О рыбалке Все для рыбалки и о рыбаках
В настоящее время благодаря внедрению системы GPS стали широко распространены точные и недорогие навигационные приемники. Каким же образом эти маленькие «умные» ассистенты определят, где Вы находитесь?
Фундаментальный принцип, лежащий в основе всей системы GPS, прост и в далеком прошлом используется для навигации и ориентирования: если Вы точно понимаете местоположение какого-либо реперного ориентира и расстояние до него, то можно начертить окружность (в 3-х мерном случае — сферу), на которой должна быть расположена точка Вашего положения. На практике, если вышеуказанное расстояние, т.е. радиус, велик, то можно заменить дугу окружности отрезком прямой линии. Если провести несколько таких линий, соответствующих различным реперным ориентирам, то точка их пересечения укажет Ваше местоположение. В GPS роль таких реперов играют две дюжины спутников, движущихся любой по своей орбите на высоте около 17 000 км над поверхностью Земли. Скорость их движения очень громадна, но параметры орбиты и их текущее местонахождение с высокой точностью известны бортовым компьютерам.
Неотъемлемой частью любого GPS-навигатора есть обычный радиоприемник, работающий на фиксированной частоте и неизменно «прослушивающий» сигналы, передаваемые этими спутниками. Любой из спутников неизменно излучает радиосигнал, в котором находятся информацию о параметрах его орбиты, состоянии бортового оборудования и о точном времени. Изо всей данной информации информацию о точном бортовом времени являются наиболее ответственными: GPS-приемник посредством встроенного процессора вычисляет временной отрезок между получением сигнала и посылкой, после этого умножает его на скорость распространения радиоволн и т.о. определит расстояние между приёмником и спутником. Результатом последующих вычислений являются координаты Вашего местоположения.
Нестабильность часов приемника
Из обрисованного выше принципа видно, что для определения местоположения достаточно поймать сигналы от двух спутников и выстроить две пересекающиеся прямые. Но на практике точность для того чтобы способа была бы недостаточной из-за наличия ошибки часов приемника. Дело в том, что спутники, находящиеся на орбите, имеют на борту очень точные и, естественно, дорогостоящие ядерные часы. Что же касается GPS-приемников, особенно бытовых, то применение таких часов было бы неоправданно в смысле габаритов и стоимости. Это было одной из значительных неприятностей, с которыми столкнулись разработчики — так как неточность хода часов всего в одну тысячную секунды приводила бы к ошибке более 250 км! Для решения данной неприятности и для возможности применения в GPS-приемниках обычных кварцевых часов (подобных тем, которые используются в быту) было предложено применять не два, а три реперных ориентира,т.е. трипересекающиеся прямые.
Как же это работает? Предположим, что часы GPS-приемника немного торопятся, т.е. измеренное время прохождения радиоволн будет больше настоящего. Это указывает, что обе рассчитанные линии, и, следовательно, точка их пересечения будут находиться на большем расстоянии от ориентиров (спутников), чем в действительности. Если же часы отстают, то точка пересечения переместится ближе к спутникам. Возьмем сейчас третий ориентир (спутник). Легко видеть, что пересечение трех линий даст нам треугольник, размеры и положение которого смогут изменяться в зависимости от хода часов. Если же в качестве искомого местоположения взять геометрический центр треугольника, то его смещение хватит мало, особенно если третий спутник находится в противоположном от наблюдателя направлении. Более того, учитывая, что неточность часов для всех трех сигналов будет фактически одинаковой, можно машинально подобрать такую величину коррекции, которая обеспечит пересечение всех трех линий в одной искомой точке.
Точность системы
Учитывая вышесказанное, мы видим, что для устранения нестабильности хода часов приемника и определения точного местоположения в двумерном пространстве (т.е. по широте и долготе) нам нужно получить сигналы мимнимум от 3-х спутников. К счастью, сегодня количество GPS-спутников велико кроме того для того, чтобы в любой точке земного шара выяснить не только двумерные, но и трехмерные координаты — широту, долготу и высоту над уровнем моря. Для этого необходимо получать сигналы минимум от 4-х спутников. Наряду с этим, чем больше спутников «видит» Ваш GPS- приемник, тем точнее он может выяснить координаты местоположения — вплоть до большого предела, определяемого точностью системы. Из этого, например, следует, что точность работы GPS-навигатора понижается, если сигналы от некоторых спутников экранируются местными предметами (рельефом местности, деревьями с плотной кроной, высокими зданиями и т.п.). Как мы знаем, спутниковая GPS-система оплачивается и находится под контролем Департамента обороны США, который зарезервировал предельную точность только для своих военных целей. Для этого передаваемый спутниками сигнал кодируется посредством особого Р-кода, который можно декодирован лишь военными GPS-приемниками. В дополнение к этому, в сигналы времени от спутниковых ядерных часов добавляется случайная ошибка, которая искажает полученные значения координат. В результате точность гражданских GPS-премников ухудшается более чем на порядок если сравнивать с военными и образовывает около 50 — 150 м.
Дифференциальная GPS
Чтобы в ряде случаем можно было «обойти» ограничения, наложенные Департаментом обороны США, кое-какие особые службы (к примеру, Береговая Охрана США) установили сеть фиксированных т.н. «дифференциальных» радио-буев. Любой из них неизменно регистрирует сигналы GPS-спутников и сравнивает расчитанные координаты со своим известным постоянным местоположением. Вычисленная так ошибка передается радио-буем на фиксированной частоте (в большинстве случаев в 2-х метровом диапазоне) в виде особого сигнала. Если данный сигнал поймать посредством дополнительного т.н. «дифференциального» приемника, подключенного к GPS-навигатору, то последний может внести соответствующую поправку и выяснить координаты с точностью около 1 метра. В последнее время такие службы получают все большее распространение в западных государствах, но их услуги часто бывают платными.
Применение одной частоты
Метод радиообмена между спутниками и GPS-премником кроме этого достаточно необыкновенен. Дело в том, что все спутники говорят одновременно на одной и той же частоте. Чтобы GPS-приемник мог выяснить, от какого именно спутника исходит данная информация, бортовые передатчики посылают в составе своего сигнала обычный идентификационный код, который сравнивается с кодами, находящимися в памяти приемника. Т.о. независимо от того, сколько и каких спутников находятся в поле зрения приемника, последний может легко идентифицировать источники сигналов. Таковой подход не только упрощает схему GPS-приемника, но и,несмотря намалый уровень радиосигналов, разрешает применять в них малогабаритные, а, значит, не очень действенные приемные антенны.
Любой путешественник скоро будет иметь GPS-приемник. 10 лет назад вряд ли можно было поверить в то, что любой человек сможет приобрести относительно недорогой карманный прибор, который на основе современных космических технологий точно показывает местоположение в любой точке земного шара. Думалось, что известные уже несколько столетий компас и карта останутся вечными спутниками тех, кто находится в пути. Сегодня же мы видим, как бытовые GPS-навигаторы используются не только фактически всеми яхтсменами и летчиками-любителями, вместе с тем находят широкое использование в автомобильных навигационных системах и все чаще сопровождают любителей отдыха на природе в их разнообразных путешествиях. Тут нельзя не упомянуть наиболее, пожалуй, перспективное направление GPS-навигации — т.н. компьютерные картографические системы (время от времени они встраиваются непосредственно в GPS-приемники), в которых информация о Вашем текущем местоположении и о размещении нужных Вам ориентиров отображается в графическом виде на экране прибора непосредственно на детальной карте местности. Это существенно повышает удобство и гибкость системы и открывает широчайшие возможности планирования своего маршрута непосредственно в полевых условиях.
