Американська система навігації. Новинний та аналітичний портал "Час електроніки". Історія розвитку системи

Визначення свого місця розташування, як на суші, так і на морі, в лісі або в місті – питання таке ж актуальне на сьогоднішній день, як і впродовж минулих століть. Епоха відкриття радіохвиль суттєво спростило завдання навігації та відкрило нові перспективи перед людством у багатьох сферах життя та діяльності, а з відкриттям можливості підкорення космічного простору відбувся величезний прорив у галузі визначення координат розташування об'єкта на Землі. Для визначення координат використовується супутникова система навігації, яка отримує необхідну інформацію від супутників, розташованих на орбіті.

Зараз у світі існують дві глобальні системи визначення координат – російська ГЛОНАСС та американська NavStar, більш відома як GPS (абревіатура назви Global Position System – глобальна система позиціонування).

Система супутникової навігації ГЛОНАСС була винайдена в Радянському союзі ще на початку 80-х років минулого століття і перші випробування пройшли в 1982 р. Вона розроблялася на замовлення Міністерства Оборони і була спеціалізована для оперативної глобальної навігації наземних об'єктів, що пересуваються.

Американська система навігації GPS за своєю структурою, призначенням та функціональністю аналогічна до ГЛОНАСС і також розроблена на замовлення Міністерства Оборони Сполучених Штатів. Вона має можливість з високою точністю визначати як координати наземного об'єкта, так і здійснювати тимчасову та швидкісну прив'язку. NavStar має на орбіті 24 навігаційні супутники, що забезпечують безперервне навігаційне поле на всій поверхні Землі.

Прийоміндикатор системи супутникової навігації (GPS-навігатор або ) приймає сигнали від супутників, вимірює відстані до них, і за виміряними дальностями вирішує завдання визначення своїх координат - широти, довготи і, при прийомі сигналів від 4-х і більше супутників - висоти над рівнем моря , швидкість, напрямок (курс), пройдений шлях. До складу навігатора входять приймач для прийому сигналів, комп'ютер для їх обробки та навігаційних обчислень, дисплей для відображення навігаційної та службової інформації та клавіатура для управління роботою приладу.

Такі приймачі призначені для постійної установки в рульових рубках та на панелях приладів. Їх основними особливостями є наявність виносної антени і живлення від зовнішнього джерела постійного струму. Вони мають, як правило, великі рідкокристалічні монохромні екрани з алфавітно-цифровим та графічним відображенням інформації.

:

Компактний водонепроникний GPS/DGPS/WAAS приймач з високими характеристиками спроектований для малих суден. Цей приймач GPS від компанії здатний приймати і обробляти додаткові сигнали диференціальних поправок DGPS/WAAS. Ця можливість забезпечує, приймаючи поправки від радіомаяка або геостаціонарних супутників WAAS, використовувати точність понад 5 метрів.

Новий (D)GPS навігатор вбудованим приймачем диференціальних поправок. Технологія прокладання шляху дозволяє точно створювати маршрути високої дальності. Є можливість вибирати локсодромічний курс (RL) для коротких дистанцій та ортодромічний (GC) для довгих.

З технологією прокладання шляху дозволяє точно створювати маршрути високої дальності. Є можливість вибирати локсодромічний курс (RL) для коротких дистанцій та ортодромічний (GC) для довгих.

Стаціонарні приймачі мають широкі функціональні можливості, особливо професійні прилади для використання на морі. Вони мають великий обсяг пам'яті, можливість вирішення різних навігаційних завдань, а їх інтерфейс надає можливість включення в навігаційну систему судна.

:

Це сучасний індикатор навігаційних супутникових систем ГЛОНАСС/GPS розроблений для суден всіх типів.

Розроблено фахівцями компанії «Радіо Комплекс» з використанням найновіших досягнень у галузі морської навігації. РК-2006 має можливість приймати сигнали вже розгорнутих супутникових угруповань, таких як ГЛОНАСС і GPS, але так само і перспективних європейських та азіатських систем позиціонування, це дозволяє з підвищеною стійкістю до перешкод, і захищеністю від виведення з ладу будь-якої системи, визначати координати судна і його курс та швидкість.

Приймач глобальних навігаційних супутникових систем GPS та ГЛОНАСС від південнокорейського виробника морського радіонавігаційного обладнання Samyung ENC Co., Ltd - SGN-500.

При використанні ГЛОНАСС та GPS у комбінованих приймачах (практично всі ГЛОНАСС-приймачі є комбінованими) точність визначення координат практично завжди «відмінна» внаслідок великої кількості видимих ​​КА та їх гарного взаємного розташування.

Відображення навігаційної інформації

У приймачах ГЛОНАСС/GPS використовуються два способи відображення інформації: алфавітно-цифровий та графічний (іноді використовується термін «псевдографічний»).

Алфавітно-цифровий спосіб для відображення отриманої інформації використовує:

• цифри (координати, швидкість, пройдений шлях тощо)
• літерні поєднання, що пояснюють цифрові дані - зазвичай абревіатури фраз (наприклад, МОВ - "Man Over Board" або, російською - "Людина за бортом!"
• скорочення слів (наприклад, SPD – speed – швидкість, TRK – Track – траса), імена дорожніх точок. Алфавітно-цифрове відображення інформації у чистому вигляді використовувалося на початковому етапі розвитку техніки GPS.

Графічний спосіб відображення здійснюється за допомогою малюнків, що утворюються на екрані, що представляють характер руху носія (судна, автомобіля, людини). Графіка в апаратах різних фірм практично однакова і, як правило, в деталях. Найбільш поширеними малюнками є:

• електронний компас (не плутати з магнітним!)
• графічний покажчик руху
• траса руху, маршрути
• символи для дорожніх точок
• координати судна
• направлення на дорожню точку
• швидкість

Характеристики:

Точність визначення координат місця

Точність визначення координат місця є фундаментальним показником будь-якої навігаційної системи, від значення якого залежатиме, наскільки правильно судно слідуватиме прокладеним маршрутом і чи не потрапить воно на мілини або каміння, що знаходяться поблизу.

Точність приладів зазвичай оцінюють за величиною середньоквадратичної похибки (СКО) - інтервалу, в який потрапляє 72% вимірів, або за максимальною помилкою, що відповідає 95%. Більшість фірм-виробників оцінюють СКО своїх приймачів GPS у 25 метрів, що відповідає максимальній помилці 50 метрів.

Навігаційні характеристики

Навігаційні можливості приймачів ГЛОНАСС/GPS характеризують кількістю пам'ятних приладом дорожніх точок, маршрутів і маршрутних точок, що містяться в них. Сучасні можуть створювати і зберігати, залежно від моделі, від 500 до 5000 дорожніх точок і 20-50 маршрутів з 20-30 точками в кожному.

Крім дорожніх точок у будь-якому приймачі є запас точок для запису та збереження пройденої траси. Ця кількість може досягати від 1000 до кількох десятків тисяч точок у професійних навігаторах. Записана траса може бути використана для повернення назад.

Кількість супутників, що одночасно відстежуються.

Цей показник характеризує стійкість роботи навігатора та можливість забезпечення найвищої точності. Враховуючи той факт, що для визначення двох координат позиції – довготи та широти – потрібно одночасно відстежувати 3 супутники, а для визначення висоти – чотири. Сучасні ГЛОНАСС/GPS навігатори, навіть носні, мають 8 або 12-канальні приймачі, здатні одночасно приймати та відстежувати сигнали відповідно до 8 або 12 супутників.

Сьогодні ми поговоримо про те, що таке GPS як працює ця система. Приділимо увагу розвитку цієї технології, її функціональним особливостям. Також обговоримо, яку роль роботі системи грають інтерактивні карти.

Історія появи GPS

Історія появи глобальної системи позиціонування, чи визначення координат, почалася США ще в далеких 50-х роках під час запуску першого радянського супутника в космос. Бригада американських учених, які стежили за запуском, зауважила, що при віддаленні супутник поступово змінює свою частоту сигналу. Після глибокого аналізу даних вони дійшли висновку, що за допомогою супутника, якщо говорити більш докладно, то його розташування і сигналу, що видається, можна точно визначити перебування і швидкість пересування людини на землі, як і навпаки, швидкість і знаходження супутника на орбіті при визначенні точних координат людини. До кінця сімдесятих років Міноборони США запустило систему GPS у своїх цілях, а ще через кілька років вона стала доступною для цивільного застосування. Як GPS працює зараз? Точно так, як і працювала на той час, за тими ж принципами та основами.

Мережа супутників

Понад двадцять чотири супутники, що знаходяться на навколоземній орбіті, передають радіосигнали прив'язки. Кількість супутників варіюється, але на орбіті завжди знаходиться потрібна їх кількість для забезпечення безперебійної роботи, плюс деякі з них є в запасі, щоб у разі поломки перших прийняти їх функції на себе. Оскільки термін служби кожного їх приблизно близько 10 років, проводиться запуск нових, модернізованих версій. Обертання супутників відбувається по шести орбітах навколо Землі на висоті менше 20 тисяч км, воно утворює взаємопов'язану мережу, якою керують станції GPS. Знаходяться останні на тропічних островах пов'язані з основним координаційним центром США.

Як працює GPS-навігатор?

Завдяки цій мережі можна дізнатися про місцезнаходження за допомогою обчислення затримки проходження сигналу від супутників, і за допомогою цієї інформації визначити координати. Як GPS працює зараз? Як і будь-яка мережа навігації у просторі – вона абсолютно безкоштовна. Вона з високою ефективністю працює за будь-яких погодних умов та у будь-який час доби. Єдина покупка, яка має бути, це сам GPS-навігатор або пристрій, який підтримує функції GPS. Власне, принцип роботи навігатора будується на простій схемі навігації, що давно використовується: якщо точно знаєте місце, де знаходиться маркерний об'єкт, найбільш підходящий на роль орієнтира, і відстань від нього до вас, намалюйте коло, на якому точкою позначте ваше місцезнаходження. Якщо радіус кола великий, замініть його прямою лінією. Проведіть кілька таких смуг від можливого вашого розташування у бік маркерів, точка перетину прямих позначить координати на карті. Вищезгадані супутники в такому разі якраз і відіграють роль цих маркерних об'єктів з відстанню від вашого розташування близько 18 тисяч км. Хоча їх обертання по орбіті і відбувається з величезною швидкістю, місце постійно відстежується. У кожному навігаторі встановлений GPS-приймач, який запрограмований на потрібну частоту і перебуває у прямій взаємодії із супутником. У кожному радіосигналі міститься певна кількість закодованої інформації, яка включає відомості про технічний стан супутника, місцезнаходження його на орбіті Землі і часовому поясі (точний час). До речі, інформація про точний час і є найбільш необхідною для отримання даних про ваші координати: обчислення відрізка часу між віддачею і прийомом радіосигналу, що відбувається, множиться на швидкість самої радіохвилі і шляхом нетривалих підрахунків розраховується відстань між вашим навігаційним приладом і супутником на орбіті.

Складнощі синхронізації

Виходячи з цього принципу навігації, можна припустити, що для точного визначення ваших координат можуть знадобитися всього два супутники, на основі сигналів яких легко знайти точку перетину, і в результаті - місце, де ви знаходитесь. Але, на жаль, технічні причини потребують застосування ще одного супутника як маркера. Головна проблема полягає в годиннику GPS-приймача, що не дозволяє провести достатню синхронізацію із супутниками. Причиною цього є різниця у відображенні часу (на вашому навігаторі та в космосі). На супутниках присутні дорогі високоякісні годинники на атомній основі, що дозволяє їм вести підрахунок часу з граничною точністю, тоді як на звичайних приймачах такі хронометри застосувати просто неможливо, оскільки габарити, вартість, складність в експлуатації не дозволили б застосовувати їх усюди. Навіть мала помилка в 0.001 секунд може змістити координати більш ніж на 200 км в сторону!

Третій маркер

Так що розробники вирішили залишити звичайну технологію кварцового годинника в GPS-навігаторах і піти іншим шляхом, якщо говорити точніше - використовувати замість двох орієнтирів-супутників - три, відповідно, стільки ж ліній для подальшого перетину. Вирішення проблеми будується на геніально простому виході: при перетині всіх ліній з трьох позначених маркерів, навіть за можливих неточностей, створюється зона у формі трикутника, за центр якого береться його середина - ваше розташування. Також це дозволяє виявити відмінність у часі приймача і всіх трьох супутників (для яких відмінність буде однаковим), що дозволяє скоригувати перетин ліній прямо в центрі, простіше кажучи - це визначає ваші координати GPS.

Одна частота

Слід також зауважити, що всі супутники посилають на ваш пристрій інформацію на одній частоті, і це досить незвично. Як працює GPS-навігатор і як сприймає всю інформацію коректно, якщо всі супутники безперервно та одночасно надсилають на нього інформацію? Все досить просто. Передавачі на супутнику для визначення себе надсилають у радіосигналі ще й стандартну інформацію, в якій знаходиться зашифрований код. Він повідомляє максимум характеристик супутника і заноситься в базу даних пристрою, що потім дозволяє звіряти дані з супутника з базою даних навігатора. Навіть при великій кількості супутників у зоні досяжності дуже швидко та легко їх можна визначити. Все це спрощує всю схему і дозволяє використовувати в GPS-навігаторах менші за розміром і слабші антени прийому, що здешевлює та зменшує дизайн та габарити пристроїв.

GPS-картки

Карти GPS завантажуються на ваш пристрій окремо, оскільки ви самі впливаєте на вибір місцевості, якою хочете пересуватися. Система всього лише встановлює ваші координати на планеті, а вже функцією карт є відтворення на екрані графічної версії, на яку наносяться координати, що дозволяє вам орієнтуватися на місцевості. GPS як працює у цьому випадку? Безкоштовно, це так і продовжує залишатися в такому статусі, карти в деяких інтернет-магазинах (і не тільки) все ж таки платні. Найчастіше для пристрою з GPS-навігатором створюються окремі програми для роботи з картами: як платні, так і безкоштовні. Різновид карт приємно дивує і дозволяє налаштувати дорогу з точки A в точку Б максимально інформативно і з усіма зручностями: які пам'ятки ви проїжджатимете, найкоротший шлях до пункту призначення, голосовий помічник, що вказує напрямок та інші.

Додаткове GPS-обладнання

Застосовується система GPS не тільки для вказівки вам потрібного шляху. Вона дозволяє проводити стеження за об'єктом, на якому може бути так званий маячок, або GPS-трекер. Складається він із самого приймача сигналів та передавача на основі gsm, 3gp або інших протоколів зв'язку для передачі інформації про розташування об'єкта в сервісні центри, які здійснюють контроль. Застосовуються вони у багатьох галузях: охоронної, медичної, страхової, транспортної та багатьох інших. Також є автомобільні трекери, які підключаються виключно до автомобіля.

Подорожі без проблем

З кожним днем ​​значення карти та беззмінного компаса йдуть все далі в минуле. Сучасні технології дозволяють людині прокласти дорогу для своєї мандрівки з мінімальними втратами часу, зусиль та засобів, при цьому побачити найцікавіші та найцікавіші місця. Те, що було фантастикою близько сторіччя тому, сьогодні стало реальністю, і скористатися цим може практично кожен: від військових, моряків та пілотів літаків до туристів та кур'єрів. Зараз велику популярність набирає використання цих систем для комерційної, розважальної, рекламної галузей, де кожен підприємець може вказати себе на глобальній карті світу, і його буде зовсім неважко знайти. Сподіваємося, що ця стаття допомогла всім, хто цікавиться тим, що GPS - як працює, за яким принципом відбувається визначення координат, які його сильні та слабкі сторони.

