Как это работает: Глобальная система позиционирования (GPS)
Одной из самых популярных технологий глобального позиционирования, используемых в современных гаджетах, является Система глобального позиционирования (GPS). С помощью сигналов от спутников, вращающихся на околоземной орбите, приёмник GPS может определить своё местонахождение с удивительной точностью: последнее поколение системы Гражданских навигационных сообщений (CNAV), используемое в американских GPS-навигаторах, определяет координаты с точностью до полуметра. Эти сигналы также содержат информацию о времени с точностью до миллисекунд, что делает их идеальными для автономных регистраторов и систем, которые требуют очень точного времени. Это - комбинация, которая сделала GPS одной из главных технологий эпохи мобильной революции.
История GPS
Идея о применении навигаторов родилась довольно давно. Самая первая система GPS была создана в 1964 году: это была система «ТРАНЗИТ», созданная для ВМС США, которая должна была с помощью пяти спутников помогать в наведении на цель размещённых на подводных лодках ракет «Полярис». Современная система GPS начала разрабатываться в 1973 году и устанавливалась на спутниках вплоть до 1978 года. Хотя эти системы сконструировали и внедрили военные (ВВС США и сейчас использует систему GPS), после того, как корейский авиалайнер, благодаря неисправной системе навигации, в 1983 году забрёл в воздушное пространство СССР и был сбит, их разрешили использовать и гражданским лицам. Первым гражданским портативным GPS навигатором был аппарат «Magellan NAV 1000», который в 1989 году продавался по цене $ 3000 за штуку. Первоначально гражданские сигналы шифровались с помощью системы под названием «Selective Availability (SA)» («избирательный доступ»), система имела ограниченную точность для гражданских пользователей, но в 2000 году эти ограничения были сняты.
На протяжении многих лет система GPS несколько раз модернизировалась, заменялись старые спутники, добавлялись новые типы сообщений и внедрялись новые технологии. В настоящее время система GPS состоит из 24 активных спутников (и нескольких вспомогательных), 11 из которых являются моделями последнего поколения (так называемые «Block IIF»). Запуск спутников следующего поколения планируется начать в 2016 году.
Но США не единственный игрок на этом поле: Россия создала свою собственную систему (так называемую «ГЛОНАСС»), которая также имеет 24 спутника; Китай также приступил к созданию собственной системы навигации под названием «BeiDou», в настоящее время она имеет на орбите 10 спутников; систему, которая будет предлагать подобную услугу под названием «Галилео», выстраивает Европейский союз.
Это плюс для пользователей: с помощью нескольких систем навигации вы можете намного точнее определить своё местонахождение или ориентироваться там, где одна из них недоступна. Многие современные навигаторы могут использовать сигналы обеих сетей - GPS и ГЛОНАСС. В ближайшее время планируется выпуск навигаторов и для остальных сетей, потому что все они работают по одному принципу: путём измерения времени прохождения сигнала от спутника до приёмника.
Как работает система GPS
Современная система GPS посылает последовательность сигналов на разных частотах для разных пользователей и с разными задачами, но все они работают по одному и тому же основному принципу. Изначально использовались сигналы на двух частотах - L1 (1575.42 MHz) и L2 (1227.6MHz), но позже были добавлены частоты L3 (1381.05MHz), L4 (1379.913MHz) и L5 (1176.45MHz). Новые частоты могут использоваться для таких дополнительных задач, как, например, анализ атмосферы, что позволяет узнать её влияние на прохождение сигнала, что повышает точность приёма. Большинство одноядерных систем используют только сигнал на частоте L1.
Каждый спутник кодирует потоки данных в этих сигналах с помощью бортовых атомных часов и на основании индивидуального номера кода для каждого спутника. Эта кодировка создаёт псевдослучайный поток данных: он выглядит случайным, если вы не знаете кодовые номера каждого спутника (так называемый «золотой код»). При этом вы можете выделить различные потоки данных, которые включают в себя поток «C/A» («Coarse/Acquisition» - «грубый/принятый»), «L1C» («L1 Civilian» - «L1 гражданский») и «М» («Military» - «Военный»). Каждый из этих потоков передаёт данные со скоростью около 50 бит в секунду. Как следует из названия, поток «С/А» состоит из коротких часто повторяющихся пакетов данных для грубой навигации. Другие потоки содержат более подробную информацию, что позволяет более точно определить месторасположение, но занимает больше времени для их обработки. Эти потоки содержат много данных, но самая полезная часть в них - это время, полученное с очень точных атомных часов на борту спутника. Приемник GPS использует эти точные сигналы времени, чтобы определить местоположение, сравнивая разницу между временем прохождения сигнала от нескольких спутников.
