GPS

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Рух GPS супутників Землі, наша планета сама обертається. Зауважте, що в різний час кількість видимих супутників для певної точки поверхні різна (для прикладу взято 45° пн.ш.)

GPS, Систе́ма глоба́льного позиціонува́ння (англ. Global Positioning System) — сукупність радіоелектронних засобів, що дозволяє визначати положення та швидкість руху об'єкта на поверхні Землі або в атмосфері. Положення об'єкту обчислюється на ньому завдяки використанню GPS-приймача, який приймає та обробляє сигнали супутників космічного сегменту GPS системи глоба́льного позиціонува́ння. Для визначення точних параметрів орбіт супутників та керування, GPS система в своєму складі має наземні центри управління.

Коли мова йде про GPS, частіше за все мається на увазі система NAVSTAR, розроблена на замовлення військового відомства — Управління Оборони США, але на даний час існують або розробляються також інші системи глобального позиціонування (ГЛОНАСС, Galileo та інші).

Принцип дії[ред.ред. код]

Основою системи є 24 супутники NAVSTAR (Navigation Satellite Time and Ranging), що працюють в єдиній мережі, які знаходяться на шести різних кругових орбітах розташованих під кутом 60 ° один до одного таким чином, щоб з будь-якої точки земної поверхні було видно від чотирьох до дванадцяти таких супутників. На кожній орбіті знаходиться по 4 супутники, висота орбіт приблизно дорівнює 20200 км, а період обертання кожного супутника навколо землі дорівнює 12 годин.

Така система працює не автономно, вона під контролем станцій, які розташовані на Землі. Розміщуються такі станції на Колорадо-Спрінгс, Дієго-Гарсія, острові Вознесіння, атолі Кваджелейн і на Гаваях. Вся інформація, що проходить через ці станції записується ними та передається на головну станцію, яка розташована на військовій базі під назвою Falcon в Колорадо.

GPS приймач обчислює власне положення, вимірюючи час проходження сигналу від GPS супутників. Кожен супутник постійно надсилає повідомлення, в якому міститься інформація про час відправки повідомлення, точку орбіти супутника, з якої було надіслано повідомлення (Ефемерида), та загальний стан системи і приблизні дані орбіт всіх інших супутників угрупування системи GPS (альманах). Ці сигнали розповсюджуються зі швидкістю світла у всесвіті, та із трохи меншою швидкістю через атмосферу. Приймач використовує час отримання повідомлення для обчислення відстані до супутника, виходячи з якої, шляхом застосування геометричних та тригонометричних рівнянь обчислюється положення приймача[1]. Отримані координати перетворюються в більш наочну форму, таку як широта та довгота, або положення на карті, та відображається користувачеві.

Оскільки для обчислення положення необхідно знати час з високою точністю, необхідно отримувати інформацію із 4-х або більше супутників задля усунення необхідності в надточному годиннику. Іншими словами, GPS приймач використовує чотири параметри для обчислення чотирьох невідомих: x, y, z та t.

В деяких окремих випадках може бути необхідною менша кількість супутників. Якщо заздалегідь відома одна змінна (наприклад, висота над рівнем моря човна в океані дорівнює 0), приймач може обчислити положення використовуючи дані з трьох супутників. Також, на практиці, приймачі використовують різну допоміжну інформацію для обчислення положення з меншою точністю в умовах відсутності чотирьох супутників.

Технічні характеристики[ред.ред. код]

У системі NAVSTAR передача сигналу з супутника відбувається на частоті 1575,42 МГц (канал загального призначення). Несне коливання має двійкову фазову маніпуляцію сумою за модулем 2 псевдовипадкової послідовності з 1023 біт, що передаються за 1 мс і використовуються для ідентифікації супутника та як далекомірна шкала, та навігаційних повідомлень (ефемерида, альманах, умови поширення сигналу в атмосфері), що передаються зі швидкістю 50 біт/с. Система використовує час UTC(USNO) і систему геодезичних координат WGS84.

