Что такое GPS-мониторинг?

Аббревиатура GPS, которая расшифровывается, как Global Positioning System, и переводится на русский, как система позиционирования глобального масштаба, обозначает спутниковую технологию, обеспечивающую:

определение местоположения объекта;
измерение расстояния между заданными точками;
определение скорости объекта.

Как работает GPS?

Главным принципом эксплуатации технологии является определение местоположения объекта при помощи измерения специальным прибором моментов времени приема синхронизированного сигнала антенной потребителя от одного из нескольких навигационных спутников, находящихся в пределах «видимости» устройства. Учитывая то, что GPS в переводе с английского обозначает глобальную систему позиционирования, несложно догадаться, что основная задача, которую она решает — определение широты и долготы заданного объекта или приемника.

С целью обеспечения работы GPS, американским космическим агентством было выведено на орбиту 24 спутника, которые разделены по шести орбитам и вращаются вокруг нашей планеты на высоте около 1,7 километра. Скорость их движения по заданной орбите составляет 3 километра в секунду, совершая, таким образом, полный оборот вокруг Земли примерно за 12 часов. Спутники имеют такое расположение, что в любой точке Земли, независимо от времени, можно использовать сигналы с 6 из спутников. Каждый из них оснащен высокоточными атомными часами, работающими с погрешностью 1 секунда в 70 000 лет. Они применяются с целью синхронизации передачи сигнала.

Мало кто знает, что GPS — система, которую также называют NAVSTAR. Разумеется, чтобы вы смогли составить максимально полное впечатление о системе, необходимо также рассказать и о самих спутниках:

Запуск первого из 24 спутников GPS был произведен в начале 1978 года.
Передатчик сигнала имеет мощность, не превышающую 50 Вт.
Вес каждого спутника составляет больше 900 килограмм, а ширина — 5 метров.
Передача сигналов осуществляется по трем частотам.
Ресурс спутников составляет не менее 10 лет.
Изготовление и запуск новых устройств на орбиту происходит по мере необходимости.

Каждый из спутников GPS-системы передает определенную информацию. Спутниковый сигнал включает в себя:

Так называемый «псевдослучайный код» или сокращенно, по-английски — PRN. Он необходим для идентификации спутника, который передает сигнал. Они имеют порядковые номера, количество которых достигает 32. Это может показаться странным, ведь всего на орбите в данный момент находится 24 спутника. Дело в том, что число PRN-номеров на 8 больше, чтобы упростить обслуживание сети: например, в том случае, когда новое устройство будет запущено и введено в эксплуатацию до момента выхода из строя старого. Именно этому спутнику будет присвоен собственный новый номер.
Эфимерис (англ. — ephimeris). Сведения, содержащиеся в эфимерисе, позволяют судить о статусе спутника (он может быть активным и пассивным), а также определять актуальную дату и время. Не имея этой информации, GPS-приемник не смог бы определить точные временные параметры и день. Причем, такая информация носит не просто ознакомительный характер. Она крайне необходима для определения координат, но об этом несколько позже.
Альманах (англ. — almanach). Данные, зашифрованные в этом сообщении, свидетельствуют о заданном расположении всех спутников в течение дня. Они передают альманахи, включающие параметры собственно орбиты, а кроме того, остальных 23 орбитальных элементов системы.

Как взаимодействует спутник с GPS-приемником? Устройство, которое находится у вас в руке, закреплено на ветровом стекле автомобиля или на борту яхты, получает сообщение, состоящее из трех параметров. После этого GPS фиксирует эфимерис и альманах, чтобы использовать указанные параметры в дальнейшем. Они необходимы, чтобы устанавливать и корректировать часы приемника. Таким образом, с целью определения ваших координат приемник проводит сравнительный анализ времени отправки сообщения со спутника и времени его получения на поверхности планеты.

Именно разница во времени является фактором, определяющим расстояние до того или иного спутника. Добавим к этому данные о расстоянии, полученном при помощи других орбитальных элементов системы, и мы сможем триангулировать местоположение объекта. Именно так и работает приемник GPS-системы. Получая сигналы, как минимум, от 3 спутников, он имеет возможность рассчитать широту и долготу, то есть, провести двухмерную фиксацию.

