Московский колледжуправления и новых технологий
Реферат
по предмету«Периферийные устройства»
Тема реферата:
«Системаглобального позиционирования»
Специальность«Вычислительные машины, системы, комплексы и сети (230101)»
Выполнил: Скитёв А. В.
Группа: Э4-1
Проверил: Куковский Б.Л.
Москва 2009
План работы:
Введение
1. История GPS
2.Введение в основы GPS
2.1 Как работает GPS
2.2 Компоненты GPSкартографических систем
2.3 Дифференциальная коррекция
2.4 Применение GPS
3. Оборудование для пользованияуслугами GPS системы
3.1 GPS-приёмник
3.2 GPS-навигатор
3.3 GPS-трекер
3.4 GPS-логгер
Заключение
Список используемой литературы
Список используемых техническихсредств
Введение
Аббревиатура GPS в настоящее время на устах практически укаждого пользователя мобильного телефона, но не каждый понимает, что это такоеи как работает. Данный материал поможет разобраться, что такое GPS навигация икак она работает!? Начнём с истории и целей создания системы глобальногопозиционирования GPS.
Когда у нас наконец-то появился ярко-желтый гаджет, накотором большими буквами было написано Garmin, радости не было предела. Хотя посегодняшним меркам возможности того простенького прибора были очень и оченьограниченными — приходилось снимать координаты, а потом самостоятельно находитьих на карте. Современные GPS-приемники способны на гораздо большее.
Это как пример того как сейчас ушли вперед технологиисистемы глобального позиционирования, но сам основной принцип такой же какмного лет назад, поэтому рассмотр основ я произведу начиная с самых простыхмеханизмов системы.
Также я проведу анализ того по каким конкретно схемам ипоследовательностям работают эти устройства с помощью которых мы видим своёместонахождение на экранах самих приемников.
Рассмотрю где и как можно применять GPS технологии, какони могут пригодиться в повседневной жизни. Выявлю её недостатки и особенности.
А также дам некоторые исторические справки и собственныекомментарии относительно некоторых разделов этого реферата.
1. История развития системы GPS (Global Positioning System)
Навигационная система Global Positioning System (GPS)является частью комплекса NAVSTAR, который разработан, реализован иэксплуатируется Министерством обороны США. Разработка комплекса NAVSTAR(NAVigation Satellites providing Time And Range — навигационная системаопределения времени и дальности) была начата ещё в 1973 году, а уже 22 февраля1978 года был произведён первый тестовый запуск комплекса, а в марте 1978 годакомплекс NAVSTAR начали эксплуатировать. Первый тестовый спутник был выведен наорбиту 14 июля 1974 года, а последний из 24 необходимых спутников для полногопокрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 году. Гражданскийсегмент военной спутниковой сети NAVSTAR принято называть аббревиатурой GPS, коммерческаяэксплуатация системы в сегодняшнем виде началась в 1995 году.
Спустя более 20-ти лет с момента тестового запускасистемы GPS и 5-ти лет с момента начала коммерческой эксплуатации Глобальнойсистемы позиционирования GPS, 1 мая 2000 года министерство обороны США отменилоособые условия пользования системой GPS, существовавшие до тех пор.Американские военные выключили помеху (SA — selective availability),искусственно снижающую точность гражданских GPS приёмников, после чего точностьопределения координат с помощью бытовых навигаторов возросла как минимум в 5раз. После отмены американцами режима селективного доступа точность определениякоординат с помощью простейшего гражданского GPS навигатора составляет от 5 до20 метров (высота определяется с точностью до 10 метров) и зависит от условийприема сигналов в конкретной точке, количества видимых спутников и ряда другихпричин. Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8спутников. Большинство современных GPS приёмников имеют 12-канальный приемник,позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников. Военноеприменение навигации на базе NAVSTAR обеспечивает точность на порядок выше (донескольких миллиметров) и обеспечивается зашифрованным P(Y) кодом. Информация вC/A коде (стандартной точности), передаваемая с помощью L1, распространяетсясвободно, бесплатно, без ограничений на использование.
Основой системы GPS являются навигационные спутники,движущиеся вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника вкаждой), на высоте 20180 км. Спутники GPS обращаются вокруг Земли за 12 часов,их вес на орбите составляет около 840 кг, размеры — 1.52 м. в ширину и 5.33 м.в длину, включая солнечные панели, вырабатывающие мощность 800 Ватт. 24спутника обеспечивают 100 % работоспособность системы навигации GPS в любойточке земного шара. Максимальное возможное число одновременно работающихспутников в системе NAVSTAR ограничено числом 37. В настоящий момент на орбитенаходится 32 спутника, 24 основных и 8 резервных на случай сбоев.
Слежение за орбитальной группировкой осуществляется сглавной управляющей станции (Master Control Station — MCS), которая находитсяна базе ВВС Шривер, шт. Колорадо, США. С нее осуществляется управление системойнавигации GPS в мировом масштабе. База ВВС Шривер (Schriever) является местомразмещения 50-го космического соединения США — подразделения командованиявоздушно-космических сил.