Застосування GPS[ред.ред. код]

Попри те, що проекти побудови GPS-систем впроваджувались військовими відомствами, зараз окрім приймачів спеціального призначення випускаються прилади, вмонтовані в різноманітну дрібну техніку: наручні годинники, мобільні телефони, ручні радіостанції, портативні комп'ютери та фотоапарати, за допомогою яких можна орієнтуватись на місцевості або фіксувати місцезнаходження користувача. Їх використовують альпіністи, рятівники, туристи.

GPS-приймач

Споживачам також пропонуються різні пристрої і програмні продукти, котрі дозволяють бачити своє місцезнаходження на електронній карті; що мають можливість прокладати маршрути з урахуванням дорожніх знаків, дозволених поворотів і навіть заторів; шукати на карті конкретні будинки і вулиці, визначні пам'ятки, кафе, лікарні, автозаправки і інші об'єкти інфраструктури.

Окремий клас пристроїв, GPS-трекерів, призначений для отримання інформації про рух обладнаних ними автомобілів або інших рухомих об'єктів в пункті спостереження. Використання GPS-трекерів дозволяє будувати диспетчерські системи спостереження та управління рухом, системи GPS-моніторингу транспорту.

  • Геодезія: за допомогою GPS визначаються точні координати точок і межі земельних ділянок.
  • Картографія: GPS використовується в цивільній і військовій картографії.
  • Навігація: із застосуванням GPS здійснюється як морська так і дорожня навігація.
  • Супутниковий моніторинг транспорту: за допомогою GPS на диспетчерському пункті ведеться спостереження за маршрутом руху, швидкістю та іншими параметрами транспорту.
  • Стільниковий зв'язок: перші мобільні телефони з GPS з'явилися в 90-х роках. У деяких країнах, наприклад США це використовується для оперативного визначення місцезнаходження людини, що дзвонить 911. У Росії в 2010 році почата реалізація аналогічного проекту — Ера-глонасс.
  • Тектоніка, Тектоніка плит: за допомогою GPS ведуться спостереження рухів і коливань плит.
  • Активний відпочинок: є різні ігри, де застосовується GPS, наприклад, Геокешинг та ін.
  • Геотегинг: «прив'язка» подій, записів, фотознімків до точного місцезнаходження та часу їх створення.
  • Точний відлік часу та синхронізація подій: завдяки використанню GPS приймачів можливо синхронізувати час рознесених годинників з точністю до десятків наносекунд.

Сфери застосування GPS[ред.ред. код]

1. Міське господарство. GPS є ефективним при зйомці каналізаційних, газових і водяних трубопроводах, а також електричних і телефонних ліній. Аварійні машини і ремонтні бригади можуть використовувати GPS для навігації безпосередньо до місця аварії комунікацій. Час їхнього прибуття та відправлення точно реєструється, разом з їх коментарями і планом виконання сервісних робіт.

2. Сільське господарство. GPS картографічні системи допомагають описувати особливості ділянок полів, які перебувають в інтенсивному сільськогосподарському використанні. Ви можете точно пов'язати такі характеристики як мікроклімат, тип грунту, ділянки врожаю пошкоджені комахами або хворобами, обсяг продукції.

3. Природні ресурси. GPS допомагає у зборі даних про типи грунтів, які в комбінації з тривимірними моделями територій дозволяють виділити окремі аспекти для передбачення областей, які потребують спеціального управління. Крім того, GPS можна використовувати для картографування місця розташування колодязів і інших джерел води; запису розмірів озер і їх стану; реєстрації ареалів поширення риби і диких тварин; змін берегової лінії, польових угідь і кліматичних зон.

4. Археологія, історія. Археологи та історики можуть використовувати картографічні GPS системи для навігації та реєстрації розкопок та історичних місць.

5. Військово-морська навігація. Військове застосування сигналів GPS дозволяє покращувати контроль збройних сил за допомогою точного наведення зброї чи армії на ціль. На океанському дні GPS необхідна для пошуків затонулих кораблів або виконання інших технічних операцій, на суші використання навігаційних пристроїв не менш важливе.

