Kak rabotaet GPS-navigator
---------------------------------------------------------------
How GPS works: an introduction,
by Craig Haggart (haggart@slac.stanford.edu)
Podgotovleno firmoj Boston PC.
Avtorizovannyj perevod s anglijskogo: Sergej Burov (s.b.burov@mtu-net.ru)
Dopolnitel'nuyu informaciya po GPS-navigatoram sm. na stranice
http://www.bostonpc.ru/bostongroup/production/garmin/index.shtml
---------------------------------------------------------------
V nastoyashchee vremya blagodarya vnedreniyu sistemy GPS poluchili shirokoe
rasprostranenie tochnye i nedorogie navigacionnye priemniki. Kakim zhe obrazom
eti malen'kie "umnye" pomoshchniki uznayut, gde Vy nahodites'?
Osnovnoj princip, lezhashchij v osnove vsej sistemy GPS, prost i davno
ispol'zuetsya dlya navigacii i orientirovaniya: esli Vy tochno znaete
mestopolozhenie kakogo-libo repernogo orientira i rasstoyanie do nego, to
mozhno nachertit' okruzhnost' (v 3-h mernom sluchae - sferu), na kotoroj dolzhna
byt' raspolozhena tochka Vashego polozheniya. Na praktike, esli vysheukazannoe
rasstoyanie, t.e. radius, dostatochno velik, to mozhno zamenit' dugu okruzhnosti
otrezkom pryamoj linii. Esli provesti neskol'ko takih linij, sootvetstvuyushchih
raznym repernym orientiram, to tochka ih peresecheniya ukazhet Vashe
mestopolozhenie. V GPS rol' takih reperov igrayut dve dyuzhiny sputnikov,
dvizhushchihsya kazhdyj po svoej orbite na vysote okolo 17 000 km nad poverhnost'yu
Zemli. Skorost' ih dvizheniya ves'ma velika, odnako parametry orbity i ih
tekushchee mestonahozhdenie s vysokoj tochnost'yu izvestny bortovym komp'yuteram.
Vazhnoj chast'yu lyubogo GPS-navigatora yavlyaetsya obychnyj radiopriemnik,
rabotayushchij na fiksirovannoj chastote i postoyanno "proslushivayushchij" signaly,
peredavaemye etimi sputnikami. Kazhdyj iz sputnikov postoyanno izluchaet
radiosignal, v kotorom soderzhatsya dannye o parametrah ego orbity, sostoyanii
bortovogo oborudovaniya i o tochnom vremeni. Izo vsej etoj informacii dannye o
tochnom bortovom vremeni yavlyayutsya naibolee vazhnymi: GPS-priemnik s pomoshch'yu
vstroennogo processora vychislyaet promezhutok vremeni mezhdu posylkoj i
polucheniem signala, zatem umnozhaet ego na skorost' rasprostraneniya radiovoln
i t.o. uznaet rasstoyanie mezhdu sputnikom i priemnikom. Rezul'tatom
posleduyushchih vychislenij yavlyayutsya koordinaty Vashego mestopolozheniya.
Nestabil'nost' chasov priemnika
Iz opisannogo vyshe principa vidno, chto dlya opredeleniya mestopolozheniya
dostatochno pojmat' signaly ot dvuh sputnikov i postroit' dve peresekayushchiesya
pryamye. Odnako na praktike tochnost' takogo metoda byla by nedostatochnoj
iz-za nalichiya oshibki chasov priemnika. Delo v tom, chto sputniki, nahodyashchiesya
na orbite, imeyut na bortu ochen' tochnye i, estestvenno, dorogostoyashchie atomnye
chasy. CHto zhe kasaetsya GPS-priemnikov, osobenno bytovyh, to ispol'zovanie
takih chasov bylo by neopravdano v smysle gabaritov i stoimosti. |to bylo
odnoj iz ser'eznyh problem, s kotorymi stolknulis' razrabotchiki - ved'
netochnost' hoda chasov vsego v odnu tysyachnuyu sekundy privodila by k oshibke
bolee 250 km! Dlya resheniya etoj problemy i dlya vozmozhnosti ispol'zovaniya v
GPS-priemnikah obychnyh kvarcevyh chasov (analogichnyh tem, kotorye
ispol'zuyutsya v bytu) bylo predlozheno ispol'zovat' ne dva, a tri repernyh
orientira, t.e. tri peresekayushchiesya pryamye. Kak zhe eto rabotaet?
