Что такое ЖПС навигатор и зачем он нужен. Мифы и реальность GPS system

GPS: потребности и возможности
Любое живое существо, способное самостоятельно передвигаться на сколько-нибудь значительные расстояния, нуждается в осознании собственного местонахождения. Природа щедро одарила животных механизмами ориентации в пространстве (кстати, многие из этих механизмов до сих пор представляют загадку для ученых). Однако венец творения обнаружил самую большую «милость от природы» в данном вопросе: естественные спутники - небесные тела. К сожалению, имя той светлой головы, в которую впервые пришла мысль ориентироваться по Солнцу и звездам, утеряно навсегда, и мы никогда не сможем отдать должное этой гениальной находке.
Но и этого людям показалось недостаточно. В своем вечном стремлении если не сразиться, то хотя бы посоревноваться с природой, они создают и запускают искусственные спутники. В феврале 1978 года был выведен на орбиту первый спутник системы NAVSTAR. Эту дату можно считать днем рождения Системы Глобального Позиционирования GPS (Global Positioning System).
Ничто не дает такого сильного импульса научным разработкам, как военные заказы. Именно поэтому GPS система разрабатывалась Министерством обороны США. Помимо военных целей, попутно она имела и коммерческий доступ. Правда, точность данных, полученных коммерческими пользователями, была не более 100 метров. Дело в том, что МО США вводило искусственное снижение точности спутникового сигнала. Это называлось Избирательный Доступ (Selective Availability или S/A). Однако 1 мая 2000 года по решению президента США (!) "Избирательный Доступ" был отключен, и мы можем законно пожинать плоды спецов штатовской оборонки.
Что представляет собой навигационная система GPS на сегодняшний день?
Система GPS состоит из совокупности 29-ти искусственных спутников Земли (спутниковая система NAVSTAR), 4-х наземных станций слежения, 3-х станций связи и центра управления наземным сегментом системы. Всё это объединено в общую сеть и управляется Министерством Обороны США. В общем случае элементом системы является собственно GPS-приемник, без которого вся затея, мягко говоря, теряет смысл. О них речь пойдет чуть ниже.
Поскольку основой GPS является спутниковая система Navstar, остановимся на ней чуть подробней. Из 29-ти спутников 24 являются рабочими, 5 - резервными. Орбиты спутников расположены в 6-ти плоскостях, наклоненных под углом 55° к экватору Земли (по 4 в каждой), период обращения каждого спутника 12 часов. Такое расположение является оптимальным: с любой точки земной поверхности одновременно видно 5-12 спутников. Именно поэтому, кстати, самое распространенное число каналов в GPS-приемниках - 12. Каждый спутник размером около 5 метров весит приблизительно 800 килограмм. Главные устройства: несколько наиточнейших атомных часов (точность - 1 наносекунда) и источник мощностью 50 Вт, каждую миллисекунду подающий радиосигналы на частотах 1575.42 МГц и 1227.60 МГц. Средний срок службы одного спутника приблизительно 10 лет.
Однако оставим в покое спутники: они далеко (на высоте ~20200 км). Пусть, как говорится, «бороздят» да подают сигналы. Поговорим о том, что Вы уже держите в руках или собираетесь приобрести - о GPS-приемниках.
Может показаться удивительным, но информация, зашифрованная в радиосигнале со спутника, содержит всего два параметра, которые нужны GPS-приемнику для определения его координат. Это точное время и время отправки сигнала, и ничего более!
Конечно, спутник передает еще массу данных, о степени секретности которых нам остается только догадываться. Не будем забывать, что система военная, и вряд ли американцы стали бы запускать проект стоимостью в десятки миллиардов долларов (!) ради того, чтобы пеший курьер Вася Иванов смог кратчайшим путем пройти с Полянки на Лубянку.
Точное время нужно для того, чтобы синхронизировать часы приёмника и часы на спутнике, а время отправки сигнала - для того, чтобы вычислить разницу между временем отправки сигнала и временем его получения. Умножая эту разницу на скорость распространения радиосигнала (она постоянна и равна скорости света ~ 300000 км/ч), получаем расстояние между приемником и спутником. Зная расстояния до 3-х спутников с известными координатами, приемник рассчитывает собственные координаты (широту и долготу). Для определения высоты над уровнем моря потребуется информация уже не менее, чем с 4-х спутников. Для выведения расчетных формул достаточно школьного курса геометрии.
Естественно, есть определенные погрешности расчетов. Они связаны с многолучевым распространением радиосигналов (влияние переотраженных радиоволн на приемник), ошибками в ходе атомных часов, отклонениями спутников от орбит, ионосферными и атмосферными задержками сигналов и др. Не будем детально разбирать эти вопросы, скажем лишь, что вспомогательное оборудование системы GPS, продуманная конструкция антенн и специальные алгоритмы позволяют минимизировать неточности расчетов.
Заканчивая краткий экскурс в основы технологии GPS-системы, добавим, что американская спутниковая система не единственная в своем роде. На космической орбите работают российские спутники системы Glonass. В результате сотрудничества с Индией эта система должна стать доступной гражданскому населению и составить конкуренцию GPS в ближайшее время. Вскоре стартует европейский проект Galileo, который может произвести передел рынка спутниковой навигации.
Перспективы развития этой отрасли огромны. Инженеры военных ведомств проводят колоссальную работу по улучшению существующих систем и разработке принципиально новых технологических подходов. Это и модернизированные способы кодирования и обработки радиосигналов, и усовершенствованные алгоритмы коррекции расчетов и многое другое. Все эти усилия направлены на повышение точности позиционирования. Если уже сейчас благодаря GPS-навигации можно посадить военный самолет на палубу авианосца в условиях нулевой видимости, то лет через пять можно будет и нитку в иголку продеть.

