Що таке глобальне позиціонування?

Сьогодні, напевно, немає людини, яка б не чула про GPS. Однак повне розуміння того, що ж це таке, є далеко не у кожного. В статті спробуємо розібратися, що ж таке система глобального позиціонування, з чого вона складається і як працює.

Історія

Навігаційна система GPS входить в комплекс Navstar, розроблений і функціонує в Міністерстві оборони США. Проект комплексу почали реалізовувати ще в 1973 році. А вже на початку 1978-го, після успішного тестування, запустили в експлуатацію. До 1993 році навколо Землі було запущено 24 супутника, повністю покривають поверхню нашої планети. Цивільну частина військової мережі Navstar стали називати GPS, що означає Global Positoning System («система глобального позиціонування»).


Її база складається з супутників, які рухаються по шести кругових траєкторіях орбіти. В ширину вони всього півтора метра, а в довжину — трохи більше п'яти. Вага при цьому складає близько восьмисот сорока кілограм. Всі вони забезпечують повну працездатність в будь-якій точці нашої планети. Спостереження здійснюється з головної керуючої станції, що знаходиться в штаті Колорадо. Там знаходиться база ВПС Шрівер — пятидесятое космічне з'єднання. На Землі розташовано більше десяти станцій, призначених для стеження. Вони знаходяться на острові Вознесіння, Гаваях, Кваджалейн, Дієго-Гарсія, Колорадо-Спрінгс, на мисі Канаверал і в інших місцях, кількість яких зростає з кожним роком. Вся інформація, одержувана від них, переробляється на головній станції. Завантаження даних з поправками робиться кожні двадцять чотири години.


Таке глобальне позиціонування — супутникова система, що функціонує під управлінням МО США. Вона працює при будь-якій погоді і постійно передає інформацію.

Принцип функціонування

Системи глобального позиціонування GPS працюють на основі наступних складових:

трилатерация супутника;

дальнометрия супутника;

точна прив'язка у часі;

розташування;

корекція.

Розглянемо їх докладніше. Під трилатерацией розуміється розрахунок відстані даних трьох супутників, завдяки якому вдається обчислити місце розташування певної точки. Дальнометрия увазі відстань до супутників, обчислену часом проходження радіосигналу від них до приймача з урахуванням швидкості світла. Для визначення часу генерується псевдовипадковий код, завдяки якому приймач здатний в будь-який час зафіксувати затримку. Наступний показник говорить про прямій залежності від точності годинника. На супутниках атомні годинник, точність яких складає до однієї наносекунди. Однак в силу дорожнечі вони використовуються не скрізь. Супутники розташовані на висоті понад двадцяти тисяч кілометрів від Землі, рівно стільки, скільки необхідно для стабільного руху по орбіті і звуження опору атмосфери. При роботі системи глобального позиціонування у світі відбуваються помилки, які трудноустранимы. Це пов'язано з проходженням сигналу через тропосферу і іоносферу, де швидкість знижується, що призводить до збоїв у вимірах.

Компоненти картографічної системи

Існує безліч продуктів системи глобального позиціонування і ГІС-додатків для картографування. Завдяки їм географічні дані швидко формуються і оновлюються. Компонентами цих продуктів є GPS-приймачі, і накопичувачі даних. Приймачі здатні робити обчислення з частотою менше секунди і точністю від десятків сантиметрів до п'яти метрів, функціонуючи в диференціальному режимі. Вони відрізняються один від одного за розмірами, обсягом пам'яті і кількістю каналів спостереження. Поки людина стоїть на одному місці або пересувається, приймач отримує сигнали від супутників і робить обчислення про його розташування. Результати у вигляді координат висвічуються на дисплеї. Контролери представляють собою портативні комп'ютери, які функціонують під управлінням, необхідного для збору даних. ПО контролює установки приймача. Накопичувачі мають різні габарити і типи запису даних. Кожна система оснащена програмним забезпеченням. Після того як ви завантажуєте інформацію з накопичувача на ваш комп'ютер, програма збільшує точність даних за допомогою спеціального методу обробки, що отримав назву «диференційна корекція». ЗА візуалізує дані. Одні з них можна редагувати в ручному режимі, інші — виводити на друк і так далі. GPS глобального позиціонування — системи, що сприяють збору інформації для введення в бази даних, а експортує їх в ГІС-програми.

Диференційна корекція

Даний метод суттєво підвищує точність отриманих даних. При цьому один з приймачів знаходиться в точці певних координат, а інший збирає інформацію там, де вони невідомі. Диференційна корекція реалізується двома шляхами.

Перший — це диференційна корекція в реальному часу, де обчислюються і видаються помилки кожного супутника основною станцією. Уточнені дані сприймаються пересувним приймачем, який показує скориговані дані.