Наземная часть системы GPS состоит из десяти станцийслежения, которые находятся на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, наострове Вознесения, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане, а также вКолорадо-Спрингс, в мысе Канаверел, шт. Флорида и т.д… Количество наземныхстанций непрерывно растет, на всех станциях слежения используются приемники GPSдля пассивного слежения за навигационными сигналами всех спутников. Информациясо станций наблюдения обрабатывается на главной управляющей станции MCS ииспользуется для обновления эфемерид спутников. Загрузка навигационных данных,состоящих из прогнозированных орбит и поправок часов, производится для каждогоспутника каждые 24 часа.
Система Глобального Позиционирования (GPS или GlobalPositioning System) является спутниковой и работает под управлениемМинистерства Обороны США. Система является глобальной, всепогодной иобеспечивает возможность получения точных координат и времени 24 часа в сутки.
2. Введение в основы GPS
2.1 Как работает GPS
Основы системы GPS можно разбить на пять основныхподпунктов:
Спутниковая трилатерация — основа системы
Спутниковая дальнометрия – измерение расстояний доспутников
Точная временная привязка – зачем нужно согласовыватьчасы в приёмнике и на спутнике и для чего требуется 4-й космический аппарат
Расположение спутников – определение точного положенияспутников в космосе
Коррекция ошибок – учёт ошибок вносимых задержками втропосфере и ионосфере
1 Спутниковая трилатерация
Точные координаты могут быть вычислены для места наповерхности Земли по измерениям расстояний от группы спутников (если ихположение в космосе известно). В этом случае спутники являются пунктами сизвестными координатами. Предположим, что расстояние от одного спутникаизвестно и мы можем описать сферу заданного радиуса вокруг него.
Если мы знаем также расстояние и до второго спутника, тоопределяемое местоположение будет расположено где-то в круге, задаваемомпересечением двух сфер.
Третий спутник определяет две точки на окружности.
Теперь остаётся только выбрать правильную точку. Однакоодна из точек всегда может быть отброшена, так как она имеет высокую скоростьперемещения или находится на или под поверхностью Земли. Таким образом, знаярасстояние до трёх спутников, можно вычислить координаты определяемой точки.
2 Спутниковая дальнометрия
Расстояние до спутников определяется по измерениямвремени прохождения радиосигнала от космического аппарата до приёмникаумноженным на скорость света. Для того, чтобы определить время распространениясигнала нам необходимо знать когда он покинул спутник.
Для этого на спутнике и в приёмнике одновременногенерируется одинаковый Псевдослучайный Код*
* — Каждый спутник GPS передаёт два радиосигнала: начастоте L1=1575.42 МГц и L2=1227.60 МГц. Сигнал L1 имеет два дальномерных кодас псевдослучайным шумом (PRN), P-код и C/A код. “Точный” или P-код может бытьзашифрован для военных целей. “Грубый” или C/A код не зашифрован. Сигнал L2модулируется только с P-кодом. Большинство гражданских пользователей используютC/A код при работе с GPS системами. Некоторые приёмники Trimble геодезическогокласса работают с P-кодом.
Приёмник проверяет входящий сигнал со спутника иопределяет когда он генерировал такой же код. Полученная разница, умноженная наскорость света (~ 300000 км/с) даёт искомое расстояние.
Использование кода позволяет приёмнику определитьвременную задержку в любое время. Кроме того, спутники могут излучать сигнал наодной и той же частоте, так как каждый спутник идентифицируется по своемуПсевдослучайному коду (PRN или PseudoRandom Number code).
3 Точная временная привязка
Как видно из сказанного выше, вычисления напрямую зависятот точности хода часов. Код должен генерироваться на спутнике и приёмнике водно и то же время. На спутниках установлены атомные часы имеющие точностьоколо одной наносекунды. Однако это слишком дорого, чтобы устанавливать такиечасы в каждый GPS приёмник, поэтому измерения от четвёртого спутникаиспользуются для устранения ошибок хода часов приёмника.
Эти измерения можно использовать для устранения ошибок,которые возникают если часы на спутнике и в приёмнике не синхронизированы. Длянаглядности, иллюстрации приведённые ниже рассматривают ситуацию на плоскости,так как только три спутника необходимо для вычисления местоположения объекта.
Если часы на спутнике и в приёмнике имеют одинаковуюточность хода, то точное местоположение может быть найдено по измерениямрасстояния до двух спутников.
Если получены измерения с трёх спутников и все часыточные, то круг описанный радиус-вектором от третьего спутника будетпересекаться как показано на рисунке.
Однако, если часы в приёмнике спешат на 1 секунду, токартина будет выглядеть следующим образом.
Если сделать замер до третьего спутника, то полученныйрадиус-вектор не пересечётся с двумя другими как показано на рисунке.
Когда GPS приёмник получает серию измерений которые непересекаются в одной точке, то компьютер в приёмнике начинает вычитать (илидобавлять) время методом последовательных итерации до тех пор, пока не сведётвсе измерения к одной точке. После этого вычисляется поправка и делаетсясоответствующее уравнивание.
Если вам требуется третье измерение, то необходимчетвёртый спутник для устранения ошибок хода часов в приёмнике. Таким образом,при работе в поле вам необходимо иметь минимум четыре спутника, чтобыопределить трёхмерные координаты объекта.
4 Расположение спутников
Система NAVSTAR имеет 24 рабочих спутника с орбитальнымпериодом в 12 часов на высоте примерно 20200 км от поверхности Земли. В шестиразличных плоскостях имеющих наклон к экватору в 55°, расположено по 4спутника. Указанная высота необходима для обеспечения стабильности орбитальногодвижения спутников и уменьшения фактора влияния сопротивления атмосферы.