6. Спорт та ігри. Широке поширення приймачів GPS призвело до появи спортивної супутникової навігації, змагань з орієнтування на автомобілях та ігри Геокешінг (пошук скарбів і схованок з відомих координатах).

7. GPS моніторинг рухливих об'єктів. Система GPS дозволяє визначити місце розташування в будь-якій точці на суші, на морі і в навколоземному просторі. Залежно від галузі застосування, діапазон якої досить широкий, а також від вартості, яка може коливатися від сотень до декількох тисяч доларів, види GPS приймачів також різноманітні. У цілому весь спектр моделей можна розділити на чотири великі групи:

  • Персональні GPS приймачі індивідуального застосування. Ці моделі відрізняються малими габаритами та широким набором сервісних функцій: від базових навігаційних, включаючи можливість формування і розрахунку маршрутів прямування, до функції прийому та передачі електронної пошти.
  • Автомобільні GPS приймачі, які призначені для установки в будь-якому наземному транспортному засобі і мають можливість підключення зовнішнього приймально-передавального обладнання для автоматичної передачі параметрів руху на диспетчерські пункти.
  • Морські GPS приймачі, оснащені ультразвуковим ехолотом, а також додатковими змінними картриджами з картографічною і гідрографічною інформацією для конкретних берегових районів.
  • Авіаційні GPS приймачі, які використовують для визначення маршруту літальних апаратів, включаючи комерційну авіацію.

Системи GPS моніторингу рухомих об'єктів[ред.ред. код]

1. Системи Offline — використовують принцип чорного ящика, який фіксує події, прив'язуючи кожну з них до географічних координат і реального часу. Після прибуття об'єкта на базу вся інформація з такого чорного ящика зчитується, розшифровується і стає доступна для детального аналізу та агрегації.

Переваги підходу':

  • Велика кількість різнорідної інформації, яка збирається пристроєм (обмежена тільки об'ємом власної пам'яті пристрою).
  • Відсутність абонентської плати за передачу даних (передача здійснюється або через фізичне підключення пристрою до комп'ютера диспетчера, або через локальні бездротові мережі).

Недоліки:

  • Інформація доступна тільки після прибуття об'єкта на базу.

2. Системи Online — використовують принцип радіомаяків — інформація про місцезнаходження не фіксується в пам'яті приладів, а передається в реальному часі диспетчеру. Каналами передачі даних в даному випадку може виступати GSM (SMS повідомлення, GPRS), радіозв'язок, мережа бездротових точок доступу.

Переваги системи:

  • Інформація про переміщення і стан об'єкта доступна диспетчеру в реальному часі (можлива затримка обумовлена способом комунікацій).
  • Час відгуку пристрою моніторингу залежить від каналу передачі даних (завжди є можливість підібрати компромісний варіант за співвідношенням ціна/оперативність).

Недоліки:

  • Необхідність оплачувати послуги зв'язку (розмір плати змінюється від кількох центів за SMS повідомлення в межах мережі свого стільникового оператора до декількох доларів за GPRS з'єднання в роумінгу).

GPS моніторинг транспорту[ред.ред. код]

Використовуючи GPS для визначення місця розташування об'єкта і різні канали зв'язку для доставки інформації користувачу, системи моніторингу транспорту дозволяють детально простежити весь маршрут прямування автомобіля, спецтехніки або просто контейнера з важливим вантажем.

Сфери застосування GPS моніторингу транспорту:

  • Транспортні компанії;
  • Служби екстреної допомоги;
  • Страхові компанії;
  • Автопарки;
  • Охоронні служби;
  • Служби перевезення пасажирів;
  • Служби порятунку;
  • Будівельні компанії;
  • Інкасаторські служби;
  • Сільськогосподарські підприємства;
  • Кур'єрські та поштові служби;
  • Комунальні служби;
  • Торгові компанії;
  • Таксопарк та диспетчерські служби таксі;
  • Особистий автомобіль.