В потребительском мире сегодня существуют три очень перспективные области, на которые производители делают сильный акцент: безопасность, охрана окружающей среды и качество. По крайней мере, в первых двух GPS может занять ведущую роль. Например, транспортные потоки всегда связаны с повышенными требованиями к безопасности, именно поэтому транспорт – это уже сейчас основной потребитель услуг спутниковой навигации. Другой пример: прогнозирование природных катастроф, таких как, землетрясения, извержения вулканов, оползни, снежные лавины – точность и своевременность таких прогнозов могут быть повышены благодаря спутниковой навигации.
Но мы с вами не пилоты боевых самолетов, не спасатели МЧС, не геодезисты-картографы и т.п. Мы просто люди, и нам интересны возможности «любительских», или, как их еще называют, бытовых, GPS-навигаторов. В зависимости от модели такой GPS-навигатор может хранить и выдавать следующую информацию:
· точные координаты Вашего текущего местоположения в заданном формате в одной из нескольких десятков систем координат.
· высоту над уровнем моря
· расстояние до введенной или сохраненной в памяти точки
· пройденный путь
· карту или схематическое изображение карты (зависит от модели) с отображением близлежащих точек, текущего маршрута и пройденного пути
· направление на север, или заданную точку, или следующую точку маршрута,
· текущую, среднюю или максимальную скорость движения, время прибытия в пункт назначения.
· точное время и дату, время восхода и захода солнца, в зависимости от модели еще и фазы луны
· координаты отдельных точек и целые маршруты, повторить однажды пройденный маршрут в любом направлении
Степень подробности выдаваемой информации зависит от программного обеспечения и дополнительного оборудования. Например, есть специальные программы для занятий бегом или программы для спортсменов-велосипедистов, которые с помощью специальных датчиков могут посчитать даже число оборотов педалей, проделанных гонщиком за маршрут.
Есть еще один принципиальный критерий: возможность закачки карт (см. карты для GPS навигаторов). В дешевых моделях есть только встроенная карта того региона, где планируется использовать прибор. Подробность и точность таких карт (их еще называют базовыми) оставляет желать лучшего. В более продвинутых и, соответственно, более дорогих моделях есть специальный объем памяти, в который можно загружать дополнительные карты. Имеющиеся в продаже карты для GPS-навигаторов имеют различные форматы, и конкретная модель прибора может не поддерживать некоторые из них. Масштаб большинства карт 1:200000 (в 1 сантиметре 2 километра).
Главное и практически единственное ограничение применения всех GPS-навигаторов – это их «наземность», точнее, надземность (в воздухе они работают нормально). Сигнал от спутников слабый, поэтому в ранних моделях даже плотная листва деревьев влияла на точность расчетов. Современные приборы «не ловят» сигнал уже в обычном панельном доме (разве что на подоконнике), не говоря уже о туннелях, шахтах и т.п. Впрочем, у шахтеров, метростроевцев и прочих диггеров есть свои методы ориентирования.
«С чем едят?» Самые распространенные сочетания: КПК с GPS-приемником и радиостанция с GPS-приемником. Вообще тенденция такова, что GPS-приемником будет оборудоваться все, что движется, начиная от коммуникаторов и мобильных телефонов и заканчивая ошейниками для животных и… участками земной коры. Кроме этого, существует масса аксессуаров для GPS-навигаторов: кабели, переходники, антенны, карты памяти, всевозможные крепления, гарнитуры и проч.
Ведущие производители любительских GPS-навигаторов: Garmin, Magellan и Lowrance (собирается все, естественно, как теперь повелось, в Китае или Тайване). Есть компании, например, Trimble, производящие профессиональное геодезическое оборудование, отличающееся высокой точностью и включающее различные дополнительные устройства. Стоимость таких комплексов может превышать и 10 тыс. $.
Какие бывают GPS-навигаторы? Если критерием классификации считать область применения, можно выделить четыре основные группы моделей: персональные, автомобильные, морские и авиационные. Рассмотрим их возможности и отличия.