Министерство Обороны США (DoD) осуществляет непрерывноеслежение за спутниками. На каждом спутнике расположено несколько высокоточныхатомных часов и они непрерывно передают радиосигналы с собственным уникальнымидентификационным кодом*. МО США имеет 4 станции слежения за спутниками, тристанции связи и центр осуществляющий контроль и управление за всем наземнымсегментом системы. Станции слежения непрерывно отслеживают спутники и передаютданные в центр управления. В центре управления вычисляются уточнённые элементыспутниковых орбит и коэффициенты поправок спутниковых шкал времени, после чегоэти данные передаются по каналам станций связи на спутники по крайней мере одинраз в сутки.
* — Каждый спутник GPS передаёт два радиосигнала: начастоте L1=1575.42 МГц и L2=1227.60 МГц. Сигнал L1 имеет два дальномерных кодас псевдослучайным шумом (PRN), P-код и C/A код. “Точный” или P-код может бытьзашифрован для военных целей. “Грубый” или C/A код не зашифрован. Сигнал L2модулируется только с P-кодом. Большинство гражданских пользователей используютC/A код при работе с GPS системами. Некоторые приёмники Trimble геодезическогокласса работают с P-кодом.
5 Коррекция ошибок
Некоторые источники ошибок возникающих при работе GPSявляются трудноустранимыми. Вычисления предполагают, что сигналраспространяется с непрерывной скоростью, которая равна скорости света. Однаков реальности всё гораздо сложнее. Скорость света является константой только ввакууме. Когда сигнал проходит через ионосферу (слой заряженных частиц навысоте 130-290 км) и тропосферу, его скорость распространения уменьшается, чтоприводит к ошибкам в измерения дальности. В современных GPS приёмникахиспользуют всевозможные алгоритмы устранения этих задержек.
Иногда возникают ошибки в ходе атомных часов и орбитахспутников, но они обычно незначительны и тщательно отслеживаются со станцийслежения.
Многолучёвая интерференция также вносит ошибки вопределение местоположения с помощью GPS. Это происходит, когда сигналотражается от объектов расположенных на земной поверхности, что создаётзаметную интерференцию с сигналами приходящими непосредственно со спутников.Специальная техника обработки сигнала и продуманная конструкция антеннпозволяет свести к минимуму этот источник ошибок.
Раньше существовал ещё один источник ошибок – этоИзбирательный Доступ (Selective Availability или S/A), искусственное снижениеточности спутникового сигнала вводимое МО США. Это приводило к тому, чтоточность полученных координат с помощью GPS снижалась до 100 метров. Однако 1мая 2000 года по решению президента США «Избирательный Доступ» былотключен.
Выводы:
1) Расстояние до спутников определяется по измерениямвремени прохождения радиосигнала от космического аппарата до приёмникаумноженным на скорость света. Для того, чтобы определить время распространениясигнала нам необходимо знать когда он покинул спутник.
2) Многолучёвая интерференция также вносит ошибки вопределение местоположения с помощью GPS. Это происходит, когда сигналотражается от объектов расположенных на земной поверхности, что создаётзаметную интерференцию с сигналами приходящими непосредственно со спутников.
3) Как видно из сказанного выше, вычисления напрямуюзависят от точности хода часов. Код должен генерироваться на спутнике иприёмнике в одно и то же время.
/>2.2 Компоненты GPS картографических систем
Trimble Navigation Limited производит широкий спектрпродуктов разработанных специально для картографирования и ГИС приложений. Этисистемы позволяют быстро и точно собирать данные для создания и обновлениягеографических баз данных. Картографические продукты включают в себя GPSприёмники, накопители данных, и программное обеспечение. В этом разделеобсуждаются эти компоненты.
Приёмники
GPS приёмники могут вычислять положения с периодом менееодной секунды и обеспечивают точность от дециметров до 5 метров при работе вдифференциальном режиме измерений. Приёмники различаються по весу, размеру,объёму памяти для хранения данных и количеству каналов которые они используютдля слежения за спутниками.
В то время как Вы стоите на одном месте илиперемещаетесь, приёмник получает сигналы с GPS спутников и затем вычисляет Вашеместоположение. Результаты вычислений отображаются в виде координат на дисплееприёмника. GPS приёмники вычисляют также скорость и направление движенияпозволяя решать навигационные задачи.
Накопители данных
Накопители данных (контроллеры) это портативныекомпьютеры работающие под управлением специального программного обеспеченияпредназначенного для сбора данных. Некоторые контроллеры записываютдополнительную информацию (например, аттрибуты объектов) вместе с координатами,а другие сохраняют только координаты. Программное обеспечение выполняетконтроль за установками GPS приёмника самыми важными из которых являютсяинтервал измерений и количество хранимых GPS данных.
Накопители данных различаются по размерам, весу и типузаписываемых данных, возможностям выдерживать неблагоприятные условияокружающей среды и количеству информации которую можно записать на них.Некоторые накопители данных должны быть соеденены с отдельным GPS приёмником, адругие интегрированы с приёмниками в одном корпусе.
