Система спутниковой навигации GPS – принцип, схема, применение. Разница между GPS и A-GPS

Спутниковая навигация GPS давно уже является стандартом для создания систем позиционирования и активно применяется в различных трекерах и навигаторах. В проектах Arduino GPS интегрируется с помощью различных модулей, не требующих знания теоретических основ. Но настоящему инженеру должно быть интересно разобраться со принципом и схемой работы GPS, чтобы лучше понимать возможности и ограничения этой технологии.

Схема работы GPS

GPS – это спутниковая навигационная система, разработанная Министерством обороны США, которая определяет точные координаты и время. Работает в любой точке Земли в любых погодных условиях. GPS состоит из трех частей – спутников, станций на Земле и приемников сигнала.

Идея создания спутниковой навигационной системы зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. Американская группа ученых, наблюдающая за запуском советских спутников, заметила, что при приближении спутника частота сигнала увеличивается и уменьшается при его отдалении. Это позволило понять, что возможно измерить положение и скорость спутника, зная свои координаты на Земле, и наоборот. Огромную роль в развитии навигационной системы сыграл запуск спутников на низкую околоземную орбиту. А в 1973 году была создана программа «DNSS» («NavStar»), по этой программе спутники запускались на среднюю околоземную орбиту. Название GPS программа получила в том же 1973 году.

Система GPS на данный момент используется не только в военной области, но и в гражданских целях. Сфер применения GPS много:

Мобильная связь;
Тектоника плит – происходит слежение за колебаниями плит;
Определение сейсмической активности;
Спутниковое отслеживание транспорта – можно проводить мониторинг за положением, скоростью транспорта и контролировать их движение;
Геодезия – определение точных границ земельных участков;
Картография;
Навигация;
Игры, геотегинт и прочие развлекательные области.

Важнейшим недостатком системы можно считать невозможность получения сигнала при определенных условиях. Рабочие частоты GPS лежат в дециметровом диапазоне волн. Это приводит к тому, что уровень сигнала может снизиться из-за высокой облачности, плотной листвы деревьев. Радиоисточники, глушилки, а в редких случаях даже магнитные бури также могут мешать нормальной передаче сигнала. Точность определения данных будет ухудшаться в приполярных районах, так как спутники невысоко поднимаются над Землей.

Навигация без GPS

Поправки в полученные уравнения вносит расхождение между расчетным и фактическим положением спутника. Погрешность, которая возникает в результате этого, называется эфемеридной и составляет от 1 до 5 метров. Также свой вклад вносят интерференция, атмосферное давление, влажность, температура, влияние ионосферы и атмосферы. Суммарно совокупность всех ошибок может довести погрешность до 100 метров. Некоторые ошибки можно устранить математически.

Чтобы уменьшить все погрешности, используют дифференциальный режим GPS. В нем приемник получает по радиоканалу все необходимые поправки к координатам от базовой станции. Итоговая точность измерения достигает 1-5 метров. При дифференциальном режиме существует 2 метода корректировки полученных данных – это коррекция самих координат и коррекция навигационных параметров. Первый метод использовать неудобно, так как все пользователи должны работать по одним и тем же спутникам. Во втором случае значительно увеличивается сложность самой аппаратуры для определения местоположения.

Существует новый класс систем, который увеличивает точность измерения до 1 см. Огромное влияние на точность оказывает угол между направлениями на спутники. При большом угле местоположение будет определяться с большей точностью.

Точность измерения может быть искусственно снижена Министерством обороны США. Для этого на устройствах навигации устанавливается специальный режим S/A – ограниченный доступ. Режим разработан в военных целях, чтобы не дать противнику преимущества в определении точных координат. С мая 2000 года режим ограниченного доступа был отменен.

Все источники ошибок можно разделить на несколько групп:

Погрешность в вычислении орбит;
Ошибки, связанные с приемником;
Ошибки, связанные с многократным отражением сигнала от препятствий;
Ионосфера, тропосферные задержки сигнала;
Геометрия расположения спутников.

