встроен модуль спутниковой связи. Благодаря этой детали его можно использовать как gps-навигатор. Для этого достаточно включить геолокацию в настройках и бесплатно скачать программу с картами из открытых источников: Play Market для Андроид и AppStore для айфона. Выбрать лучшую навигационную разработку помогут отзывы пользователей на форумах. Большая часть приложений бесплатна, в некоторых можно купить платные улучшения – апгрейды. Цена подписки (тарифа) индивидуальна для каждой программы.
Что касается компьютеров, то в сети можно найти онлайн-GPS сервис. На ПК также загружают бесплатные утилиты для навигации из интернета. Более того, существуют геодезические программы, разработки для планирования маршрутов по воде и воздуху, приложения для пересчета координат – выбор огромен.
Помимо мобильных гаджетов, GPS встраивают в ряд других приборов. Большая их часть производится такими знаменитыми компаниями, как Eplutus, Leica, Navitel, Pioneer, Starline, Xiaomi, Garmin и пр.
GPS-приемники
Выглядят как небольшие съемные девайсы для подсоединения к технике – ноутбукам, планшетам и телефонам. Помогают добавить свойств навигации там, где она не запланирована. Существует два вида подключения:
- Проводной, по USB. Часто такие ресиверы выглядят как флешка. Некоторые напоминают компьютерную мышь – особенно автомобильные. Предоставляют точную информацию о местонахождении объекта, но сильно разряжают аккумулятор.
- Беспроводной, на Bluetooth-канале. Приемник удобен из-за отсутствия подключения. Однако, беспроводной ресивер нужно своевременно заряжать.
Как правило, приемник стоит недорого – от 300 рублей в интернет-магазинах.
Трекеры и маяки
Чаще всего выглядят как небольшие коробочки или брелоки. Используются для слежения за людьми и машинами (и легковыми, и грузовиками). Устройство может как работать постоянно, так и выходить на связь по расписанию.
Снабжается GSM-передатчиком для управления и отправки координат. Таким образом, он уточняет свои координаты даже в условиях плохого сигнала, по вышкам сотовой связи. Часто маяк дополняют возможностью прослушки и тревожной кнопки. Единственный недостаток – такому устройству нужна симка для работы.
Навигаторы
Чаще всего под этим словом подразумевают автомобильное устройство. Ранее были популярны пешеходные гаджеты для путешествий и отдыха на природе. Сейчас им могут быть и обычные мобильные гаджеты.
Почти всем доступны операционная система Android. Также большая их часть совмещает использование нескольких спутниковых группировок.
Логгеры
Напоминает gps-трекер. Устройство тоже определяет местонахождение объекта и отслеживает его передвижение. Логгер отличается от маяка по двум параметрам:
- Наличие внутренней памяти. Записывает все маршруты во встроенную карту.
- Отсутствие GSM-передатчика. Вывести данные можно лишь только после получения логгера, по USB или Bluetooth.
Картплоттеры-эхолоты
В названии обозначены два его основных свойства. Благодаря эхолоту пользователь может получить информацию о рельефе дна и местах скопления рыбы. А картплоттер поможет нанести все данные на карту для лучшей ориентации на местности.
Обзор типового устройства представлен по ссылке.
Таким образом, рыбаки имеют возможность найти «рыбные места» и отметить их на карте.
Законность самодельных GPS
Сбор антенн своими руками не запрещен. Однако, в законодательстве России есть такое понятие, как СТС НПИ, означает «Специальные Технические Средства для Негласного Получения Информации». К ним закон относит все устройства, технически и внешне предназначенные для различной незаметной слежки за человеком.
В Российском Федерации оборот (покупка, использование и продажа) данных технических средств незаконен. Собранный своими руками gps-трекер будет отнесен к СТС НПИ, если он обладает двумя качествами:
- Скрытая прослушка. Устройство дает возможность включить микрофон удаленно и услышать, что происходит вокруг. Функция может активироваться командой или звонком. При этом гаджеты с возможностью добровольного вызова разрешены законом – к ним относятся телефоны со встроенным gps-модулем, часы и некоторые модели gps-трекеров.
- Маскировка. Имеется в виду не просто спрятанный в салоне автомобиля, а замаскированный (например, под сувенирную статуэтку). В первом случае предназначение устройства предельно ясно, во втором – обладатель «статуэтки» не поймет, что за ним следят.
За использование «шпионского» оборудования могут быть назначены санкции:
- штраф размером до 200 000 рублей;
- лишение свободы сроком до 4 лет;
- ограничение деятельности на некоторое время;
- запрет на занятие определенных должностей.
Внимание. Для законного использования самодельного гаджета на нем должна быть четкая маркировка назначения устройства.
С началом массового использования онлайн-сервисов с картами стартовала новая, электронная эпоха навигации. Система GPS применяется не только для работы предприятий, но и на бытовом уровне.