Программное обеспечение
Каждая GPS картографическая система поставляется с программнымобеспечением для обработки. После возвращения с полевых работ Вы можетевыгрузить координаты и вспомогательную информацию с вашего накопителя данных накомпьютер. После этого программа позволяет повысить точность данных используяспециальный метод обработки данных, под названием дифференциальная коррекция.Этот метод будет обсуждается в главе 1.4
Программное обеспечение выполняет визуализацию ваших GPSданных. Некоторые программы позволяют осуществлять редактирование данных такчто можно манипулировать, уравнивать и удалять координаты и атрибуты данных.Некоторые программы обеспечивают возможность вывода полученных материалов напечать (плоттер, принтер и т.д.). Программное обеспечение различается поколичеству возможностей редактирования и экспорта данных.
GPS системы помогают при сборе информации огеографических объектах и атрибутивной информации для ввода в ГИС или другиебазы данных. Программное обеспечение обработки GPS данных экспортирует ваширезультаты в ГИС программы где они могут быть объединены с информацией издругих источников для дальнейшей обработки и анализа.
Выводы:
1) Trimble Navigation Limited производит широкий спектрпродуктов разработанных специально для картографирования и ГИС приложений. Этисистемы позволяют быстро и точно собирать данные для создания и обновлениягеографических баз данных.
2) Некоторые программы обеспечивают возможность выводаполученных материалов на печать (плоттер, принтер и т.д.). Программноеобеспечение различается по количеству возможностей редактирования и экспортаданных.
3) Чтобы узнать когда сигнал покинул спутник, нужнозамерить временную задержку между одинаковыми участками кода.
/>
2.3 Дифференциальная коррекция
Дифференциальная коррекция – это метод которыйзначительно увеличивает точность собираемых GPS данных. В этом случаеиспользуется приёмник расположенный в точке с известными координатами (базоваястанция), а второй приёмник собирает данные в точках с неизвестнымикоординатами (передвижной приёмник).
Данные, полученные в точке с известными координатами,используются для определения ошибок содержащихся в спутниковом сигнале. Затеминформация с базовой станции совместно обрабатывается с данными передвижногоприёмника, вместе с учётом ошибок содержащихся в спутниковом сигнале, чтопозволяет устранить ошибки в координатах полученных на передвижном приёмнике.Вам необходимо знать координаты вашей базовой станции как можно точнее, так какточность получаемая в результате дифференциальной коррекции напрямую зависит отточности координат базовой станции.
Существует два метода выполнения дифференциальнойкоррекции, в реальном времени и в постобработке. Ниже мы рассмотрим их болееподробно.
Дифференциальная коррекция в реальном времени
При работе методом дифференциального GPS в реальномвремени, базовая станция вычисляет и передаёт (посредством радиосвязи) ошибкидля каждого спутника в то время как он собирает данные. Эти коррекциипринимаемые передвижным приёмником используются для уточнения определяемогоместоположения. В результате мы можем видеть на экране приёмника дифференциальноскорректированные координаты.
Это может быть полезно, когда вам необходимо знать где Вынаходитесь непосредственно в поле. Эти скорректированные положения могут бытьсохранены в файл на накопителе. Поправки передаваемые в реальном времени обычноиспользуют формат в соответствии с рекомендациями RTCM SC-104. Все современныекартографические продукты компании Trimble могут выполнять дифференциальнуюкоррекцию в реальном времени.
Дифференциальная коррекция в постобработке
При работе методом дифференциального GPS в постобработке,базовая станция записывает ошибки для каждого спутника прямо в компьютерныйфайл. Передвижной приёмник также записывает свои данные в компьютерный файл.После возвращения из поля, два файла обрабатываются вместе с помощьюспециального программного обеспечения и на выходе получается дифференциальноскорректированный файл данных передвижного приёмника. Все GPS картографическиесистемы Trimble включают в себя программу для выполнения дифференциальнойкоррекции в постобработке.
Одной из замечательных особенностей картографическихсистем Trimble, является возможность использования дифференциальной коррекциикак в реальном времени, так и в постобработке. Если, во время работы в режимереального времени, радиосвязь прервётся (например, Вы удалитесь от базовойстанции на слишком большое расстояние) то приёмник продолжит записыватьнескорректированные данные которые могут быть в дальнейшем обработаны с помощьюдифференциальной коррекции в постобработке.
Выводы:
1) Одной из замечательных особенностей картографическихсистем Trimble, является возможность использования дифференциальной коррекциикак в реальном времени, так и в постобработке.
2) При работе методом дифференциального GPS в реальномвремени, базовая станция вычисляет и передаёт (посредством радиосвязи) ошибкидля каждого спутника в то время как он собирает данные. Эти коррекциипринимаемые передвижным приёмником используются для уточнения определяемогоместоположения.
3) Данные, полученные в точке с известными координатами,используются для определения ошибок содержащихся в спутниковом сигнале. Этопозволяет устранить ошибки в координатах полученных на передвижном приёмнике.
2.4 Применение GPS
Картографические системы Trimble используются в различныхобластях. С помощью них можно создавать и обновлять базы данных ГИС дляразличных дисциплин. В частности они нашли широкое применение в сфере природныхресурсов, развития инфраструктуры и контроля городского хозяйства, сельскомхозяйстве и социальных науках. Положение, время и дополнительную информациюможно собирать двигаясь по суше, воде и воздуху над интересующем васместоположением.
