Б. Леонтьев - GPS: Все, что Вы хотели знать, но боялись спросить

Результирующая погрешность GPS определяется суммой погрешностей от различных источников. Вклад каждого из них варьируется в зависимости от атмосферных условий и качества оборудования. Кроме того, точность может быть целенаправленно снижена Министерством обороны США в результате установки на спутниках GPS так называемого режима S/A («Selective Availability» — ограниченный доступ). Этот режим разработан для того, чтобы не дать возможному противнику тактического преимущества в определении местоположения с помощью GPS. Когда и если этот режим установлен, он создает наиболее существенную компоненту суммарной погрешности GPS.

Таким образом:

• Ионосфера и атмосфера Земли вызывают задержки сигнала, которые можно пересчитать в ошибки местоопределения.

• Некоторые из этих ошибок могут быть устранены математически и путем моделирования.

• Другие источники ошибок — это часы спутников, приемники, и многолучевость.

• Не наилучшее взаимное расположение спутников в небе приводит к увеличению всех компонент суммарной погрешности местоопределения.

Глава 6. GPS для пользователя системы слежения

Чтобы успешно использовать навигационную аппаратуру, работающую на технологии GPS требуется понимать некоторые особенности этой системы.

Система GPS Navstar базируется на 24-х спутниках, довольно быстро обращающихся вокруг земли.

GPS является пассивной системой навигации, и никоим образом не является системой связи. Это означает, что вы принимаете сигнал спутников системы, но ваша аппаратура ничего не передает.

Сигнал спутников GPS имеет частоты 1.227 и 1.575 ГГц. Что это означает для пользователя? Для электромагнитной волны такой частоты будут непрозрачными металлические поверхности, некоторые пластмассы, дерево, бетон. При этом, стекло пропускает сигнал, листва деревьев пропускает, но ослабляет. Приблизительно оценить прохождение сигнала можно, проведя аналогию со светом.

Важно помнить это, выбирая место на транспортном средстве, куда будет устанавливаться антенна GPS приемника. Поскольку спутники системы могут находиться в любом месте небосвода, идеальной является такая установка антенны, когда с ее положения небосвод виден целиком. Антенна, лежащая на приборной доске автомобиля, «увидит» в лучшем случае 2/3 возможных спутников. Так как сигнал GPS будет также экранироваться окружающими зданиями и деревьями, обеспечение наилучшего обзора для антенны является необходимым.

Даже если приемник выдает координаты с установленной под стеклом автомобиля антенной, это не означает, что все хорошо. Качество определения координат может быть лучше или хуже, в зависимости от того набора спутников, с которыми работает прибор.

Дело в том, что для получения данных о местоположении (место-определении) приемник должен увидеть 4 спутника (в худшем случае — 3, но ошибка при этом может быть значительной). Как правило, на небосводе их присутствует намного больше. Если приемник имеет возможность выбрать из большого количества принимаемых сигналов лучшие, это положительно скажется на качестве определения координат. Если же выбора нет, то точность работы будет труднопредсказуемой.

Сразу ли после включения GPS приемника начнет работать навигационная система? Увы, это не так.

Существует два периода выхода приемника на режим.

В первом — «горячий старт» — приемник запускается довольно быстро, но только при условии, что он бездействовал менее 30-ти минут.

Если времени прошло больше — то запуск приемника займет существенно больше времени, до нескольких минут. В течение этого времени могут быть получены данные о времени и скорости, но не координаты. Этот режим называется «Холодным стартом».

Слово «Бездействовал» относится не только к выключению питания, а также к потере GPS сигнала. Например, часовая стоянка со включенным приемником в железном ангаре вызовет необходимость в «холодном старте».

Глава 7. Основные функции GPS-приемников

Даже если вы намерены все лето проваляться на диване, безвылазно просидеть на даче или с утра до ночи кланяться грядкам на своем огороде, все равно не спешите утверждать, что будете точно знать свое местоположение. Разные бывают ситуации.

Как-то сосед по даче отправился прогуляться по лесу. Заплутал, продрог, промок, чуть ли не по пояс провалившись в болото, и часа три кружил по окрестностям, пока, наконец, не возвратился с противоположной стороны в изодранных штанах и скверном расположении духа. После чего философски заметил, что изголодавшийся за зиму по живой природе горожанин, резко расширяя с наступлением лета ареал обитания, попадает как бы в другое пространство, с иными расстояниями и ориентирами, потому и теряется. В общем, сделал выводы, вспомнил, с какой стороны растет мох на деревьях, как ориентироваться по солнцу, какие особенности месторасположения муравейников, и через пару дней, прихватив для уверенности компас, отправился за грибами и… снова заблудился.