Другий — диференційна корекція в постобробці — має місце тоді, коли основна станція записує корекції прямо на файл у комп'ютері. Початковий файл обробляється разом з уточненим, далі виходить диференціально скоригований.

Картографічні системи Trimble здатні використовувати обидва методи. Таким чином, якщо режим в реальному часі перерветься, то залишається можливість його використання в постобробці.

Застосування

GPS застосовуються в різних областях. Наприклад, системи глобального позиціонування на місцевості широко використовуються в сфері природних ресурсів, де геологи, біологи, лісники і географи використовують їх для записи положень та додаткової інформації. Також це область розвитку інфраструктури і міського господарства, коли контролюються транспортні потоки і комунальна система. Широке застосування GPS-системи глобального позиціонування отримали і в сільському господарстві, описуючи, наприклад, особливості полів. У сфері соціальних наук історики і археологи використовують їх для навігації і реєстрації історичних місць. Область застосування картографічних систем GPS цим не вичерпується. Вони можуть бути використані в будь-яких інших додатках, де необхідні точні координати, час та інша інформація.

GPS-приймач

Це радіоприймальний пристрій, що визначає координати місця розташування антени, основывась на інформації про тимчасові затримки радіосигналів від супутників Navstar. Вимірювання формуються з точністю до трьох-п'яти метрів, а якщо є сигнал від наземної станції — до одного міліметра. GPS-навігатори комерційного типу на старих зразках мають точність від ста п'ятдесяти метрів, а на нових — до трьох метрів. На основі приймачів виготовляють GPS-логгер, GPS-трекери і GPS-навігатори. Обладнання може бути користувача і професійним. Друге відрізняється якістю, режимами роботи, частотами, системами навігації і ціною. Користувальницькі приймачі, здатні повідомити точні координати, час, висоту над рівнем моря, напрямок, заданий користувачем, поточну швидкість, інформацію про дорозі. Інформація виводиться на телефон або комп'ютер, до якого підключений пристрій.

GPS-навігатори: карти

Карти підвищують якість навігатора. Вони бувають векторного і растрового типів. У векторних варіантах зберігаються дані про об'єкти, координати та інша інформація. У них може бути закладена характеристика місцевості природного типу і безлічі об'єктів, наприклад, готелів, заправок, ресторанів і т. д., так як вони не містять зображень, займають менше місця і працюють швидше. Растрові типи — найбільш прості. Вони являють собою зображення місцевості за географічними координатами. Може бути зроблена фотографія з супутника або карта паперового типу — відсканована. В даний час є навігаційні системи, які користувач може доповнювати своїми об'єктами.

GPS-трекери

Таке радіоприймальний пристрій приймає і передає дані для контролю і стеження за пересуваннями різних об'єктів, до яких його прикріплюють. У нього входить приймач, визначає координати, і передавач, відправляє їх користувачу, що знаходиться у видаленні. GPS-трекери бувають:

персональними, використовуваними індивідуально;

автомобільними, що підключаються до бортової автомережі.

Їх застосовують для визначення місцезнаходження різних об'єктів (людей, транспорту, тварин, товарів і так далі). Проти цих пристроїв можуть бути використані засоби придушення сигналів, які формують перешкоди на тих частотах, де працює трекер.

GPS-логгер

Дані радіоприймачі здатні працювати в двох режимах:

звичайного GPS-приймача;

логер, записуючи в пам'ять інформацію про шлях, який був пройдений.

Вони можуть бути:

портативними, оснащеними малогабаритної акумуляторною батареєю;

автомобільними, що харчуються від бортової мережі.

У сучасних моделях логгерів є можливість запису до двохсот тисяч точок. Також пропонується відзначати якісь точки на своєму шляху. Пристрої активно застосовуються в туризмі, спорті, стеженні, картографії, геодезії і так далі.

Глобальне позиціонування сьогодні

На основі наведеної інформації можна зробити висновок, що подібні системи вже використовуються повсюдно, і сфера застосування має тенденцію до ще більшого поширення. Глобальне позиціонування охоплює сферу споживання. Використання самих останніх технічних новинок робить систему однією з найбільш затребуваних на цьому сегменті ринку. Поряд з GPS в Росії розробляється ГЛОНАСС, в Європі — Galileo. У той же час глобальне позиціонування не позбавлене недоліків. Наприклад, в квартирі залізобетонного будинку, в тунелі або підвалі визначити точне місцезнаходження неможливо. Нормального прийому здатні перешкодити магнітні бурі радиоисточники, що знаходяться на землі. Карти навігації швидко застарівають. Найбільшим недоліком є те, що система повністю залежить від Міністерства оборони США, яке в будь-який момент може, наприклад, включити перешкоди або відключити громадянську частина взагалі. Тому так важливо, що крім системи глобального позиціонування GPS і ГЛОНАСС, Galileo також розвиваються.