Природные ресурсы
Специалисты работающие в области природных ресурсов,такие как, геологи, географы, лесники и биологи использую GPS картографическиесистемы для записи GPS положений и дополнительной информации об объектах.Например, лесники в качестве дополнительной информации могут регистрироватьвозраст, состояние, количество и тип леса. Они могут также проводить съёмкутерриторий подлежащих вырубке или посадке. Биологи имеют возможностьрегистрировать ареалы расселения диких животных, маршруты их миграций,численность популяций и другую информацию.
GPS помогает при сборе данных о типах почв, которые вкомбинации с трёхмерными моделями территорий позволяют выделить отдельные слоии аспекты для предсказания областей, требующих специального управления. Крометого, GPS можно использовать для картографирования местоположения колодцев идругих источников воды; записи размеров озёр и их состояния; регистрацииареалов распространения рыбы и диких животных; изменений береговой линии,полевых угодий и климатических зон.
Городское хозяйство
Приложения в сфере городского хозяйства кар тографическихсистем Trimble включают в себя контроль транспортных потоков и инфраструктурыкоммунального хозяйства. Улицы и проспекты могут быть оцифрованы приперемещении по этим объектам с одновременной записью GPS координат. Состояниедорог, опасные участки требующие ремонта участки вводятся в виде дополнительнойинформации для последующего использования в программах инвентаризации и ГИС.
GPS оказывается крайне эффективным при съёмкеканализационных, газовых и водных трубопроводах, а также электрических ителефонных линий. Такие объекты как, крышки колодце и пожарные гидранты картографируютсякак точки с соответствующей атрибутивной информацией.
Аварийные машины и ремонтные бригады могут использоватьGPS для навигации непосредственно к месту аварии коммуникаций. Время ихприбытия и отправления точно регистрируется, вместе с их комментариями и планомвыполнения сервисных работ.
Кроме того, с помощью GPS можно выполнять съёмкуземельных участков, участков проведения строительных работ, объектов улиц изаводов расположенных в черте города.
Использование GPS в сельском хозяйстве
GPS картографические системы помогают описыватьособенности участков полей находящихся в интенсивном сельскохозяйственномприменении. Вы можете точно связать такие характеристики как микроклимат, типпочвы, участки урожая повреждённые насекомыми или болезнями, объём собираемойпродукции и т. п. с их местоположением.
Положение трактора или самолёта может быть использованосовместно с данными о типе почвы для выполнения более экономного расходаудобрений или химических распылителей. Это напрямую снижает стоимость затрат наудобрения и уменьшает загрязнение природных водных источников этими веществами.
Технология GPS оказывает агрономам существенную помощь всоздании баз данных, после анализа которых можно оценить эффект влиянияразличных методик проведения сельскохозяйственных работ на сбор выращеннойпродукции.
Применение в сфере социальных наук
Археологи и историки могут использовать картографическиеGPS системы для навигации и регистрации раскопок и исторических мест. Когдажелаемая точка маршрута найдена, в базу данных ГИС записываются исчерпывающиеданные по объекту, что позволяет в дальнейшем полностью восстановить картину наопределённый момент времени.
В качестве примера, можно привести исследованиявыполненные антропологами в джунглях Венесуэлы. Учёные исследовали “белыепятна” в джунглях и использовали картографические GPS системы для регистрациимест проживания неизвестных местных племён. Местоположения и сопутствующиеданные об уровне культурного развития которые были собраны, помогли вдальнейшем правительственным органам Венесуэлы создать резервации, чтобысохранить в неприкосновенности уникальный быт местных племён.
Другие области применения
Картографические GPS системы можно использовать в любыхприложениях требующих точной временной привязки, положений и другойатрибутивной информации. Конечный результат не ограничивается выводом на карту.Положения объектов и маркеры времени могут быть также переданы в программныепакеты которым необходима информация для всевозможного моделирования, напримерсоздания цифровых моделей местности (ЦММ).
Выводы:
1) Система глобального позиционирования являет собойинструмент с огромным потенциалом и широчайшим кругом использования.
2) Навигационные возможности систем могут оказатьнеоценимую помощь в поиске и спасении людей, в работе милиции и пожарных, атакже геодезистам при экстренном поиске определённого местоположения.
3) Установив картографический GPS приёмник на самолёт иливертолёт, возможно например создать оперативный план границ участков с большойплощадью, например, горящего леса. GPS можно использовать для определенияграниц распространения пожара.
3. Оборудование для пользования услугами GPS системы
3.1 GPS-приёмник
GPS-приёмник— радиоприёмное устройство для определения географическихкоординат текущего местоположения антенны приёмника, на основе данных овременных задержках прихода радиосигналов, излучаемых спутниками группы NAVSTAR.