Predpolozhim, chto chasy GPS-priemnika nemnogo speshat, t.e. izmerennoe
vremya prohozhdeniya radiovoln budet bol'she real'nogo. |to oznachaet, chto obe
raschitannye linii, i, sledovatel'no, tochka ih peresecheniya budut nahodit'sya
na bol'shem rasstoyanii ot orientirov (sputnikov), chem na samom dele. Esli zhe
chasy otstayut, to tochka peresecheniya peremestitsya blizhe k sputnikam. Vozmem
teper' tretij orientir (sputnik). Legko videt', chto peresechenie treh linij
dast nam treugol'nik, razmery i polozhenie kotorogo mogut menyat'sya v
zavisimosti ot hoda chasov. Esli zhe v kachestve iskomogo mestopolozheniya vzyat'
geometricheskij centr treugol'nika, to ego smeshchenie budet dostatochno malo,
osobenno esli tretij sputnik raspolozhen v protivopolozhnom ot nablyudatelya
napravlenii. Bolee togo, uchityvaya, chto netochnost' chasov dlya vseh treh
signalov budet prakticheski odinakovoj, mozhno avtomaticheskipodobrat' takuyu
velichinu korrekcii, kotoraya obespechit peresechenie vseh treh linij v odnoj
iskomoj tochke.
Uchityvaya vysheskazannoe, my vidim, chto dlya ustraneniya nestabil'nosti
hoda chasov priemnika i opredeleniya tochnogo mestopolozheniya v dvumernom
prostranstve (t.e. po shirote i dolgote) nam neobhodimo poluchit' signaly
mimnimum ot 3-h sputnikov. K schast'yu, segodnya kolichestvo GPS-sputnikov
dostatochno veliko dazhe dlya togo, chtoby v lyuboj tochke zemnogo shara opredelit'
ne tol'ko dvumernye, no i trehmernye koordinaty - shirotu, dolgotu i vysotu
nad urovnem morya. Dlya etogo nuzhno poluchat' signaly minimum ot 4-h sputnikov.
Pri etom, chem bol'she sputnikov "vidit" Vash GPS- priemnik, tem tochnee on
mozhet opredelit' koordinaty mestopolozheniya - vplot' do maksimal'nogo
predela, opredelyaemogo tochnost'yu sistemy. Iz etogo, v chastnosti, sleduet,
chto tochnost' raboty GPS-navigatora snizhaetsya, esli signaly ot nekotoryh
sputnikov ekraniruyutsya mestnymi predmetami (rel'efom mestnosti, derev'yami s
plotnoj kronoj,vysokimi zdaniyami i t.p.).
Kak izvestno, sputnikovaya GPS-sistema oplachivaetsya i nahoditsya pod
kontrolem Departamenta oborony SSHA, kotoryj zarezerviroval predel'nuyu
tochnost' isklyuchitel'no dlya svoih voennyh celej. Dlya etogo peredavaemyj
sputnikami signal kodiruetsya s pomoshch'yu special'nogo R-koda, kotoryj mozhet
byt' dekodirovan tol'ko voennymi GPS-priemnikami. V dopolnenie k etomu, v
signaly vremeni ot sputnikovyh atomnyh chasov dobavlyaetsya sluchajnaya oshibka,
kotoraya iskazhaet poluchennye znacheniya koordinat. V rezul'tate tochnost'
grazhdanskih GPS-premnikov uhudshaetsya bolee chem v 10 raz po sravneniyu s
voennymi i sostavlyaet okolo 50 - 150 m.
Differencial'naya GPS
Dlya togo, chtoby v ryade sluchaem mozhno bylo "obojti" ogranicheniya,
nalozhennye Departamentom oborony SSHA, nekotorye special'nye sluzhby
(naprimer, Beregovaya Ohrana SSHA) ustanovili set' fiksirovannyh t.n.
"differencial'nyh" radio-buev. Kazhdyj iz nih postoyanno registriruet signaly
GPS-sputnikov i sravnivaet raschitannye koordinaty so svoim izvestnym
postoyannym mestopolozheniem. Vychislennaya takim obrazom oshibka peredaetsya
radio-buem na fiksirovannoj chastote (obychno v 2-h metrovom diapazone) v vide
special'nogo signala. Esli etot signal pojmat' s pomoshch'yu dopolnitel'nogo
t.n. "differencial'nogo" priemnika, podklyuchennogo k GPS-navigatoru, to
poslednij mozhet vnesti sootvetstvuyushchuyu popravku i opredelit' koordinaty s
tochnost'yu okolo 1 metra. V poslednee vremya takie sluzhby poluchayut vse bol'shee
rasprostranenie v zapadnyh stranah, odnako ih uslugi chasto byvayut platnymi.
Ispol'zovanie odnoj chastoty
Sposob radioobmena mezhdu sputnikami i GPS-premnikom takzhe dostatochno
neobychen. Delo v tom, chto vse sputniki veshchayut odnovremenno na odnoj i toj zhe
chastote. Dlya togo chtoby GPS-priemnik mog opredelit', ot kakogo sputnika
ishodit dannaya informaciya, bortovye peredatchiki posylayut v sostave svoego
signala standartnyj identifikacionnyj kod, kotoryjsravnivaetsya s kodami,
nahodyashchimisya v pamyati priemnika. T.o. nezavisimo ot togo, skol'ko i kakih
sputnikov nahodyatsya v pole zreniya priemnika, poslednij mozhet bez truda
identificirovat' istochniki signalov. Takoj podhod ne tol'ko uproshchaet shemu
GPS-priemnika, no i, nesmotrya na malyj uroven' radiosignalov, pozvolyaet
ispol'zovat' v nih malogabaritnye, a, znachit, ne ochen' effektivnye priemnye
antenny.
Kazhdyj puteshestvennih skoro budet imet' GPS-priemnik.
10 let nazad vryad li mozhno bylo poverit' v to, chto kazhdyj chelovek
smozhet kupit' sravnitel'no nedorogoj karmannyj pribor, kotoryj na osnove
sovremennyh kosmicheskih tehnologijtochno ukazyvaet mostopolozhenie v lyuboj
tochke zemnogo shara. Dumalos', chto izvestnye uzhe neskol'ko stoletij kompas i
karta ostanutsya vechnymi sputnikami teh, kto nahoditsya v puti. Segodnya zhe my
vidim, kak bytovye GPS-navigatory ispol'zuyutsya ne tol'ko prakticheski vsemi
yahtsmenami i letchikami-lyubitelyami, no takzhe nahodyat shirokoe primenenie v
avtomobil'nyh navigacionnyh sistemah i vse chashche soprovozhdayut lyubitelej
otdyha na prirode v ih raznoobraznyh puteshestviyah. Zdes' nel'zya ne upomyanut'
naibolee, pozhaluj, perspektivnoe napravlenie GPS-navigacii - t.n.
komp'yuternye kartograficheskie sistemy (inogda oni vstraivayutsya
neposredstvenno v GPS-priemniki), v kotoryh informaciya o Vashem tekushchem
mestopolozhenii i o raspolozhenii nuzhnyh Vam orientirov otobrazhaetsya v
graficheskom vide na ekrane pribora neposredstvenno na detal'noj karte
mestnosti. |to znachitel'no povyshaet udobstvo i gibkost' sistemy i otkryvaet
shirochajshie vozmozhnosti planirovaniya svoego marshruta neposredstvenno v
polevyh usloviyah.
Last-modified: Fri, 11 Jun 1999 19:16:04 GMT