Знаете, есть такие люди, умные, талантливые, во многом сведущие, только вот в чем-то им совершенно не везет. Точно как мой сосед. Великолепный программист и тонкий ценитель древнегреческой литературы, он оказался совершенно неспособным ориентироваться среди «березок средней полосы». Неравнодушный к достижениям цифровой электроники, сосед решил вопрос кардинально — перестал искушать судьбу и, здраво рассудив, что с техникой надежнее будет, следующую вылазку благополучно осуществил в компании с небольшим приборчиком…

Потрясающие возможности этого электронного устройства давно известны туристам, рыболовам и автомобилистам — тем, кто предпочитает отдыхать вдали от дома, суеты шумного города, душной квартиры и прочих благ цивилизации. Любители экстремальных путешествий, пара-планеристы и яхтсмены считают его незаменимым в своей непростой и богатой приключениями жизни. Он не позволит заблудиться, всегда подскажет дорогу и точное время. Что же это за чудо-прибор? Навигационный приемник системы глобального позиционирования (GPS) — маленький специализированный компьютер, способный вычислять местоположение по радиосигналам, принимаемым со спутника.

GPS первоначально строилась Министерством обороны США, но впоследствии была открыта для широкого использования во всем мире (в России, кстати, тоже есть своя навигационная система — ГЛОНАСС, пока не имеющая широкого применения). Спутников 24 штуки, и в каждый момент времени в любой точке земного шара (если только вы не в Гренландии, Антарктиде или на Земле Франца Иосифа, то есть не в приполярных областях) можно принимать сигналы чуть ли не половины из них. Радиосигнал слабенький, через плотную крону деревьев и внутрь зданий почти не проникает, но если открыта хотя бы треть неба, приемник «видит» четыре-пять спутников и определяет текущее местоположение (широта, долгота и высота над уровнем моря) с точностью до 15 метров и частотой раз в секунду. Вот, собственно, и вся его основная задача. И хотя сами по себе координаты мало что скажут простому пользователю, но их накопление, несложная обработка и двумерная визуализация дают впечатляющий эффект.

Допустим, вы заядлый грибник. Запомнив координаты точки входа в лес, можно уже не беспокоиться о том, куда вас леший заведет. Приемник — пока включен — будет постоянно вычерчивать на экране «нить Ариадны» — весь пройденный путь, благодаря чему всегда можно вернуться на исходный рубеж. Кроме того, в память приемника можно заносить грибные места и со временем собрать целую базу данных. А если вы человек предприимчивый, то, положив собранные данные на карту, можно и компакт-диск сваять, например «Грибные места Солнечногорского района вкупе с километровой картой местности». То же и в отношении рыбалки: сети ни в жизнь не потеряете, место вчерашнего клева найдется в два счета. А какой технологически продвинутый рыбак устоит от покупки, скажем, такого сидюка: «Заветные ямы Иваньковского водохранилища и места бурного клева леща». Впрочем, успех товара прогнозировать не берусь — не рыбак.

Кроме координат, GPS-приемник предоставляет своему хозяину массу полезной информации. Он с легкостью посчитает максимальную и среднюю скорость движения, которую вы развиваете при ходьбе, беге, езде на велосипеде или спуске на лыжах с горы; поможет оценить, правильно ли работает спидометр автомобиля; укажет стороны света, покажет направление на цель и примерное время, через которое вы там окажетесь, двигаясь с текущей скоростью.

Работать с GPS-приемником совсем не трудно. Общение с ним организовано на основе нескольких типовых экранов (их может быть четыре, а может и девять). Включаешь прибор, на экране — небо с видимыми спутниками и столбчатые диаграммы уровня принимаемого сигнала. Если прибор давно не включался, для определения координат ему потребуется около минуты, а то и больше (так называемый холодный старт), в ином случае данные появятся на экране уже через 15-20 секунд (это второй типовой экран приемника). Отдельно отображаются путевые точки (waypoint), курс движения и символическая (или реальная) карта местности. Любую точку маршрута можно запомнить как путевую, произвольно выбрать исходный пункт и цель маршрута, вернуться обратно по уже пройденному пути (режим «Trackback»). Выпускаемые сегодня модели можно подключать к настольному или карманному компьютеру, что позволяет загружать в приемник электронные карты и точки планируемого маршрута, а также считывать по окончании путешествия пройденную трассу.