Створення супутникової навігації народилася ще 50-ті роки. У той момент, коли СРСР був запущений перший штучний супутник Землі, американські вчені на чолі з Річардом Кершнером, спостерігали сигнал, що виходить від радянського супутника і виявили, що завдяки ефекту Доплера частота сигналу, що приймається, збільшується при наближенні супутника і зменшується при його віддаленні. Суть відкриття полягала в тому, що якщо Ви точно знаєте свої координати на Землі, стає можливим виміряти положення супутника, інакше, точно знаючи положення супутника, можна визначити власні координати.

Реалізовано цю ідею було через 20 років. Перший тестовий супутник виведений на орбіту 14 липня 1974 р. США, а останній із усіх 24 супутників, необхідних для повного покриття земної поверхні, був виведений на орбіту в 1993 р., таким чином Глобальна система позиціонування або скорочено GPS стала на озброєння. Стало можливим використовувати GPS для точного наведення ракет на нерухомі, а потім рухливі об'єкти в повітрі і на землі. Також за допомогою системи, вмонтованої в супутники, стало реально визначати потужні ядерні заряди, що знаходяться на поверхні планети.

Спочатку GPS - глобальна система позиціонування, розроблялася як суто військовий проект. Але після того, як у 1983 р. був збитий літак Корейських Авіаліній з 269 пасажирами на борту, що вторгся в повітряний простір Радянського Союзу, президент США Рональд Рейган дозволив часткове використання системи навігації для цивільних цілей. Ноточність було зменшено спеціальним алгоритмом.

Потім з'явилася інформація про те, що деякі компанії розшифрували алгоритм зменшення точності та з успіхом компенсують цю складову помилки, і в 2000 р. це завантаження точності було скасовано указом президента США.

1. Супутникова система навігації

Супутникова система навігації– комплексна електронно-технічна система, що складається з сукупності наземного та космічного обладнання, призначена для визначення місцезнаходження (географічних координат та висоти), а також параметрів руху (швидкості та спрямування руху тощо) для наземних, водних та повітряних об'єктів.

1.1 Що таке GPS?

Супутникова навігаційна система GPS була спочатку розроблена США для використання у військових цілях. Інша відома назва системи - NAVSTAR. Назва «GPS», що вже стала загальним, є скороченням від Global Positioning System, яке перекладається, як Глобальна Навігаційна Система. Ця назва повністю характеризується призначенням системи – забезпечення навігації на всій території Земної кулі. Не лише на суші, а й на морі та в повітрі. Використовуючи навігаційні сигнали GPS, будь-який користувач може визначити своє поточне місцезнаходження з високою точністю.

Така точність, багато в чому, стала можливою завдяки крокам Американського уряду, який у 2000 році зробив систему GPS доступною та відкритою для цивільних користувачів. Нагадаємо, що раніше за допомогою спеціального режиму виборчого доступу (SA - Selective Availability) в сигнал, що передається, вносилися спотворення, що знижують точність позиціонування до 70-100 метрів. З 1 травня 2000 року цей режим було відключено і точність підвищилася до 3–10 метрів.

Фактично, ця подія дала потужний імпульс для розвитку побутової навігаційної GPS апаратури, зниження її вартості та активної її популяризації серед звичайних користувачів. На даний момент, GPS приймачі різних типів активно застосовуються у всіх галузях людської діяльності, починаючи від звичайної навігації, закінчуючи персональним контролем та захоплюючими іграми, типу « Geocaching». За результатами багатьох досліджень використання навігаційних GPS систем дає великий економічний ефект для світової економіки та екології – підвищується безпека руху, покращується дорожня ситуація, зменшується витрата палива, знижується кількість шкідливих викидів в атмосферу.

Зростання залежності європейської економіки від системи GPS, і, як наслідок, від адміністрації США, змусила Європу розпочати розробку власної навігаційної системи – Galilleo. Нова система багато в чому схожа на GPS.

2. Склад системи GPS

2.1 Космічний сегмент

Космічний сегмент системи GPS складається з орбітального угрупування супутників, що випромінюють навігаційні сигнали. Супутники розташовані на 6 орбітах на висоті близько 20000 км. Період обігу супутників становить 12 годин та швидкість близько 3 км/c. Таким чином, за добу, кожен супутник здійснює два повні обороти навколо Землі.

Перший супутник був запущений у лютому 1978 року. Його розмір із розкритими сонячними батареями дорівнював 5 метрам, а вага – понад 900 кг. То справді був супутник першої модифікації GPS-I. За останні 30 років на орбіті змінилося кілька модифікацій GPS супутників: GPS II-A, GPS II-R, GPS IIR-M. У процесі модернізації знижувалася вага супутників, покращувалася стабільність бортового годинника, підвищувалася надійність.

GPS супутники передають три сигнали навігації на двох частотах L1 і L2. Цивільний сигнал C/A, що передається на частоті L1 (1575.42 МГц), доступний усім користувачам, і забезпечує точність позиціонування 3-10 метрів. Високоточний «військовий» P-код, передається на частотах L1 і L2 (1227.60 МГц) і його точність значно вище «цивільного» сигналу. Використання сигналу, який передається на двох різних частотах, дозволяє також частково компенсувати іоносферні затримки.