Принцип дії системи GPS моніторингу транспорту

Основним пристроєм в системі GPS моніторингу є ГЛОНАСС/GPS/GSM термінал, що виконує функції визначення координат за допомогою супутникового приймача, збір інформації від бортового обладнання та додаткових датчиків, пересилання інформації по каналах GSM-зв'язку, управління бортовим обладнанням по командах, що надходять від оператора. Зібрана інформація далі передається на сервер обробки у вигляді бінарного AVL пакета, що містить «знімок» одержуваних терміналом даних — час, координати, значення внутрішніх і зовнішніх параметрів. Користувач потім отримує інформацію з сервера за допомогою клієнтської частини програмного забезпечення, або, в деяких випадках — прямо через браузер, використовуючи WEB-інтерфейс системи.

Переваги використання систем GPS моніторингу транспорту:

  • Скорочення пробігу автотранспорту. За рахунок оптимізації маршрутів переміщення, перенаправлення потоку транспорту залежно від поточної обстановки, досягається скорочення пробігу на 5-15%.
  • Виключення «людського фактору». Система контролю за автотранспортом допомагає припинити нецільове використання в особистих цілях або здійснення «лівих» рейсів.
  • Підвищення ефективності використання транспорту. Грамотна автоматизована диспетчеризація з контролем в режимі реального часу дає можливість знизити час простою техніки та підвищити ступінь завантаження вантажного транспорту.
  • Поліпшення якості обслуговування клієнтів. Ефективне управління, засноване на постійному контролі, дозволяє збільшувати швидкість обслуговування клієнтів, швидко вирішувати спірні ситуації.
  • Зменшення витрат на паливо на 20-30%.

Персональний GPS моніторинг[ред.ред. код]

Сфери застосування персонального GPS моніторингу:

  • Спостереження за виїзними працівниками компаній: страхові, рекламні агенти, мерчендайзери, торгові агенти, кур'єри та ін;
  • Стеження за цінним багажем, вантажем;
  • Спостереження за дітьми, літніми родичами;
  • Стеження за тваринами;
  • Туризм, активний відпочинок.

Склад комплексу персонального моніторингу

До складу програмно-апаратного комплексу входять персональний трекер, сервер зі спеціальним програмним забезпеченням та пристрої кінцевих користувачів — персональні комп'ютери, підключені до мережі Internet та/або мобільні телефони, здатні виконувати програми певного типу і мають вихід в мережу Interne.

Також до комплексу входять навігаційні супутники системи GPS, мережа стільникового зв'язку GSM і всесвітня інформаційна мережа Internet. Внаслідок загальнодоступності та глобальності цих складових комплекс може бути застосований скрізь, де є:

1. можливість для трекерів приймати сигнали навігаційних супутників GPS;

2. наявність GSM покриття;

3. вихід в інформаційну мережу Internet.

Користувач може здійснювати моніторинг осіб (тварин, об'єктів), оснащених персональними трекерами, практично по всій території земної кулі. Крім того, користувач сам може знаходитися при цьому на значній відстані від свого звичайного місця розташування — за умови, що виконуються вищезгадані три умови.

Принцип дії системи персонального моніторингу

Пристрій записує отриману інформацію з регулярними інтервалами, а потім може ці дані записувати або передавати їх за допомогою радіозв'язку, GPRS- або GSM-з'єднання, супутникового модему на сервер підтримки або інший комп'ютер (наприклад, у вигляді SMS або по мережі Internet). У разі використання сервера підтримки, він обробляє отримані дані та реєструє їх у своїй базі даних; потім користувач трекера може зайти на сервер системи в мережі Internet під своїм ім'ям та паролем, і система відображає місцезнаходження і географію переміщення на карті. Пересування трекера можна аналізувати або в режимі реального часу, або пізніше. Функція GPS трекінгу є в деяких моделях стільникових телефонів.