Представьте себе такой сценарий: один спутник GPS висит у вас прямо над головой на расстоянии около 20 000 километров. На линии горизонта, если смотреть от вас, находится второй спутник, это означает, что он находится на другой орбите и дальше от вас: он может быть на расстоянии до 55000 километров. Сигналу от спутника на линии горизонта предстоит преодолеть большее расстояние до вас, следовательно, его прохождение займёт больше времени. Если вы знаете, что оба спутника имеют часы, которые выставлены на одно и то же время, вы можете определить расстояние между двумя спутниками путем измерения разницы между временем получения двух отправленных одновременно с разных спутников сигналов. Разница будет небольшая (менее 90 миллисекунд), но она измерима. Добавьте третий спутник в любом другом месте, и вы получите ещё одно расстояние - до третьей вершины треугольника, образованного этими спутниками. Приёмник также знает орбиты спутников (так называемые эфемериды), так что, сравнивая время прохождения сигнала и расстояние между, по меньшей мере, тремя спутниками, он может определить своё местоположение. Можно добавить и четвёртый спутник, что обеспечит больше данных и повысит их надёжность.
Сигналы со спутников GPS содержат также много других данных, таких, как изменения эфемерид для всех спутников и информацию о том, как атмосфера воздействует на сигналы. Приёмник GPS получает и сохраняет эти данные, а затем использует для обновления информации о спутниках. Вот почему приёмник GPS, который не использовался в течение некоторого времени, часто довольно долго определяет своё местоположение: если были запущены новые спутники или внесены другие изменения, для загрузки новой информации и её обработки требуется некоторое время.
В современных аппаратах вся эта сложная обработка сигналов и математические расчёты, выполняются, как правило, одним чипом, встроенным в приёмник GPS. Сколько спутников он может отслеживать в любой момент времени, зависит от его типа, но приёмник, который может отслеживать больше спутников, будет в лучшем положении, так как какие-то спутники уходят за линию горизонта, а им на смену приходят новые. Движение спутников также изменяет частоту сигнала (из-за эффекта Доплера), поэтому лучше работают аппараты, использующие несколько частот. Возможность отслеживать индивидуальный сигнал называется каналом, и большинство современных приёмников имеют их несколько: например, чип Mediatek MTK3339 GPS имеет 66 каналов, так что он может отслеживать несколько спутников на разных частотах.
Конечным результатом всего этого является то, что приёмник GPS определяет своё местоположение и передаёт данные вашему устройству. У большинства GPS чипов для этого используется последовательный порт, который посылает данные в формате, называемом NMEA 0183 (NMEA означает «Национальная ассоциация морской электроники», она устанавливает стандарты для электронных систем на кораблях). Эти данные могут содержать информацию о текущем времени, месторасположении, скорости и пр. Эти данные выводятся открытым текстом. Также устройство обработки данных может выводить и информацию о мощности сигналов с различных спутников.
Как использовать GPS
Самым простым способом добавить функцию GPS в ваше устройство является установка пакета GPS. Он включают в себя антенну, приёмник и смарт-карту для выполнения расчётов. Вы просто подаёте питание на чип, даёте ему сориентироваться, и он выводит время, местоположение и другую информацию. Благодаря современному развитию приборов GPS и мобильных устройств, это недорого. Цены на смартфон, который может обрабатывать сигналы GPS стартуют от 2000 рублей, даже в наше кризисное время. Есть и портативные навигаторы, которые стоят ещё меньше. Они уже имеют встроенную антенну, но они маленькие и именно с ними возникают основные проблемы. Для лучшей производительности рекомендуется добавить внешнюю антенну, которая может принимать более слабые сигналы.
Если среди вас есть мазохисты, вы, возможно, захотите попробовать собрать свой собственный приёмник GPS. Это возможно, хотя это требует некоторого дорогостоящего оборудования. Вам понадобится программно-определяемая радиосистема, которая может работать на частоте 1,5 ГГц, и некоторые программы, чтобы декодировать сигналы.
http://muz4in.net/news/kak_ehto_rabotaet_globalnaja_sistema_pozicionirovanija_gps/2015-11-13-39596