Основные характеристики

В систему GPS входит 24 искусственных спутника Земли, сеть наземных станций слежения и навигационные приемники. Станции наблюдения требуются для определения и контроля параметров орбит, вычисления баллистических характеристик, регулировка отклонения от траекторий движения, контроль аппаратуры на бору космических аппаратов.

Характеристики навигационных систем GPS :

Количество спутников – 26, 21 основной, 5 запасных;
Количество орбитальных плоскостей – 6;
Высота орбиты – 20000 км;
Срок эксплуатации спутников – 7,5 лет;
Рабочие частоты – L1=1575,42 МГц; L2=12275,6МГц, мощность 50 Вт и 8 Вт соответственно;
Надежность навигационного определения – 95%.

Навигационные приемники бывают нескольких типов – портативные, стационарные и авиационные. Приемники также характеризуются рядом параметров:

Количество каналов – в современных приемников используется от 12 до 20 каналов;
Тип антенны;
Наличие картографической поддержки;
Тип дисплея;
Дополнительные функции;
Различные технические характеристики – материалы, прочность, защита от влаги, чувствительность, объем памяти и другие.

Принцип действия самого навигатора – в первую очередь устройство пытается связаться с навигационным спутником. Как только связь будет установлена, происходит передача альманаха, то есть информации об орбитах спутников, находящихся в рамках одной навигационной системы. Связи с одним только спутником недостаточно для получения точного местоположения, поэтому оставшиеся спутники передают навигатору свои эфемериды, необходимые для определения отклонений, коэффициентов возмущения и других параметров.

Холодный, теплый и горячий старт GPS навигатора

Включив навигатор впервые или после долгого перерыва, начинается долгое ожидание для получения данных. Долгое время ожидания связано с тем, что в памяти навигатора отсутствуют либо устарели альманах и эфемериды, поэтому устройство должно выполнить ряд действий по получению или обновлению данных. Время ожидания, или так называемое время холодного старта, зависит от различных показателей – качество приемника, состояние атмосферы, шумы, количество спутников в зоне видимости.

Чтобы начать свою работу, навигатор должен:

Найти спутник и установить с ним связь;
Получить альманах и сохранить его в памяти;
Получить эфемериды от спутника и сохранить их;
Найти еще три спутника и установить с ними связь, получить от них эфемериды;
Вычислить координаты при помощи эфемерид и местоположения спутников.

Только пройдя весь этот цикл, устройство начнет работать. Такой запуск и называется холодным стартом .

Горячий старт значительно отличается от холодного. В памяти навигатора уже имеется актуальный на данный момент альманах и эфемериды. Данные для альманаха действительны в течение 30 дней, эфемерид – в течение 30 минут. Из этого следует, что устройство выключалось на непродолжительное время. При горячем старте алгоритм будет проще – устройство устанавливает связь со спутником, при необходимости обновляет эфемериды и вычисляет местоположение.

Существует теплый старт – в этом случае альманах является актуальным, а эфемериды нужно обновить. Времени на это затрачивается немного больше, чем на горячий старт, но значительно меньше, чем на холодный.

Ограничения на покупку и использование самодельных модулей GPS

Российское законодательство требует от производителей уменьшать точность определения приемников. Работать с незагрубленной точностью может производиться только при наличии у пользователя специализированной лицензии.

Под запретом в Российской Федерации находятся специальные технические средства, предназначенные для негласного получения информации (СТС НПИ). К таковым относятся GPS трекеры, которые используются для негласного контроля над перемещением транспорта и прочих объектов. Основной признак незаконного технического средства – его скрытность. Поэтому перед приобретением устройства нужно внимательно изучить его характеристики, внешний вид, на наличие скрытых функций, а также просмотреть необходимые сертификаты соответствия.

Также важно, в каком виде продается устройство. В разобранном виде прибор может не относиться к СТС НПИ. Но при сборе готовое устройство уже может относиться к запрещенным.

Одна из двух крупнейших глобальных систем позиционирования через спутник - GPS - может быть задействована в стандартном формате или же в виде сервиса A-GPS. В чем основные особенности данных технологий?