Максимальная точность измерения составляет 3-5 метров, апри наличии корректирующего сигнала от наземной станции — до 1 мм (обычно5-10мм) на 1 км расстояния между станциями (дифференциальный метод). Точностькоммерческих GPS-навигаторов составляет от 150 метров (у старых моделей приплохой видимости спутников) до 3 метров (у новых моделей на открытом месте).Кроме того, при использовании систем SBAS и местных систем передачи поправокточность может быть повышена до 1-2 метров по горизонтали. До 1 мая 2000 годаточность искусственно занижалась путем внесения в передаваемые спутником данныепомех.[2]
Классификация
На базе GPS-приёмников создаются как самостоятельныеустройства — GPS-навигаторы, GPS-трекеры, GPS-логгеры имеющие собственный процессордля необходимых расчётов и (в основном, у навигаторов) дисплей для отображенияинформации, и GPS-приставки к КПК и ноутбукам, которые бывают беспроводные (BlueTooth,Wi-Fi, IrDa) и проводные (USB, RS-232, PS/2). Последние также жаргонно называютGPS-мышками из-за внешнего сходства с компьютерными мышами. Помимо этихустройств, для GPS-навигации используются онбордеры (встроенные автомобильныекомпьютеры).
Оборудование условно делится на пользовательское ипрофессиональное. Профессиональное отличается качеством изготовления компонент(особенно антенн) и ПО, поддерживаемыми режимами работы (например RTK, binarydata output), рабочими частотами (L1+L2), алгоритмами подавлениямноголучевости, солнечной активности (влияние ионосферы), поддерживаемымисистемами навигации (например GPS — ГЛОНАСС приёмники) и, разумеется, ценой.
Пользовательские приёмники
Помимо собственно широты, долготы и высоты такойGPS-приёмник способен сообщить:
точное время (некоторые приёмники имеют выход PPS);
ориентацию по сторонам света (в моделях без встроенногокомпаса — только направление скорости при движении);
высоту над уровнем моря (при условии приёма сигнала болеечетырёх спутников или при наличии встроенного баровысотомера);
направление на точку с координатами, заданнымипользователем;
текущую скорость, пройденное расстояние, среднююскорость;
данные с информацией о состоянии дороги — пробки,дорожные работы и т. д. (в моделях, оснащённых TMC-приёмником и при наличиислужбы Канал автодорожных сообщений)
текущее положение на электронной карте местности (модели,оснащённые картами).
текущее положение относительно трека.
Информация о пути перемещения (трек) может бытьскопирована в файл, а затем передана (в частности, через Интернет) другимпользователям GPS, желающим двигаться тем же маршрутом.
При использовании GPS-приставки информация выводится на КПК,сотовый телефон или компьютер, к которому подключена эта приставка с помощьюнавигационного программного обеспечения. Физически соединение, как правило,осуществляется через последовательный порт (RS-232, USB, Bluetooth). Для связиGPS-приёмника с компьютером может использоваться двоичный (текстовый) протоколпроизводителя приёмника (Garmin, Magellan и другие) либо производителяGPS-чипсета (Magellan, Sirf, Trimble и другие), при этом абсолютное большинствоGPS-приёмников поддерживают обмен информацией с помощью текстового протокола NMEA.
Карты в GPS-навигаторах
Наличие карты существенно улучшает пользовательскиехарактеристики навигатора. Навигаторы с картами показывают положение не толькосамого приёмника, но и объектов вокруг него.
Все электронные GPS-карты можно поделить на два основныхтипа — векторные и растровые.
Растровые карты — это самый простой и доступный тип карт.Фактически это изображение местности, к которому привязываются географическиекоординаты. Масштаб растровой карты напрямую зависит от исходного варианта; илиэто фотография со спутника, или отсканированная бумажная карта. В России лучшевсего представлены растровые карты крупных городов, для других районов картынайти проблематично. Также есть проблема привязки координат карты ккоординатам, выдаваемым приёмником (проблема датума). На платформах PC иWindows Mobile для использования растровых карт доступна популярная программа OziExplorer.Так же огромный массив растровых (фотографических, и растеризованных векторных)карт и средства работы с ними, включая поддержку работы с GPS-приёмниками,предоставляют такие интернет-сервисы, как Карты Google.
Векторные карты представляют собой базу данных, гдехранится информация об объектах, их характеристиках и взаимномместорасположении, географических координатах и прочем. В картах могутхраниться разнообразные характеристики местности: горы, реки, озера, впадины,дороги, мосты, уровни антропогенных загрязнений, типы растительности,расположение линий ЛЭП. Также многие подробные карты хранят множество такихобъектов как заправки, гостиницы, кафе и рестораны, стоянки, посты дорожнойполиции, запрещённые к проезду зоны, достопримечательности и памятники,культурные артефакты, больницы.
Поскольку в них не содержится объёмных графическихизображений, места в памяти они занимают гораздо меньше, чем растровые ибыстрее работают. Безусловным преимуществом векторных карт, являетсявозможность искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности,кафе, больницы, автозаправки и прочие необходимые путешественнику места. Крометого, векторные карты позволяют показывать разную детализацию объектов приотображении карты в разных масштабах.
Существуют навигационные системы, позволяющиепользователю дополнять карты навигатора своими собственными объектами.
В специализированных автомобильных GPS-навигаторахсуществует возможность прокладывать маршруты по векторной навигационной карте —с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже дорожных пробок. Такиекарты в России (по информации на сентябрь 2008) есть только для крупныхгородов:
Москва;
Санкт-Петербург;
Екатеринбург;
Калининград;
Калуга;
Краснодар;
Ростов-на-Дону;
Ставрополь;
Их количество и качество со временем увеличится, но небыстро, так как хорошо делать карты весьма трудоёмко.
Выводы:
1) При подготовке туристических походов в ряде случаевосмысленным является рисование собственных карт района будущего путешествия.Такая карта рисуется с помощью специализированного векторного графическогоредактора — и может быть сохранена в векторном формате, пригодном для загрузкив GPS-приемник. Таким образом, количество и качество туристических карт для GPSтакже со временем растет.
2) Наличие карты существенно улучшает пользовательскиехарактеристики навигатора. Навигаторы с картами показывают положение не толькосамого приёмника, но и объектов вокруг него.
3) Оборудование условно делится на пользовательское ипрофессиональное. Профессиональное отличается качеством изготовления компонент(особенно антенн) и ПО, поддерживаемыми режимами работы (например RTK, binarydata output), рабочими частотами (L1+L2), алгоритмами подавлениямноголучевости, солнечной активности (влияние ионосферы), поддерживаемымисистемами навигации (например GPS — ГЛОНАСС приёмники) и, разумеется, ценой.
3.2 GPS-трекер
GPS-тре́кер (также GPS-локатор, GSM-трекер илиGPRS-трекер) — устройство приёма-передачи данных для слежения и контроля запередвижениями объектов, к которому он прикрепляется, использующее GlobalPositioning System для точного определения местонахождения объекта.
Устройство
GPS-трекер содержит GPS-приёмник, с помощью которого онопределяет свои координаты, а также передатчик для отправки их удаленномупользователю.
Классификация
По конструкции различают два класса GPS-трекеров:
Персональный портативный GPS-трекер — обычно такназывается GPS-трекер малых размеров. Предназначен для индивидуальногоиспользования.
Автомобильный GPS-трекер (часто называемый: Автомобильныйконтроллер) — это станционное устройство, которое подключается к бортовой сетиавтомобиля или другого транспортного средства.
Особенности применения
Трекер может применяться для определения местонахождениялюдей, животных, товаров или транспорта, а также других объектов. Устройствозаписывает полученную информацию с регулярными интервалами, а затем может этиданные записывать или передавать их посредством радиосвязи, GPRS- или GSM-соединения,спутникового модема на сервер поддержки или другой компьютер (например, в виде SMSили по сети Интернет). В случае использования сервера поддержки, онобрабатывает полученные данные и регистрирует их в своей базе данных; затемпользователь трекера может зайти на сервер системы в сети Интернет под своимименем и паролем, и система отображает местонахождение и географию перемещенияна карте. Передвижения трекера можно анализировать либо в режиме реальноговремени, либо позже. Функция GPS трекинга существует у некоторых моделейсотовых телефонов.
Возможности применения трекеров включают:
Контроль за передвижением транспорта. Например,транспортная компания или такси-сервис могут поставить такое устройство на своисредства передвижения и, таким образом, получать информацию о времени имаршруте, искать угнанный автотранспорт. См. GPS мониторинг транспорта
Контроль за передвижением животных. Такие трекеры могутбыть в виде ошейников или использоваться учёными или хозяевами домашнихживотных.
Контроль за ходом спортивных соревнований. Трекерпозволяет узнать о нарушении правил, если участник соревнований решит сократитьпуть (например, в планеризме) или для определения величины дистанции (например,в джоггинге)
Наблюдение за людьми. Могут использоваться для контроляза передвижениями человека или его автомобиля для изучения его привычек, дляпоиска и защиты детей или пожилых людей. При этом родители на своём компьютеремогут установить зону, в которой может находиться их ребёнок. Если владелецсотового телефона с функцией GPS трекинга покинет эту зону, то на компьютер илина сотовый телефон родителей будет выведен сигнал тревоги.
Наблюдение за работниками. GPS-контроль помогает выявитьмаршрут выездных работников. Например торговых представителей, водителей,мерчандайзеров и др. С помощью программы для работы торговых агентов, в которойустановлен GPS-контроль можно следить придерживаются ли маршрута персоналкомпании. Это помогает оптимизировать рабочий процесс, снизить не целевоеиспользование рабочего времени.
Полуавтоматическое снабжение цифровых фотографий геотегамив EXIF/IPTC, для привязки фотографий к глобальным координатам и дальнейшегопросмотра на картах.
Некоротые трекеры на сегодняшний день поддерживают кнопку«SOS», которая позволяет ребенку и любому другому пользователю отправитьтревожный сигнал с точными координатами на несколько номеров в виде SMSсообщения.
Контрмеры против GPS треккинга
Против GPS треккинга используются средства подавлениясигнала от трекера, которые могут создавать помехи в работе также другихустройств, использующих те же частоты, что и трекер. Поэтому во многих странахиспользование средств подавления сигнала признаётся незаконным. При этом GPSтрекер продолжает записывать своё местоположение и эта информация может бытьполучена его собственником позже.
Против GPS трекеров можно использовать также подавлениеGPS-сигнала, в результате чего трекер не может определить своего местоположенияи теряется его основная функция.
Однако, некоторые производители трекеров, ужепредусмотрели и совершенствуют информирование пользователя в случае обнаружениявероятности подавления GPS-сигнала противоугонных комплексов.
Выводы:
1) Возможностей у трекера сравнительно большоеколичество, поэтому есь смысл встраивать его во всевозможные аппараты.
