GPS
GPS — совокупность радиоэлектронных средств, позволяющая определять положение и скорость движения объекта на поверхности Земли или в атмосфере. Положение объекта исчисляется на нем благодаря использованию GPS-приемника, который принимает и обрабатывает сигналы спутников космического сегмента GPS системы глобального позиционирования. Для определения точных параметров орбит спутников и управления, GPS система в своем составе имеет наземные центры управления.
Принцип действия[править]
Основой системы является 24 спутника NAVSTAR (Navigation Satellite Time and Ranging), работающих в единой сети, находящихся на шести разных круговых орбитах, расположенных под углом 60° друг от друга таким образом, чтобы из любой точки земной поверхности были видны от четырех до двенадцати таких спутников. На каждой орбите находится по 4 спутника, высота орбит примерно равна 20200 км.
Такая система работает не автономно, она под контролем станций, расположенных на Земле. Размещаются такие станции на Колорадо-Спрингс, Диего-Гарсия, острове Вознесения, атолле Кваджелейн и на Гаваях. Вся информация, проходящая через эти станции записывается ими и передается на главную станцию, расположенную на военной базе под названием Falcon в Колорадо.
GPS приемник вычисляет собственное положение, измеряя время прохождения сигнала от GPS спутников. Каждый спутник постоянно присылает сообщение, в котором содержится информация о времени отправки сообщения, точку орбиты спутника, с которого было отправлено сообщение, и общее состояние системы и приблизительные данные орбит всех остальных спутников группировки системы GPS. Эти сигналы распространяются со скоростью света во Вселенной, и с несколько меньшей скоростью через атмосферу. Приемник использует получение сообщения для вычисления расстояния до спутника, исходя из которой, путем применения геометрических и тригонометрических уравнений исчисляется положение приемника.[1] Полученные координаты превращаются в более наглядную форму, такую как широта и долгота, или положения на карте, и отображается пользователю.
Поскольку для вычисления положения необходимо знать время с высокой точностью, необходимо получать информацию из 4-х или более спутников для устранения необходимости в сверхточных часах. Иными словами, GPS-приемник использует четыре параметра для вычисления четырех неизвестных: x, y, z и t .
В некоторых отдельных случаях может потребоваться меньшее количество спутников. Если заранее известна одна переменная (например, высота над уровнем моря лодки в океане равна 0), приемник может вычислить положение используя данные из трех спутников. Также, на практике, приемники используют различную вспомогательную информацию для вычисления положения с меньшей точностью в условиях отсутствия четырех спутников.
Технические характеристики[править]
В системе NAVSTAR передача сигнала со спутника происходит на частоте 1575,42 МГц (канал общего назначения). Система использует время UTC и систему геодезических координат WGS84.
Применение GPS[править]
Несмотря на то, что проекты построения GPS-систем внедрялись военными ведомствами, сейчас кроме приемников специального назначения выпускаются приборы, встроенные в разнообразную мелкую технику: наручные часы, мобильные телефоны, ручные радиостанции, портативные компьютеры и фотоаппараты, с помощью которых можно ориентироваться на местности или фиксировать местонахождение пользователя. Их используют альпинисты, спасатели, туристы.
Потребителям также предлагаются различные устройства и программные продукты, которые позволяют видеть свое местоположение на электронной карте; имеющих возможность прокладывать маршруты с учетом дорожных знаков, разрешенных поворотов и даже пробок; искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и другие объекты инфраструктуры.
Отдельный класс устройств, GPS-трекеры, предназначены для получения информации о движении оборудованных ими автомобилей или других подвижных объектов в пункте наблюдения. Использование GPS-трекеров позволяет строить диспетчерские системы наблюдения и управления движением, системы GPS- мониторинга транспорта.
Сферы применения GPS:
- Городское хозяйство. GPS является эффективным при съемке канализационных, газовых и водяных трубопроводах, а также электрических и телефонных линий. Аварийные машины и ремонтные бригады могут использовать GPS для навигации непосредственно к месту аварии коммуникаций. Время их прибытия и отправления точно регистрируется, вместе с их комментариями и планом выполнения сервисных работ.
- Сельское хозяйство. GPS картографические системы помогают описывать особенности участков полей, находящихся в интенсивном сельскохозяйственном использовании. Вы можете точно связать такие характеристики как микроклимат, тип почвы, участки урожая поврежденные насекомыми или болезнями, объем продукции.
- Природные ресурсы. GPS помогает в сборе данных о типах почв, которые в сочетании с трехмерными моделями территорий позволяют выделить отдельные аспекты для предсказания областей, требующих специального управления. Кроме того, GPS можно использовать для картографирования местоположения колодцев и других источников воды; записи размеров озер и их состояния; регистрации ареалов распространения рыбы и диких животных; изменений береговой линии, полевых угодий и климатических зон.
- Археология, история. Археологи и историки могут использовать картографические GPS системы для навигации и регистрации раскопок и исторических мест.