Обладнання для GPS моніторингу[ред.ред. код]

Виходячи з областей використання, розрізняють два види GPS-обладнання:

  • GPS-трекери для стеження за транспортом призначені для побудови корпоративних систем моніторингу, які дають можливість певним особам (диспетчерам, логістам та ін.) спостерігати за маршрутами руху, поточним місцезнаходженням транспортних засобів. Останні прилади можуть працювати як в режимі реального часу, передаючи дані по бездротовому каналу зв'язку, так і в режимі «чорного ящика», зберігаючи дані про транспортний засіб протягом деякого часу з подальшою передачею даних до системи моніторингу.
  • Персональні GPS трекери призначені для спостереження за місцезнаходженням людини (або іншого об'єкта), більшість персональних GPS-трекерів дозволяють передавати сигнал про натискання кнопки тривоги (кнопка SOS). Деякі прилади мають голосовий канал для зв'язку для прослуховування оточуючого середовища та/або для прийому вхідних викликів.

Деякі системи GPS моніторингу мають можливість визначення місезнаходження трекерів за ідентифікаторами станцій стільникового зв'язку (GSM). Це дозволяє, з деякою похибкою, визначити місце розташування об'єкта у місцях, в яких прийом сигналів від навігаційних супутників неможливий (наприклад, в метро, підземних паркінгах, будинках та ін.).

Виробники GPS обладнання: GuardMagic, Novacom Wireless, Kraser, Falcom Wireless, GlobalSat, Teltonika тощо.

Точність[ред.ред. код]

Зважаючи на відстань між приймачем та супутниками точність обчислення положення залежить від багатьох факторів та визначається лише з деякою вірогідністю. Радіосигнали супутників можуть екрануватись або відбиватись оточенням приймача, що збільшує похибки визначення часу надходження сигналу та спотворює результат вимірювання.

В першу чергу мають значення атмосферні явища та поточне розташування супутників відносно приймача. Похибка обчислення положення буде більшою, якщо всі доступні супутники сгруповані в одній півкулі відносно приймача в порівнянні з ситуацією, коли приймач має змогу отримати сигнали супутників з різних боків. Ситуація обмеженої видимісті супутників досить поширена в містах завдяки екрануванню сигналів спорудами.

Звичайна точність сучасних GPS-приймачів в горизонтальній площині становить 5-10 метрів, та 10-20 метрів за висотою, але за збігом деяких умов, обчислене приймачем положення може короткочасно відрізнятися на значно більші величини. Виробники GPS приймачів визначають величину похибки положення так: не гірше 5 метрів в 50% часу спостереження, та не гірше 8 метрів в 90% часу, похибка визначення швидкості не більше 0,06 м/с.

На території США і Канади є станції WAAS, в Европі діють станції EGNOS, які передають поправки для диференційного режиму, що дозволяє збільшити точність обчислення положення до 1-2 метрів. При використанні більш складного додаткового обладнання, точність визначення координат можна довести до 10 см. Наприклад, для роботи GPS-приймача в диференційному режимі йому постійно необхідно отримувати дані від стаціонарно розташованого приймача диференційної поправки.

Недоліки[ред.ред. код]

Загальним недоліком використання будь-якої радіонавігаційної системи є те, що за певних умов сигнал може не доходити до приймача, або приходити із значними спотвореннями або затримками. Наприклад, практично неможливо визначити своє точне місцезнаходження в глибині квартири усередині залізобетонної будівлі, в підвалі або в тунелі. Оскільки робоча частота GPS лежить в дециметровому діапазоні радіохвиль, рівень прийому сигналу від супутників може серйозно погіршитись під щільним листям дерев або через дуже велику хмарність. Нормальному прийому сигналів GPS можуть завадити перешкоди від багатьох наземних радіоджерел, а також від магнітних бурь.

Невисокий нахил орбіт GPS (приблизно 55) серйозно погіршує точність в приполярних районах Землі, оскільки супутники GPS невисоко піднімаються над горизонтом.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. «HowStuffWorks: How GPS Receivers Work». 2006-05-14. Архів оригіналу за 2013-06-25. 

Посилання[ред.ред. код]