Цели и задачи GPS

Американская система глобального позиционирования успешно применяется для навигации в авиации, судоходстве, с военными целями и в других сферах. Но в то же время GPS может много дать и рядовому пользователю. В случае наличия соответствующего приемника, его можно настроить на соответствующие спутники, и измерять координаты с высокой точностью. Примечательно то, что в процессе перемещения по поверхности Земли определение координат происходит непрерывно. Поэтому, с помощью GPS можно без труда отслеживать все передвижения объекта в режиме реального времени. Это позволяет решать две важные задачи:

знать собственное расположение в любое время и при любых обстоятельствах;
получать информацию об оптимальных маршрутах следования к той или иной точке.

А теперь на конкретных примерах разберем, кто, каким образом и зачем применяет GPS.

Авиация. Здесь использование GPS более всего распространено с целью обеспечения навигации. Причем, это актуально как для коммерческих судов, так и для малых летательных аппаратов, принадлежащих частным лицам.
Водный транспорт. На воде, как правило, GPS применяется также в качестве навигационного прибора. Это приобретает особое значение, если речь идет о перемещении на значительные расстояния.
Наука. Многие ученые предпочитают ориентироваться на GPS с целью определения точного времени. И это правильно, ведь как упоминалось ранее, определение параметров времени прохождения сигнала находится в основе самой системы. Для этого внутренние часы наземного устройства синхронизированы с высокоточными атомными часами, имеющимися на спутниках. Данное обстоятельство дает возможность довести степень точности определения времени до наносекунд.
Спасательные службы. Система GPS дает возможность значительно сократить расходы, сопряженные с поисковыми работами, а также минимизировать время проведения операций по спасению людей. Именно такая техника может обеспечить точность позиционирования до 1 м.
Активный отдых. Задачи, для решения которых GPS применяется поклонниками отдыха на природе, столь же разнообразны, как сам активный отдых. В данный момент особую популярность GPS приобретает среди любителей лыжных и пеших походов, альпинистов, охотников и рыбаков. Не менее востребованы приемники и среди велосипедистов.
Автомобильный туризм. Не за горами те времена, когда автомобили будут комплектоваться GPS-приемниками штатно. Многие базовые опции, например, вызов технической или медицинской помощи, а также полиции на место ДТП, уже успешно реализуются производителями авто при помощи GPS. Достаточно нажать кнопку, и оператор службы спасения сразу же получает сигнал тревоги с точными координатами пострадавшего. Внедряются и другие системы, способные отображать на экране портативного устройства положение машины и прокладывают маршрут в хитросплетениях городских улиц к нужной точке на карте. Чтобы контролировать передвижение коммерческого транспорта и спецавтомобилей, также применяется GPS, но уже с целью мониторинга.

Компактность и универсальность

Совсем недавно приемники сигнала GPS являли собой довольно тяжелые и громоздкие приборы, использование которых в бытовых условиях было сильно затруднено. Сегодня эти устройства стали миниатюрными и легкими, их можно встретить даже в наручных часах! Впрочем, этот вариант нельзя назвать самым удобным, поэтому наиболее распространены в настоящее время модули GPS следующих типов:

Локальное устройство, подключаемое к любой технике, как правило, по USB интерфейсу. Таким образом, оно может работать вместе с ноутбуком, КПК и пр.
Интегрированные GPS модули. Они часто встречаются в мобильных телефонах, карманных компьютерах, планшетах и пр.
Специализированный миниатюрный компьютер, в который встроен GPS-приемник. Он используется только в качестве навигатора и оптимален для комплектации автомобиля.

Одним из важнейших преимуществ GPS перед существовавшими ранее наземными системами является всепогодность. Независимо от того, для каких целей Вы используете навигацию, GPS-приемник готов показать местоположение именно тогда, когда вам это надо.

Немного дегтя в бочку меда

Существуют факторы, заставляющие работать приемники сигнала намного хуже предельных возможностей:

Во-первых, это так называемый «избирательный доступ». Проблема заключается в намеренном уменьшение точности навигаторов, производимых для бытовых, гражданских целей. За счет этого погрешность составляет, как минимум, 100 метров. Разумеется, обычно ошибки несколько меньше, но даже 20-30 метров во многих случаях — погрешность довольно критичная. Это ограничение существует неслучайно. Вы наверняка помните, что GPS — система, разработанная для военных нужд, однако с 80-х годов по инициативе американского правительства она стала доступной всем. Исключение было лишь одно — высшая точность приборов будет оставлена только для нужд военных. С данного момента начался запуск спутников на регулярной основе, но все они имели возможности избирательного доступа. В настоящее время все работающие GPS-спутники используют это ограничение на практике. Суть проста — «избирательный доступ» не дает военному противнику использовать весь потенциал системы.
Во-вторых, точность GPS непосредственно зависит от геометрии спутников. Иными словами, влияние на позиционирование оказывает их расположение между собой и относительно GPS-приемника. Простой пример: наземное устройство «видит» 4 спутника, и все они находятся в западном и северном направлениях. Значит, спутниковая геометрия не очень хороша. Проблема настолько велика, что во многих случаях приемник в принципе не в состоянии определить местоположение объекта. Все дело в том, что все расстояния, измеряемые до спутников, будут находиться в одном глобальном направлении. Другими словами, триангуляция будет недостаточно хорошей, а сфера пересечения прямых — слишком большой. В таком случае, даже тогда, когда приемник предоставляет определенные значения координат, точность позиционирования будет в пределах 100-150 метров.
В-третьих, существенным источником погрешностей при позиционировании является переотражение сигнала от других объектов. В бытовых условиях использования системы это выражается в двоении изображения на телевизионном экране. Если же говорить о GPS, то переотражение образуется в результате взаимодействии спутникового сигнала с рельефом местности или окружающими зданиями еще до момента достижения им антенны приемника. В этом случае для его обработки нужно больше времени, чем в случае с «прямым попаданием». Соответственно, увеличение времени «обманывает» приемник, который «считает», что расстояние до спутника больше, чем на самом деле. Соответственно, увеличивается и погрешность при позиционировании на 3-5 метров.

Насколько же велика погрешность определения координат в бытовых GPS? Как правило, большинство моделей не ошибается более чем на 50-70 метров. Если же говорить о профессиональных приборах, то их точность может достигать нескольких метров и даже сантиметров.

Выбираем лучший GPS!

Какое именно устройство будет самым хорошим именно для меня? Наверняка, данный вопрос интересует многих потенциальных покупателей GPS — рыбаков, автомобилистов, охотников, туристов. И это, без сомнения, актуальная проблема. Она необычайно сложна, ведь на окончательный выбор влияет огромное количество объективных и субъективных факторов.

Прежде всего, попытайтесь ответить на вопрос — зачем вам нужен GPS? Как вы предполагаете его использовать? Несомненно, самое важное и трудное — отыскать то устройство, которое подойдет для решения конкретных задач оптимальным образом:

Необходим приемник для монтажа в приборную панель небольшого самолета? Обратите внимание на высокоточные интегрируемые системы.
Предполагается использование GPS при автомобильных путешествиях? Лучший вариант — локальное устройство с возможностью временного крепления.
Любите пеший туризм? В продаже имеется немало ручных приборов самого высокого качества.
Занимаетесь рыбной ловлей или охотой? Обратите внимание на прибор в герметичном исполнении.
Часто ходите под парусом? Покупайте навигатор со сменными карточками, на которых хранится точная информация о навигационных знаках, а также глубинах.

Для сужения диапазона поиска мы бы рекомендовали очень внимательно ознакомиться с функциональными особенностями конкретных моделей и подобрать то, что подходит для конкретной области использования.

Что касается брендов, то оптимальный вариант — это проверенные временем марки. Нет необходимости перечислять производителей, самые основные из них — всегда на слуху. Если продукция производится под оригинальным брендом, обеспечивается гарантией и имеет неплохие отзывы, такой товар можно брать. Особого внимания заслуживают российские марки оборудования. Как правило, такие навигаторы обладают сбалансированной по отношению к качеству ценой и отличаются надежностью.

Сколько стоит хороший GPS-приемник?

Диапазон цен на навигаторы чрезвычайно велик. Изучите каждую из моделей приборов максимально внимательно, после чего постарайтесь уяснить для себя, чем отличаются более дорогие приборы от дешевых? Действительно нуждаетесь ли вы в опциях, за которые переплачиваете? Как показывает практика, ответ: чаще «нет», чем «да».

Шаг следующий — определитесь с моделью. Грамотный подбор навигатора — это рационализм всего лишь на две трети, в остальном — ощущения. Если седьмое чувство подсказывает остановиться на той или иной модели, поработайте с каждым из понравившихся устройств. Так, одно из устройств может показаться нелепым, нефункциональным и сложным для восприятия, а другое — максимально комфортным и простым. Наконец, навигатор — это крупная покупка, которая должна дарить радость, поэтому выбирать приемник лучше тот, который действительно нравится!

Смотрите также: Глонасс