Факты о GPS

Система GPS предназначена для определения географических координат объекта, на котором размещены приемник, навигатор или иное устройство, способное принимать сигналы GPS со спутника. Данная система предполагает использование стандарта WGS 84, позволяющего в трехмерном измерении определять координаты объекта на поверхности Земли с точностью до 2 см. Кроме того, навигация по технологии GPS позволяет также измерять скорость перемещения приемника или аналогичного ему девайса по поверхности Земли.

Факты об A-GPS

Технология A-GPS дополняет стандарт GPS сразу в нескольких аспектах. В первую очередь - в части ускорения работы используемых в навигации приемников. Дело в том, что определение координат только через спутники предполагает значительную нагрузку на аппаратные ресурсы данного устройства. Но если дать приемнику возможность задействовать вспомогательные источники определения своего месторасположения (те, что применяются в инфраструктуре A-GPS), то он будет работать заметно быстрее.

GPS-навигатор, поддерживающий технологию A-GPS, загружается значительно быстрее тех девайсов, что не совместимы с соответствующим стандартом. Кроме того, A-GPS позволяет ощутимо улучшить стабильность непрерывного отслеживания координат приемника: сигнал со спутника не всегда устойчив (особенно в условиях города), и задействование вспомогательных каналов определения месторасположения навигатора в этом смысле может стать критическим условием выполнения приемником своих пользовательских функций.

Какие конкретно вспомогательные каналы для определения координат навигатора задействуются при использовании технологии A-GPS? Как правило, это мобильный интернет - по технологии 3G или 4G. В ряде случаев подойдет связь и через Wi-Fi.

Если 3G, 4G или Wi-Fi-каналы недоступны, то определение координат может осуществляться через базовые станции сотовых операторов. Правда, такой метод имеет сравнительно небольшую точность - до 20 метров, часто - в несколько сотен метров.

Сравнение

Главное отличие GPS от A-GPS в том, что первая технология предполагает определение географических координат навигатора через спутник, вторая - через альтернативные каналы (3G, 4G, Wi-Fi, базовые станции операторов).

Приемник, поддерживающий стандарт A-GPS, как правило, загружается намного быстрее, чем девайс, поддерживающий только «классические» GPS-каналы. Это возможно за счет оперативного получения координат, а в некоторых случаях - также обновления карт через интернет или сотовые каналы.

Кроме того, навигатор, совместимый с технологией A-GPS, может выполнять свои функции в тех случаях, когда сигнал со спутника очень слабый или отсутствует вовсе. Разумеется, только если альтернативные каналы получения координат девайса работают.

Определив, в чем разница между GPS и A-GPS, зафиксируем выводы в таблице.

Система глобального позиционирования GPS (Global Positioning System) изначально была запланирована для пользования вооруженными силами США. В дальнейшем стала первой системой спутниковой навигации, применяемой для гражданских целей, и используется в настоящее время для навигации по всему миру.

Принцип работы GPS базируется на использовании группировки из 30 спутников, которая кроме 27 действующих включает еще на случай поломки одного из основных 3 запасных спутника. Рабочая орбита спутников равна примерно 19 000 км, за сутки каждый спутник делает два оборота вокруг Земли. Комплект спутников сконфигурирован таким образом, что обеспечивает круглосуточный прием сигнала из любой точки Земли, как минимум, четырьмя спутниками, то есть тем минимумом, который требуется для определения точного местоположения. GPS-приемник рассчитывает свое местоположение по отношению к видимым спутникам. Чем больше будет количество доступных спутников в зоне и чем сильнее будет уровень сигнала от них, тем точнее будут результаты определения координат.