Персональные GPS-навигаторы

Как следует из названия, это приборы индивидуального применения. Бывают портативными (приблизительно в два раза больше среднего мобильного телефона) и наручными (чуть больше наручных часов). Туристы, скалолазы, велосипедисты, парашютисты, парапланеристы, грибники, рыбаки, охотники, в конце концов, просто пешеходы – вот неполный список людей, для которых предназначены навигаторы этой категории. Большинство портативных навигаторов имеют яркий цвет, как правило, желтый. Так его лучше видно, если он потерялся. Хотя есть и исключения (например, одна из популярных моделей - навигатор Garmin Geko 301).
Очевидное преимущество - небольшой вес. Самые легковесные аппараты – наручные, весят 70-80 грамм (Garmin Foretrex 101, 201), самый тяжелый 340 г (Magellan eXplorist XL). Вес напрямую зависит от времени автономной работы: тяжелые аккумуляторы мощнее, соответственно, дольше работают. Элементы питания либо Li-Ion-аккумуляторы, либо обычные пальчиковые батарейки (АА, ААА). Время автономной работы 10-30 часов, поэтому, отправляясь в длительное путешествие (больше суток), придется позаботиться о запасных аккумуляторах или выбирать место стоянки с розеткой.
Практически все приборы имеют ударопрочный и водонепроницаемый корпус, а для любителей отдыха на воде лучше будет обзавестись нетонущей моделью, например, Garmin GPSMAP 76S RUS. В этой модели есть также встроенный барометрический высотомер, который будет полезен спортсменам-экстремалам (альпинистам, парашютистам, сноубордистам, горным байкерам, да и не горным тоже).
Как ни странно, но если вы стоите на месте, GPS-приемник не может сориентировать вас относительно сторон света. Если же вы двигаетесь, то он может рассчитать величину отклонения от своей текущей позиции с помощью встроенного программного обеспечения, в которое заложены параметры модели основного геомагнитного поля Земли. Это не всегда удобно, особенно если вы двигаетесь медленно (3-5 км/ч), поэтому некоторые модели стали комплектовать электронными компасами. Цена модели с высотомером и компасом возрастает на 60-70 $.
Как уже упоминалось, есть целая линейка GPS-навигаторов, предназначенных для спортсменов-велосипедистов (Garmin Edge 305 HR, Garmin Edge 305 CAD и т.п.). Эти модели включают массу функций, например, соревнование с виртуальным партнером, автоматический счетчик кругов, автоматическая остановка секундомера при снижении скорости ниже заданного порогового значения и запуск секундомера при увеличении скорости и т.п.
Размеры экрана портативных навигаторов колеблются от 100х64 пикс. до 240х160 пикс. Бывают монохромные и цветные. В принципе, как с телевизорами – чем больше и цветнее, тем лучше. Хотя привыкнуть можно ко всему. Например, автор не смог найти разумного объяснения расположению кнопок над экраном, а так сделано примерно в половине моделей Garmin. Зачем?
Ценовой диапазон портативных навигаторов 100-700 долл.