В останній модифікації супутників «GPS IIR-М» реалізовано новий «цивільний» сигнал L2C, покликаний підвищити точність вимірів GPS.

Ідентифікація навігаційних сигналів здійснюється за номером, що відповідає «псевдошумовому коду», унікального для кожного супутника. У технічній специфікації GPS системи спочатку було закладено 32 коди. На етапі розробки системи та початковому періоді її експлуатації планувалося, що кількість робочих супутників не перевищуватиме 24-х. Вільні коди виділялися для нових GPS супутників, що знаходяться на етапі введення в експлуатацію. І цієї кількості було достатньо для нормального функціонування системи. Але в даний час на орбіті знаходиться вже 32 супутники, з яких 31 функціонує в робочому режимі, передаючи навігаційний сигнал на Землю.

"Надмірність" супутників дозволяє забезпечити користувачеві обчислення позиції в умовах, де "видимість" неба обмежена висотними будинками, деревами або горами.

2.2 Наземний сегмент

Наземний сегмент системи GPS складається з 5 контрольних станцій і головної станції управління, розташованих на військових базах США - на островах Кваджалейн і Гаваях в Тихому океані, на острові Вознесіння, на острові Дієго-Гарсія в Індійському океані і в Колорадо-Спрінгс, вони переведені на малюнку 1.У завдання станцій моніторингу входить прийом і вимірювання навігаційних сигналів, що надходять з GPS супутників, обчислення різноманітних помилок і передача цих даних на станцію управління. Спільна обробка даних дозволяє обчислити відхилення траєкторій супутників від заданих орбіт, тимчасові зрушення бортового годинника і помилки в навігаційних повідомленнях. Моніторинг стану GPS супутників відбувається практично безперервно. "Завантаження" навігаційних даних, що складаються з прогнозованих орбіт і поправок годинника для кожного з супутників, здійснюється кожні 24 години, в момент, коли він знаходиться в зоні доступу станції управління.

На додаток до наземних GPS станцій існує кілька приватних та державних мереж стеження, які виконують вимірювання навігаційних GPS сигналів для уточнення параметрів атмосфери та траєкторій руху супутників.

Малюнок 1

2.3 Апаратура користувачів

Під апаратурою користувача мають на увазі навігаційні приймачі, які використовують сигнал із супутників GPS для обчислення поточної позиції, швидкості та часу. Користувальницьку апаратуру можна розділити на «побутову» та «професійну». Багато в чому поділ умовний, оскільки іноді досить важко визначити, до якої категорії слід віднести GPS приймач і які критерії при цьому використовувати. Є цілий клас GPS навігаторів, що використовуються в піших походах, автомобільних подорожах, рибалці і т.п. Є авіаційні та морські навігаційні системи, які найчастіше входять до складу складних навігаційних комплексів. Останнім часом широкого поширення набули GPS чіпи, які інтегруються в КПК, телефони та інші мобільні пристрої.

Тому в навігації б ольше поширення набув розподіл GPS приймачів на «кодові» і «фазові». У першому випадку для обчислення позиції використовується інформація, що передається в навігаційних повідомленнях. До цієї категорії належить більшість недорогих GPS навігаторів вартістю 100–2000 доларів.

Друга категорія навігаційних GPS приймачів використовує як дані, що містяться в навігаційних повідомленнях, а й фазу несучого сигналу. Найчастіше це дорогі одно- і двухчастотные (L1 і L2) геодезичні приймачі, здатні обчислювати позицію з відносною точністю кілька сантиметрів і навіть міліметрів. Така точність досягається в RTK режимі, при спільній обробці вимірювань GPS приймача та даних базової станції. Вартість таких пристроїв може становити десятки тисяч доларів.

3. Робота GPS-навігатор а

Основний принцип, що лежить в основі всієї системи GPS, простий і давно використовується для навігації та орієнтування: якщо ви точно знаєте місцезнаходження будь-якого реперного орієнтируі відстань до нього, то можна накреслити коло (у 3-х мірному випадку - сферу), на якій повинна бути розташована точка вашого положення. Насправді, якщо вищевказане відстань, тобто. радіус, досить великий, можна замінити дугу кола відрізком прямої лінії. Якщо провести кілька таких ліній, що відповідають різним реперним орієнтирам, точка їх перетину вкаже ваше місцезнаходження. У GPS роль таких реперів грають дві дюжини супутників, котрі рухаються кожен за своєю орбітою на висоті ~ 17 000 км над поверхнею Землі. Швидкість їх руху дуже велика, проте параметри орбіти і їх поточне місцезнаходження з високою точністю відомі бортовим комп'ютерам. Кожен із супутників постійно випромінює радіосигнал, в якому містяться дані про параметри його орбіти, стан бортового обладнання та про точний час. З усієї цієї інформації дані про точний бортовий час є найбільш важливими: GPS-приймач за допомогою вбудованого процесора обчислює проміжок часу між посилкою та отриманням сигналу, потім множить його на швидкість поширення радіохвиль і т.ч. дізнається відстань між супутником та приймачем.

Мабуть, сьогодні немає жодної людини, яка веде активне життя, яка не знала б про існування GPS-навігаторів. За останні кілька років ці пристрої пройшли свій шлях розвитку від дорогої автомобільної іграшки до надійного та незамінного супутника в дорозі. Технічний прогрес наповнив ринки подібними системами настільки, що тепер кожен охочий може перевірити у дії, що таке GPS-навігатор, знайшовши модель за своїми потребами та фінансовими можливостями.

Безперечно, практично кожен автомобіліст знайомий із ситуацією, коли в дорозі без карти просто не обійтися. Тепер атласи автомобільних доріг відступають на другий план, а возити їх із собою має сенс лише як резерв – про всяк випадок (якщо відмовить електроніка).

Навіщо потрібен GPS-навігатор?

Основна функція GPS-навігатора полягає у визначенні точного місцезнаходження. На кольоровому моніторі він покаже докладну карту місцевості, вулицю, адреси розташування магазинів, бензоколонок, пам'яток та інших необхідних автомобілісту об'єктів. Крім цього, пристрій вибере оптимальний маршрут і навіть проведе ним, попереджаючи про можливі перешкоди на шляху. Пропустили необхідний поворот? Не треба паніки! Автомобільний GPS-навігатор швидко розрахує та вкаже альтернативний шлях до пункту призначення. А щоб водій не відволікався, майже в кожній розробці останніх років існує голосовий інтерфейс, що попереджає російською мовою про поворот або зміну маршруту, що наближається.

Основні функції

Якщо пристрій GPS-навігації оснащено функцією аналізу інформації про транспортні потоки та затори на дорогах, то можливість найбільш оптимально уникнути дорожніх перешкод вам гарантовано. Особливо це корисно при перетині незнайомих міст.

GPS-навігатор полегшує їзду на ніч. Він заздалегідь попереджає про кожен майбутній поворот, вигин та ухил, що дозволяє водієві вчасно реагувати на зміни дорожнього рельєфу.

Одна з серйозних проблем при русі швидкісним незнайомим шосе - попередній вибір смуги для подальшого з'їзду в потрібному напрямку. Ідеальний GPS-навігатор з легкістю підкаже, де і на яку смугу слід перебудуватися.

Ще одна унікальна здатність GPS-навігатора – це вміння бачити дорожні знаки та вчасно попереджати про їхню наявність. Тож неприємної зустрічі з дорожньою поліцією можна уникнути, якщо будь-який важливий знак випадково залишився вами не помічений.

Що краще?

Багато хто часто запитує: «Навіщо купувати автомобільний GPS-навігатор, якщо в моєму мобільному телефоні (комунікаторі) всі функції для зв'язку з супутником вже реалізовані?» Питання цілком доречне, якщо врахувати, що задають його, як правило, люди, які ніколи не сиділи за кермом.

Основна перевага окремого автонавігатора – це зручність користування завдяки великому екрану. Погодьтеся, що дивитися одним оком на дорогу, а іншим вдивлятися в смартфон п'ятидюймовий - не зовсім комфортно, та й небезпечно. Чути дбайливі підказки автовідповідача приємно, але куди краще уявляти собі картину шляху, коли видно, де знаходишся і що чекає попереду. Сенсорний інтерфейс дозволяє керувати програмою, водячи пальцем по екрану, не відриваючи від нього погляду. Звичайно, в сучасних комунікаторах та кишенькових комп'ютерах (КПК) теж є така можливість. І все б нічого, якби не маленький екран та слабочутливий GPS-модуль.

Вбудований в автомобільний навігатор чутливий приймач GPS з потужною антеною дозволяє більш надійно приймати сигнали з супутника на всьому шляху прямування.

Серцем автонавігатора є сучасний процесор спеціально розроблений для подібних систем (SIRFatlas) і максимально оптимізований для аналізу супутникових навігаційних сигналів. А це, у свою чергу, дозволяє обробляти більш ємну інформацію, виводячи на екран такі дрібні деталі місцевості, які не можуть розшифрувати процесору мобільного телефону.

Додаткові можливості

Автонавігатори останнього покоління можуть бути монітором камери відеоспостереження, а також телеекрана для перегляду супутникового телебачення. Звуковий вихід можна підключити до автомобільної аудіосистеми, що дозволить за допомогою регулювання гучності та тембру чітко прослуховувати навігаційні підказки автовідповідача за будь-яких шумових умов.

Якщо ми торкнулися такого пристрою, як GPS-навігатор для автомобіля, повністю описати його можливості як приладу, що має процесор і монітор, не вдасться. Щодня ця техніка модернізується. І не дивно, якщо автонавігатор буде потужний, адаптований до автомобіля комп'ютер з можливостями, про які ми можемо тільки здогадуватися.

Якщо комфорт у подорожі та впевненість на дорозі для вас – важливий фактор, то супутниковий GPS-навігатор – це те, чим вам слід обзавестися в першу чергу. Адже сучасний світ з великою і ємною дорожньою інфраструктурою ускладнює життя водіям, які змушені постійно стежити за дорогою, перебуваючи часом у крайній нервовій напрузі. Придбайте гідний для себе електронний путівник - і колись напружена їзда переповненими вуличними магістралями перетвориться на відпочинок, а можливо, і на приємну розвагу.

Навігація - це визначення координатно-часових параметрів об'єктів.

Першим ефективним засобом навігації було визначення місця розташування по видимим небесним тілам (сонце, зірки, місяць). Інший найпростіший спосіб навігації це прив'язка до місцевості, тобто. визначення місця розташування щодо відомих орієнтирів (водонапірні вежі, лінії електропередач, шосейні та залізниці та ін.).

Системи навігації та позиціонування призначені для постійного контролю за місцезнаходженням (станом) об'єктів. В даний час існує два класи засобів навігації та позиціонування: наземні та космічні.

До наземних відносять стаціонарні, возимі та переносні системи, комплекси, станції наземної розвідки, інші засоби навігації та позиціонування. Принцип їх дії полягає в контролі радіоефіру за допомогою спеціальних антен, що підключаються до скануючих радіостанцій, і виділення радіосигналів, випромінюваних радіопередавачами об'єктів стеження або випромінюваних самим комплексом (станцією) і відбитих від об'єкта стеження або від спеціальної мітки або кодового бортового датчика об'єкт. При використанні такого роду технічних засобів є можливість отримати інформацію про координати місцезнаходження, напрям і швидкість переміщення контрольованого об'єкта. За наявності на об'єктах стеження спеціальної мітки або КБД пристрої ідентифікації, що підключаються до систем, дозволяють не лише відзначати розташування контрольованих об'єктів на електронній карті, а й відповідним чином розрізняти їх.

Космічні системи навігації та позиціонування поділяються на два типи.

Перший тип космічних систем навігації та позиціонування відрізняє застосування на мобільних об'єктах стеження спеціальних датчиків – приймачів супутникової навігаційної системи типу ГЛОНАСС (Росія) чи GPS (США). Навігаційні приймачі рухомих об'єктів стеження приймають від навігаційної системи радіосигнал, який містить координати (ефемериди) супутників на орбіті та відлік часу. Процесор навігаційного приймача, за даними від супутників (як мінімум, від трьох) розраховує географічну широту та довготу його місцезнаходження (приймача). Ця інформація (географічні координати) може бути візуалізована як на самому навігаційному приймачі, за наявності пристрою виведення інформації (дисплея, монітора), так і в пункті стеження, при її передачі від навігаційного приймача рухомого об'єкта за допомогою радіозв'язку (радіального, конвенційного, транкінгового, стільникового) , Супутниковий).

Другий тип космічних систем навігації та позиціонування відрізняє скануючий прийом (пеленг) на орбіті сигналів, що надходять від радіомаяків, встановлених на об'єкті стеження. Супутник, який приймає сигнали від радіомаяків, як правило, спочатку накопичує, а потім у певній точці орбіти передає інформацію про об'єкти стеження в наземний центр обробки даних. Час доставки інформації у своїй дещо збільшується.

Супутникові навігаційні системи дозволяють:

• здійснювати безперервний контроль та стеження за будь-якими рухомими об'єктами;
• відображати на електронній карті диспетчера координати, маршрут та швидкість руху об'єктів контролю та стеження (з точністю визначення координат та висоти над рівнем моря до 100 м, а в диференціальному режимі – до 2…5 м);
• оперативно реагувати на позаштатні ситуації (зміна очікуваних параметрів на об'єкті контролю та стеження або в його маршруті та графіку руху, сигнал SOS тощо);
• оптимізувати маршрути та графіки руху об'єктів контролю та стеження.

В даний час функції спеціалізованих систем навігації та позиціонування (автоматичне відстеження поточного розташування абонентських апаратів, терміналів зв'язку з метою забезпечення роумінгу та надання послуг зв'язку) з відносною точністю можуть виконувати супутникові та стільникові (за наявності на базових станціях апаратури визначення місцезнаходження) системи радіозв'язку.

Широке використання систем навігації та позиціонування, повсюдна установка відповідної апаратури у мережах стільникового зв'язку Росії з метою визначення та постійного контролю місцезнаходження працюючих передавачів, патрулів, транспорту, інших об'єктів, які становлять інтерес органів внутрішніх справ, міг би значно розширити можливості правоохоронної діяльності.

Основний принцип позиціонування за допомогою супутникових навігаційних систем - використання супутників як точки відліку.

Для того, щоб визначити широту та довготу наземного приймача, приймач повинен отримувати сигнали не менше ніж від трьох супутників та знати їх координати та відстань від супутників до приймача (рис. 6.8). Координати вимірюються щодо центру землі, що має координату (0, 0, 0).

Відстань від супутника до приймача обчислюється за виміряним часом розповсюдження сигналу. Ці обчислення виконати нескладно, оскільки відомо, що електромагнітні хвилі поширюються зі швидкістю світла. Якщо відомі координати трьох супутників і відстані від них до приймача, приймач може обчислити одне з двох можливих місць у просторі (точки 1 і 2 рис. 6.8). Зазвичай приймач може визначити, яка з цих двох точок дійсна, оскільки одне значення розташування має безглузде значення.

Мал. 6.8. Визначення розташування сигналів від трьох супутників

На практиці, для виключення помилки годинника генератора, що впливає на точність вимірювань різниці в часі, необхідно знати місце та відстань до четвертого супутника (рис. 6.9).

Мал. 6.9. Визначення розташування за сигналами від чотирьох супутників

В даний час існують і активно використовуються дві супутникові навігаційні системи – ГЛОНАСС та GPS.

Супутникові навігаційні системи включають три складові частини (рис. 6.10):

• космічний сегмент , куди входить орбітальна угруповання штучних супутників Землі (іншими словами, навігаційних космічних апаратів);
• сегмент управління, наземний комплекс управління (ПКУ) орбітальним угрупуванням космічних апаратів;
• апаратура користувачів системи

Мал. 6.10. Склад супутникових навігаційних систем

Космічний сегмент системи ГЛОНАСС складається з 24 навігаційних космічних апаратів (НКА), що знаходяться на кругових орбітах заввишки 19100 км, нахилом 64,5° та періодом обігу 11 год 15 хв у трьох орбітальних площинах (рис. 6.11). У кожній орбітальній площині розміщуються по 8 супутників з рівномірним зсувом широтою 45°.

Космічний сегмент навігаційної системи GPS складається з 24 основних НКА та 3 резервних. НКА знаходяться на шести кругових орбітах висотою близько 20 000 км, нахилом 55 °, рівномірно рознесених по довготі через 60 °.

Мал. 6.11. Орбіти супутників ГЛОНАСС та GPS

Сегмент наземного комплексу управління системи ГЛОНАСС виконує такі функції:

• ефемеридне та частотно-тимчасове забезпечення;
• моніторинг радіонавігаційного поля;
• радіотелеметричний моніторинг НКА;
• командне та програмне радіоуправління НКА.

Для синхронізації шкал часу різних супутників з необхідною точністю на борту НКА використовують цезієві стандарти частоти з відносною нестабільністю близько 10 -13 с. На наземному комплексі управління використовується водневий стандарт із відносною нестабільністю 10 -14 с. Крім того, до складу ПКУ входять засоби корекції шкал часу супутників щодо еталонної шкали з похибкою 3-5 нс.

Наземний сегмент забезпечує ефемеридне забезпечення супутників. Це означає, що на землі визначаються параметри руху супутників і прогнозуються значення цих параметрів на певний проміжок часу. Параметри та їх прогноз закладаються у навігаційне повідомлення , яке передається супутником поруч із передачею навігаційного сигналу. Сюди ж входять частотно-часові виправлення бортової шкали часу супутника щодо системного часу. Вимірювання та прогноз параметрів руху НКА проводяться у Балістичному центрі системи за результатами траєкторних вимірювань дальності до супутника та його радіальної швидкості.

Апаратура користувачів системи це радіотехнічні пристрої, призначені для прийому та обробки радіонавігаційних сигналів навігаційних космічних апаратів для визначення просторових координат, що становлять вектор швидкості руху і поправки шкал часу споживача глобальної навігаційної супутникової системи.

Приймач визначає місце розташування споживача, який відбирає зі всіх спостережуваних супутників найбільш сприятливі в частині забезпечення точності навігації. За далекостями до обраних супутників він визначає довготу, широту і висоту споживача, і навіть параметри його руху: напрям і швидкість. Отримані дані відображаються на дисплеї у вигляді цифрових координат або відображаються на карті, попередньо скопійованій до приймача.

Приймачі супутникових навігаційних систем є пасивними, тобто. вони не випромінюють сигнали та не мають зворотного каналу зв'язку. Це дозволяє мати необмежену кількість споживачів навігаційних систем зв'язку.

Велике поширення наразі набули системи моніторингу руху об'єктів на основі супутникових навігаційних систем. Структура такої системи показано на рис. 6.12.

Мал. 6.12. Структура системи моніторингу

Навігаційні приймачі, встановлені на об'єктах стеження, приймають сигнали від супутників та обчислюють свої координати. Але, оскільки навігаційні приймачі це пасивні устрою, то системі необхідно передбачити систему передачі обчислених координат до центру моніторингу. Як засоби передачі даних про координати об'єкта спостереження можуть служити УКХ-радіомодеми, GSM/GPRS/EDGE-модеми (мережі 2G), мережі третього покоління, що працюють за протоколами UMTS/HSDPA, CDMA-модеми, системи супутникових систем зв'язку та ін.

Центр моніторингу супутникової навігаційно-моніторингової системи призначений для спостереження за об'єктами, на яких встановлено (міститься) навігаційно-зв'язне обладнання з метою контролю окремих його параметрів (місце розташування, швидкості, напрямки руху) та прийняття рішення на ті чи інші дії.

У центрі моніторингу містяться програмно-технічні засоби обробки інформації, що забезпечують:

• прийом, обробку та зберігання інформації, що надходить від об'єктів спостереження;
• відображення на електронній карті місцевості інформації про місцезнаходження об'єктів спостереження.

Навігаційно-моніторинговою системою органів внутрішніх справ вирішуються такі завдання:

• забезпечення автоматизованого контролю персоналом чергової частини за розстановкою екіпажів транспортних засобів;
• забезпечення персоналу чергової частини інформацією про місцезнаходження транспортних засобів для прийняття управлінських рішень при організації оперативного реагування на обставини відповідальності;
• відображення у графічному форматі інформації про позиціювання транспортних засобів та іншої службової інформації на автоматизоване робоче місце оператора;
• формування та зберігання архіву про маршрути руху екіпажів транспортних засобів у період несення ними служби;
• видача статистичної звітності про виконання норм обов'язкового виставлення сил та засобів протягом чергової зміни, зведених параметрах ефективності використання сил та засобів, показниках контролю зон відповідальності.

Для забезпечення високої надійності та достовірності передачі моніторингової інформації від бортового обладнання автотранспорту підрозділів МВС Росії у чергові чисти у складі системи необхідно використовувати резервний канал передачі даних, як який можна використовувати