GPS-приемник по задержке передачи сигнала определяет расстояние до каждого спутника. Далее, имея пространственные координаты 3 точек и 3 расстояния до искомой точки, легко находится место нахождения приемника на плоскости. Поскольку система работает в пространстве, а не на плоскости, требуется наличие четвертого спутника, который позволяет однозначно определить координаты точки в трехмерном пространстве. По сравнению с решением теоретической геометрической задачи, практическое определение отличается наличием погрешностей определения расстояния до спутников, что приводит к тому, что результатом определения может стать не точка, а область определенного радиуса. Однако, увеличение количества видимых спутников приведет к уменьшению этого радиуса и, следовательно, точность определения местоположения возрастет. На практике, система GPS в гражданском исполнении обеспечивает точность с радиусом 30 метров, а военные приемники – до 3 метров. Количество видимых спутников зависит от конкретной модели приемника. Кроме того, для качественной работы системы GPS необходима взаимная точная синхронизация спутника и GPS-приемника, чтобы точно рассчитать задержку от заранее определенного времени посылки сигнала со спутника.

Навигация GPS в наше время нашла самое широкое применение. В частности, в навигаторах, где она объединена и привязана к электронным картам. Такая технология позволяет не только определять координаты местонахождения абонента, но и планировать маршрут передвижения в соответствии со способом перемещения и другими исходными требованиями. Многие модели мобильных телефонов оснащаются GPS-навигаторами. Сочетание мобильной связи с системой глобального позиционирования GPS привело к созданию новой вспомогательной технологии – A-GPS (Assisted GPS), которая предполагает использование Интернета для улучшения качества работы базовой системы позиционирования по двум направлениям. Во-первых, GPS-приемник после включения первым делом определяет местоположение спутников. Иногда по причине слабого сигнала процедура может растянуться на несколько минут. При помощи технологии A-GPS информация о месторасположении спутников запрашивается через сеть Интернет в специальных дата центрах. Во-вторых, для вычисления местоположения от большого количества спутников при плохих условиях прохождения сигналов от спутников требуются производительные вычислительные мощности, которые присутствуют далеко не во всех терминалах. Отправка полученных предварительных значений в дата центры и получение готовых координат может существенно ускорить процесс первоначального позиционирования. Кроме этого, доступ к Интернету может использоваться для других целей. Это могут быть, например, синхронизация или получение информации об атмосферном состоянии, что может оказать заметное влияние на расчеты.

В последнее время многие страны проявляют интерес в создании систем глобального позиционирования собственного производства. Примерами могут служить Глонас в России или Галилео в Европе. Такие устремления вызваны желанием получить независимость от Американской системы, так как остается возможность отключения системы по инициативе ее собственника, что может привести к серьезным сбоям в функционировании важных систем внутри государства. В таких ответственных гражданских системах для повышения надежности и точности обычно используются спаренные двойные системы из 2-х и более систем позиционирования.

Недостатки GPS

При эксплуатации системы глобального позиционирования GPS могут возникать следующие проблемы:

При первом определении координат время зависит от орбитальных данных и от актуальности хранящейся в приемнике истории. Другими словами, чем дольше устройство было отключено, тем больше оно должно получить информации до момента, когда определение позиции станет возможным. Например, если устройство было отключено 2 - 6 часов, то ему понадобится примерно 45 секунд. Если же устройство не работало несколько дней, либо при движении без получения информации более 300 км - до 12,5 минут.
Существуют сильные ограничения видимости GPS спутников в городских условиях, а в туннелях или закрытых помещениях видимость вообще невозможна.
Высокое энергопотребление GPS-приемника.

Функции A-GPS

Алгоритмы системы A-GPS требуют канала связи с удаленным сервером, предоставляющего информацию для приемника. Обычно для мобильных устройств таким каналом является сотовая связь. Для осуществления обмена информацией устройство должно располагаться в зоне действия базовой станции оператора мобильной связи и иметь доступ в сеть Интернет.

Существует два режима работы A-GPS:

Базовый режим On-line, при котором приёмник получает информацию об орбитах спутников через инфраструктуру и вычисляет местоположение по полученным от пользователей данным. Данный режим требует от оператора сотовой связи высокой плотности покрытия.
Вспомогательный режим Off-line, который ускоряет время холодного и горячего старта приёмника A-GPS, обновляющего альманах, эфемериды и перечень доступных спутников. Причем приём спутниковых сигналов и определение собственного местоположения GPS-приёмник выполняет самостоятельно. Однако некоторые A-GPS приёмники не могут работать в таком режиме.