2) Некоротые трекеры на сегодняшний день поддерживаюткнопку «SOS», которая позволяет ребенку и любому другому пользователю отправитьтревожный сигнал с точными координатами на несколько номеров в виде SMSсообщения, что является отличной функцией.
3) Передвижения трекера можно анализировать либо в режимереального времени, либо позже.
3.4 GPS-логгер
GPS-логгер (GPS-logger, другими словами: GPS recorder илиGPS DATA-логгер) — особый класс GPS-радиоприёмников, который может работать врежиме обычного GPS-приёмника (только принимая информацию от спутниковойгруппировки NAVSTAR) или — в режиме рекордера/логгера записывая информацию опройденном пути (треке) в свою встроенную память. Впоследствии накопленнуюинформацию из приёмника можно выгрузить в компьютер для её анализа.
Некоторые производители для наименования производимыхGPS-логгеров используют термин — пассивный трекер (Passive Tracker).
Особенности конструкции
GPS-логгеры бывают портативные (с питанием отмалогабариного аккумулятора) или автомобильные (для закрепления его втранспортном средстве, с питанием от бортовой сети).
Наличие встроенной памяти для записи пути (трека, лога).В современных моделях GPS-логгеров объём памяти может достигать такой величины,что позволяет записать в него трек(и) размером до 200 000 точек.
Интерфейсы: Bluetooth и/или USB.
Питание портативного GPS-логгера может быть автономным(от аккумуляторных батарей), от бортовой сети автомобиля или от USB-портакомпьютера. Встречаются конструкции с комбинированным питанием — отаккумуляторов и с питанием от солнечных батарей.
Некоторые модели GPS-логгеров имеют кнопку, нажимая накоторую можно на записываемом пути отметить ту или иную важную (интересную)точку своего пути. Отмеченная точка будет отображена на пройденном путиспециальной меткой.
GPS-логгер может поддерживать технологию A-GPS.
Применение
Спорт, туризм, рыболовство, слежение за подвижнымиобъектами, городское ориентирование, геодезия, картография и др.
Заключение
Итак проведя анализ системы глобального позиционированияв целом, можно сказать что эта система уже охватила огромную сферу человеческихинтересов, используется повсеместно, и у неё еще есть куда стремиться, и на чемразвернуться. Огромная сфера потребления, новейшие технологии делают её однойиз самых востребованных на рынке технологий. На её основе сделано множествоустройств и приспособлений, которые очень помогают людям, начиная от простыхжитейских ситуаций, помощь в бизнесе, использование в военных целях.
Перспектив для развития технологий достаточно, сделать еёточнее, компактней, дешевле, встраивать во всевозможные устройства и расширятьсферу применения.
Российское правительство прилагает большие усилия, чтобывосстановить работоспособность Глонасс. С большими сложностями, но все же,развивается европейская система Galilleo. В апреле был выведен на орбиту уже5-й спутник китайской системы “Beidou”.
Правительством США был разработан долгосрочный планразвития системы GPS. В ближайшие несколько лет планируется вывод на орбитуновых модификации GPS спутников (GPS-IIF, GPS-III) с новыми военными игражданскими сигналами (L5, M, L1C). Существенному усовершенствованиюподвергнется наземный сегмент системы.
Сегодня область применения системы глобальногопозиционирования GPS достаточно обширна. Всё чаще GPS-приемники встраивают вмобильные телефоны и коммуникаторы, в автомобили, часы и даже в собачьиошейники. Люди привыкают к такому благу как GPS навигация, и пройдёт совсемнемного времени как они уже не смогут обойтись без неё. Именно поэтому стоитсказать пару слов о недостатках GPS.
Недостатками GPS навигации является то, что приопределённых условиях сигнал может не доходить до GPS-приёмника, поэтомупрактически невозможно определить своё точное местонахождение в глубинеквартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле. Рабочаячастота GPS находится в дециметровом диапазоне радиоволн, поэтому уровеньприёма сигнала от спутников может ухудшиться под плотной листвой деревьев, врайонах с плотной городской застройкой или из-за большой облачности, а этоскажется на точности позиционирования. Магнитные бури и наземные радиоисточникитоже способны помешать нормальному приёму сигналов GPS. Карты, предназначенныедля GPS навигации, быстро устаревают и могут быть не точными, поэтому нужноверить не только данным GPS-приёмника, но и своим собственным глазам. Особенностоит отметить, что работа глобальной системы навигации GPS полностью зависимаот министерства обороны США и нельзя быть уверенным, что в любой момент времениСША не включит помеху (SA — selective availability) или вообще полностью отключитгражданский сектор GPS как в отдельно взятом регионе, так и вообще. Претендентыуже были. Благо, что у GPS есть альтернатива в виде навигационных системГЛОНАСС (Россия) и Galileo (ЕС), которые в перспективе должны получить широкоераспространение. Так же ведётся работа по разработке чипов навигацииподдерживающих сразу три системы позиционирования GPS, Galileo и ГЛОНАСС.
Список используемой литературы
1)Журнал Mobi №4 апрель 2006
2)http://www.mobi.ru/ShowArticle.php?id=884&prn=1
Список используемых технических средств
1) www.navgeocom.ru/gps/gps1/
2) www.gpsportal.ru/articles_info/?nid
Автор: GPSportal (c)
3) www.stariy.com/2008/10/15/gps-global-positioning-system-navstar/