Автомобильные GPS-навигаторы

Самой обширной областью применения бытовых GPS-навигаторов можно, без сомнения, назвать путешествия на автомобиле.
Несмотря на то, что GPS является американской системой, первыми устанавливать приемник на автомобиль стали японцы. Прототип был впервые показан на выставке Tokyo Motor Show в 1985 году. Инженерам Mitsubishi Electric пришлось преодолеть массу проблем, связанных с вибрацией и высокой температурой. И наконец в 1990 году GPS навигатор для автомобиля поступил в продажу. С тех пор развитие отрасли только ускоряло свои темпы, и на сегодняшний день разнообразие моделей поражает воображение.
В отличие от портативных приборов, в проектировании автомобильных навигаторов далеко не последнее место занимает дизайн. Они должны гармонично вписываться в интерьер салона машины, поэтому преобладают характерные неброские серо-черные цвета с эффектом «металлик».
Важными внешними параметрами являются также размер, цветность и подсветка экрана и клавиатуры. Большинство современных автомобильных GPS-навигаторов обладают большими цветными 256-хромными LCD TFT дисплеями с автоматической регулировкой подсветки.
Безопасность – прежде всего, поэтому производители стараются сделать работу с навигатором таким образом, чтобы она как можно меньше отвлекала водителя от управления автомобилем. В этой области хорошо себя зарекомендовали такие технологии как Bluetooth, сенсорные экраны с антибликовым покрытием, голосовые сообщения.
Так как на машине можно уехать гораздо дальше, чем уйти пешком, то и объемы памяти для запоминания маршрутов должно быть гораздо больше: 256, 512 Mb плюс дополнительные карты памяти формата SD против 8 Mb у портативных.
Питание осуществляется либо через прикуриватель от бортовой сети автомобиля, либо через адаптер от обычной сети 220 В. Автономное питание нужно моделям, совмещенным с КПК и (или) другими, которых есть «великое множество» (MP3 плеер, плеер аудиокниг, устройство для просмотра изображений JPEG, дорожные часы с возможностью настройки часовых поясов, счетчики валют и единиц измерения, калькуляторы, игры, переводчики и др.).
Несмотря на разнообразие функций и самых передовых технологических приемов, пользователи отмечают очевидные (на их взгляд) недостатки. Разберем две ситуации.
В Европе многие местные дороги проложены в горной местности. Соответственно, много туннелей, иногда весьма протяженных (самый длинный 6.5 км). При въезде в туннель приемник теряет связь со спутниками, и Вы едете, ориентируясь исключительно по дорожным знакам. После выезда приемник находит спутники и продолжает работать, но при этом не прибавляет к пройденному пути участок, где он отключился. Почему? Ведь все данные для этого есть. Скорее всего, это недосмотр разработчиков программного обеспечения.
Другой пример. Вы едете по трассе со скоростью 100 км/ч. Въезжая в населенный пункт, как законопослушный гражданин, сбрасываете скорость до положенных 60 км/ч. Вдруг из придорожных кустов выбегает инспектор ГИБДД с радаром наперевес и, остановив Вас, предъявляет Вам время и скорость – 80 км/ч. Вы уверены в собственной правоте, поэтому говорите: «Минуточку!» и, достав свой GPS-навигатор, предъявляете инспектору точные параметры своего движения: время, участок дороги и скорость – 62 км/ч. Сконфуженный инспектор удаляется обратно в кусты подстерегать менее оснащенную или более богатую жертву. Однако такая роскошная ситуация останется мечтой до тех пор, пока не будет предусмотрена возможность записывать скорость на каждом отдельно взятом участке пути. На данный момент Вы можете знать только максимальную и среднюю скорость на протяжении всего маршрута. Впрочем, на лояльность инспекторов в любом случае рассчитывать не приходится.
Также большинству водителей интересно учитывать, например, расход топлива или параметры ускорения автомобиля. Таких данных маршрутный компьютер GPS-навигатора не дает. Возможно, в следующих моделях эти недостатки будут устранены.
Цена автомобильного GPS-навигатора может достигать 1700 $ и выше.

Морские GPS-навигаторы

Приборы этого класса называют еще стационарными. Как правило, они оснащены ультразвуковым эхолотом, а также дополнительными объемами памяти с гидрографическими картами и объектами береговых линий. Большинство стационарные GPS-навигаторов питаются от бортовой сети 12 В, а также имеют возможность установить выносную GPS-антенну. Некоторые могут быть использованы также и в автомобиле, например, модели Garmin GPS 126, 128, 152, GPSMAP 176/176C.
Морские GPS-навигаторы – самые дорогие. Цена может превышать отметку в 3000 $.

Авиационные GPS-навигаторы
Эти модели отличаются, как правило, еще большими объемами памяти и встроенными специализированными базами данных, например, Jepessen, а также набором специальных авиационных функций.

В заключение хотелось бы отметить, что в данной статье мы дали общий и довольно краткий обзор модельного ряда GPS-навигаторов, представленного на российском рынке, и рассмотрели далеко не все особенности применения этих приборов, однако надеемся, что у читателя сформировалось какое-либо представление об этой области современных технологий.
Автор будет признателен всем, приславшим свои замечания к настоящей статье.