Преимущества A-GPS

Среди преимуществ A-GPS стоит отметить быстрое получение местоположения сразу после включения и повышенную чувствительность приёма слабых сигналов в проблемных зонах (тоннелях, впадинах, в помещениях, на узких городских улицах, в густом лиственном лесу).

Недостатки A-GPS

A-GPS не может функционировать за пределами действия сотовой сети. Существуют приёмники с модулем A-GPS, объединенным с радиомодулем GSM, которые не могут стартовать при отключенном радиомодуле. Для старта самого модуля A-GPS наличие сети GSM не является обязательным. Модули A-GPS при запуске потребляют небольшой трафик 5-7 кБ, а вот при потере сигнала необходимо выполнение повторной синхронизации, что может увеличить затраты клиента, особенно в роуминге.

Начнем, пожалуй, с объяснения, что такое A-GPS и чем он отличается от GPS . В большинстве случаев сотовые телефоны не имеют достаточно хорошего приемника, который бы смог обеспечить увереный прием сигнала в помещение или между высотками. Именно тут приходит на помошь так называемый A-GPS , что в большинстве других мобильных телефонах называется просто GPS .

A-GPS (англ. Assisted GPS) система, ускоряющая определение координат GPS-приёмником

Самой большой проблемой для GPS приемника является так называемый «холодный старт». Именно в этот момент происходит поиск спутников. В зависимости от внешних факторов процесс старта может затянуться, что не только вызывает дискомфорт, но и приводит к повышенному потреблению энергии. Технология A-GPS помогает справиться не только с данной проблемой, но несколько упростить жизнь GPS приёмнику.

В случае с iPhone это означает, что текущая позиция будет определяться при помощи GPS , Wi-Fi и станций сотовых операторов (умельцы из Apple умудрились для всего этого использовать всего лишь 2 антены, которые расположены в неожиданных местах — кольцо вокруг камеры, аудио-jack, металический ободок вокруг экрана и т.д. Все эти данные будет обрабатывать вспомогательный сервер. Именно в этом и заключается преимущество A-GPS перед GPS : первый работает намного быстрее, а второй «тормозит» во время «холодного старта», когда ищет спутники. С обычным GPS приемником для позиционирования вам нужно несколько сильных сигналов и некоторое количество времени для получения координат. При A-GPS вспомогательный сервер сам сообщает вашему телефону, где находятся ближайщие спутники, тем самым сокращая время на поиски. К тому же такой подход экономит еще батарею.

В отличие от многих других телефонов, A-GPS в iPhone будет работать без связи с сетью, что позволит вам использовать его на природе, да и вообще любой точке мира, где ловится сигнал спутника (однако не забывайте, что вам нужна будет Google Maps , придется ее подгрузить заранее).

На текущий момент не известно, насколько быстро A-GPS будет сажать аккумулятор: iPhone будет сам автоматически включать и выключать систему позиционирования по надобности, что сохранит заряд. Предпологается, что при активной его работе (постояный трекиг позиции и т.д.) потреблять он будет все же достаточно много.

Осознав, какой же хороший все-таки GPS будет в iPhone , мы переходим к самому интересному — к навигации. Вот тут то Apple как всегда в своем репертуаре. Текущая версия SDK запрещает использование его для навигации в реальном времени («Real-Time Route Guidance»). Но не все так плохо, гигант GPS индустрии TomTom заявил, что они уже ведут работу над навигатором для iPhone. Видимо, крупным компаниям приходиться каким-то образом получать разрешение на использование SDK в индивидуальном порядке. Таким образом, нас ждут дополнительные траты, чтобы превратить iPhone в приемлимый для использования навигатор . Но нам, видимо, не привыкать:-).

«GPS» в списке технических характеристик планшетов уже воспринимается как данность. Да и ни одна современная модель без него не обходится. Вот только GPS-модули могут быть разных видов, а потому и функции предлагают разные. В чём отличия и что лучше выбирать?

Итак, A-GPS (assisted global positioning system), технология, модернизировавшая обычную GPS, в некотором плане её улучшив. A-GPS позволяет быстрее определять местоположение девайса, затрачивая вместе с тем и меньше энергии аккумулятора. Плюс, с A-GPS сигнал можно словить в труднодоступных зонах – например, в помещениях, многолюдных улицах мегаполиса и даже в тоннелях. Каким образом?

Технологии

То, сколько времени потребуется на определение вашего местоположения зависит от того, насколько актуален альманах, хранящийся в данном приёмнике, и эфемерид. Альманах передаётся посредством GPS-сигнала и представляет собой совокупную информацию о параметрах спутниковых орбит. Второй тип данных (эфемериды) – корректировка параметров часов, а также спутниковых орбит, без чего вообще невозможно было бы определить координаты. Эфемерид передаётся циклично – каждые 30 секунд спутники посылают данные на приёмники.

При работе обычного GPS-приёмника скорость определения местоположения будет зависеть от того, как долго он был отключён: чем дольше вас не было на связи, тем больше информации должен будет собрать модуль, чтобы не ошибиться в расчётах. Таким образом, 6 часов без активности заставят вас ждать около минуты, а несколько дней «вне сети» затребуют вплоть до 12 минут.

Различают «холодный», «тёплый» и «горячий» старт GPS – в зависимости от того, насколько актуальны альманах и эфемериды.

Обычный GPS-модуль эти данные получает напрямую от спутников, A-GPS работает через «посредников».

Суть изменений

Помимо времени ожидания, обычный GPS также требует и немалый расход энергии. Вот почему, уткнувшись в Google Maps можно и не заметить, как сел аккумулятор. Обе эти проблемы решает A-GPS, но только при одном очень важном условии: если есть доступ к Интернету. Без связи с удалённым сервером, предоставляющим данные для планшета, алгоритмы A-GPS работать, увы, не будут.

Для планшетов с 3G картой и фаблетов с SIM-картой в ход идут базовые операторские станции, благодаря которым точность определения местоположения может достигать 20 м. Чем больше базовых станций в округе (что характерно для крупных городов), тем точнее будут данные навигатора. Именно через них модуль способен так быстро получать данные о нахождении вашего устройства.

Сравнение

По логике вещей, A-GPS лучше обычного GPS модуля: точность определения координат планшета, скорость обработки данных и умеренное потребление заряда аккумулятора должны были сделать эту технологию вездесущей. Однако A-GPS – частое явление именно среди бюджетных планшетов (особенно китайского производства), в то время как флагманские модели оборудованы обычным GPS. В чём подвох?

Как упоминалось выше, технология A-GPS требует подключения к операторской сети – не все планшеты имеют слот для SIM-карт, и далеко не всегда находятся в зоне открытого Wi-Fi. Плюс, вычисление местоположения посредством A-GPS – это всегда использование траффика. Да, он незначителен и некоторые операторы предоставляют необходимые для навигации данные бесплатно, но всегда существует риск заплатить за желание узнать где вы всё-таки находитесь.

Модели и цены

Если вы планируете пользоваться не только Wi-Fi и готовы платить по счетам за 3G, тогда можно спокойно брать модели с A-GPS. Наличие SIM-карты кардинально меняет положение: вам достанется устройство, полное преимуществ. Например, Apple iPad mini 3 Wi-Fi + Cellular : система навигации работает быстро и корректно.

Или другой пример: в некоторых комплектациях тот же Asus MeMO Pad 7 идёт с A-GPS, но слот для SIM-карты не предусмотрен. Модель – одна из самых доступных в своей мощностной категории, однако определить ваше местоположение сможет только при наличии Wi-Fi. Так что, скажем, для авто в качестве навигатора она однозначно не подойдёт.

Обратите внимание, что львиная доля интернет-магазинов не уточняют, какой именно модуль стоит в том или ином планшете: напротив GPS стоит «галочка» – и дело с концом. Если в случае брендовых планшетов переживать не стоит – «GPS» в списке технических характеристик подразумевает именно GPS-модуль. То с «бюджетниками» нужно быть поосторожнее – можно купить абсолютно не то, что вам нужно.