- Военно-морская навигация. Военное применение сигналов GPS позволяет улучшать контроль вооруженных сил посредством точного наведения оружия или армии на цель. На океанском дне GPS необходима для поисков затонувших кораблей или выполнения других технических операций, на суше использование навигационных устройств не менее важное.
- Спорт и игры. Широкое распространение приемников GPS привело к появлению спортивной спутниковой навигации, соревнований по ориентированию на автомобилях и игры геокэшинг (поиск сокровищ и тайников с известными координатами).
- GPS-мониторинг подвижных объектов. Система GPS позволяет определить местоположение в любой точке на суше, на море и в околоземном пространстве. В зависимости от области применения, диапазон которой достаточно широк, а также от стоимости, которая может колебаться от сотен до нескольких тысяч долларов, виды GPS приемников также разнообразны. В целом весь спектр моделей можно разделить на четыре большие группы:
- Персональные GPS-приемники индивидуального применения. Эти модели отличаются малыми габаритами и широким набором сервисных функций: от базовых навигационных, включая возможность формирования и расчета маршрутов следования, до функции приема и передачи электронной почты.
- Автомобильные GPS-приемники, которые предназначены для установки в любом наземном транспортном средстве и имеют возможность подключения внешнего приемо-передающего оборудования для автоматической передачи параметров движения на диспетчерские пункты.
- Морские GPS-приемники, оснащенные ультразвуковым эхолотом, а также дополнительными сменными картриджами с картографической и гидрографической информацией для конкретных береговых районов.
- Авиационные GPS-приемники, используемые для определения маршрута летательных аппаратов коммерческой авиации.
Системы GPS-мониторинга подвижных объектов[править]
- Системы Offline — используют принцип черного ящика, который фиксирует события, привязывая каждую из них к географическим координатам и реального времени. По прибытии объекта на базу вся информация из такого черного ящика считывается, расшифровывается и становится доступна для детального анализа и агрегации. Преимущества: большое количество разнородной информации, собираемой устройством (ограничено только объемом собственной памяти устройства), отсутствие абонентской платы за передачу данных (передача осуществляется либо через физическое подключение устройства к компьютеру диспетчера, или через локальные беспроводные сети). Из недостатков: Информация доступна только после прибытия объекта на базу.
- Системы Online — используют принцип радиомаяков — информация о местонахождении не фиксируется в памяти приборов, а передается в реальном времени диспетчеру. Каналами передачи данных в данном случае может выступать GSM (SMS сообщения, GPRS), радиосвязь, сеть беспроводных точек доступа. Преимущества: информация о перемещении и состоянии объекта доступна диспетчеру в реальном времени (возможна задержка обусловлена способом коммуникаций). Из недостатков: необходимость оплачивать услуги связи (размер платы изменяется от нескольких центов за SMS сообщения в пределах сети своего сотового оператора до нескольких долларов за GPRS соединение в роуминге).
GPS мониторинг транспорта[править]
Используя GPS для определения местоположения объекта и различные каналы связи для доставки информации пользователю, системы мониторинга транспорта позволяют детально проследить весь маршрут следования автомобиля, спецтехники или просто контейнера с важным грузом.
Основным устройством в системе GPS мониторинга является терминал, выполняющий функции определения координат с помощью спутникового приемника, сбор информации от бортового оборудования и дополнительных датчиков, пересылка информации по каналам GSM-связи, управления бортовым оборудованием по командам, поступающих от оператора. Собранная информация затем передается на сервер обработки в виде бинарного AVL пакета, содержащего «снимок» получаемых терминалом данных — время, координаты, значение внутренних и внешних параметров. Пользователь затем получает информацию с сервера с помощью клиентской части программного обеспечения, или, в некоторых случаях — прямо через браузер, используя веб-интерфейс системы.
Преимущества использования систем GPS мониторинга транспорта:
- Сокращение пробега автотранспорта. За счет оптимизации маршрутов перемещения, перенаправление потока транспорта в зависимости от текущей обстановки, достигается сокращение пробега на 5-15 %.
- Исключение «человеческого фактора». Система контроля за автотранспортом помогает пресечь нецелевое использование в личных целях или осуществления «левых» рейсов.
- Повышение эффективности использования транспорта. Грамотная автоматизированная диспетчеризация с контролем в режиме реального времени позволяет снизить время простоя техники и повысить степень загрузки грузового транспорта.
- Улучшение качества обслуживания клиентов. Эффективное управление, основанное на постоянном контроле, позволяет увеличивать скорость обслуживания клиентов, быстро решать спорные ситуации.
- Уменьшение расходов на топливо на 20-30 %.
Персональный GPS мониторинг[править]
Сферы применения персонального GPS мониторинга:
- Наблюдение за выездными работниками компаний: страховые, рекламные агенты, мерчендайзеры, торговые агенты, курьеры и др;
- Слежение за ценным багажом, грузом;
- Наблюдение за детьми, пожилыми родственниками;
- Слежение за животными;
- Туризм, активный отдых.
В состав программно-аппаратного комплекса входят персональный трекер, сервер со специальным программным обеспечением и устройства конечных пользователей — персональные компьютеры, подключенные к сети Интернет и / или мобильные телефоны, способные выходить в Интернет
Также в комплекс входят навигационные спутники системы GPS, сеть сотовой связи GSM и всемирная информационная сеть Интернет. Вследствие общедоступности и глобальности этих составляющих комплекс может быть применен везде, где есть:
- возможность для трекеров принимать сигналы навигационных спутников GPS;
- наличие GSM-покрытия;
- выход в Интернет.
Пользователь может осуществлять мониторинг лиц (животных, объектов), оснащенных персональными трекерами, практически по всей территории земного шара. Кроме того, пользователь сам может находиться при этом на значительном расстоянии от своего обычного местоположения — при условии, что выполняются вышеуказанные условия.
Устройство записывает полученную информацию с регулярными интервалами, а затем может эти данные записывать или передавать их с помощью радиосвязи, GPRS- или GSM-соединения, спутникового модема на сервер поддержки или другой компьютер (например, в виде SMS или по сети Интернет). При использовании сервера поддержки, он обрабатывает полученные данные и регистрирует их в своей базе данных; затем пользователь трекера может зайти на сервер системы в Интернете под своим именем и паролем, и система отображает местонахождение и географию перемещения на карте. Передвижение трекера можно анализировать или в режиме реального времени, или позже. Функция GPS трекинга есть в некоторых моделях сотовых телефонов.
Оборудование для GPS мониторинга[править]
Исходя из областей использования, различают два вида GPS-оборудование:
- GPS-трекеры для слежения за транспортом предназначены для построения корпоративных систем мониторинга, позволяющие определенным лицам (диспетчерам, логистам и др.) наблюдать за маршрутами движения, текущим местоположением транспортных средств. Остальные приборы могут работать как в режиме реального времени, передавая данные по беспроводному каналу связи, так и в режиме «черного ящика», сохраняя данные о транспортном средстве в течение некоторого времени с последующей передачей данных в систему мониторинга.
- Персональные GPS трекеры предназначены для наблюдения за местонахождением человека (или другого объекта), большинство персональных GPS-трекеров позволяют передавать сигнал о нажатии кнопки тревоги (кнопка SOS). Некоторые приборы имеют голосовой канал для связи для прослушивания окружающей среды и / или для приема входящих вызовов.
Некоторые системы GPS мониторинга имеют возможность определения мисезнаходження трекеров за идентификаторами станций сотовой связи (GSM). Это позволяет, с некоторой погрешностью, определить местоположение объекта в местах, в которых прием сигналов от навигационных спутников невозможен (например, в метро, подземных паркингах, домах и др.).
Точность[править]
Учитывая расстояние между приемником и спутниками точность вычисления положения зависит от многих факторов и определяется лишь с некоторой вероятностью. Радиосигналы спутников могут экранироваться или отбиваться окружением приемника, что увеличивает погрешности определения времени поступления сигнала и искажает результат измерения.
В первую очередь имеют значение атмосферные явления и текущее расположение спутников относительно приемника. Погрешность вычисления положения будет больше, если больше спутники сгруппированы в одном полушарии относительно приемника по сравнению с ситуацией, когда приемник имеет возможность получить сигналы спутников с разных сторон. Ситуация с ограниченной видимостью спутников достаточно распространена в городах благодаря экранированию сигналов сооружениями.
Обычная точность современных GPS-приемников в горизонтальной плоскости составляет 5-10 метров, и 10-20 метров по высоте, но по стечению некоторых условий, вычислено приемником положение может кратковременно отличаться на значительные величины. Производители GPS приемников определяют величину погрешности положения так: не хуже 5 метров в 50 % времени наблюдения, и не хуже 8 метров в 90 % времени, погрешность определения скорости не более 0,06 м / с.
На территории США и Канады работают станции WAAS, в Европе действуют станции EGNOS, которые передают поправки для дифференциального режима, что позволяет увеличить точность вычисления положения до 1-2 метров. При использовании более сложного дополнительного оборудования, точность определения координат можно довести до 10 см. Например, для работы GPS-приемника в дифференциальном режиме ему постоянно необходимо получать данные от стационарно расположенного приемника дифференциальной поправки.
Недостатки[править]
Общим недостатком использования любой радионавигационной системы является то, что при определенных условиях сигнал может не доходить до приемника, или приходить со значительными искажениями или задержками. Например, практически невозможно определить свое точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле. Поскольку рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приема сигнала от спутников может серьезно ухудшиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Нормальному приему сигналов GPS могут препятствовать помехи от многих наземных радиоисточников, а также от магнитных бурь.
Невысокий наклон орбит GPS серьезно ухудшает точность в приполярных районах Земли, поскольку спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом.