В 2020 году Россия, Китай, Европа и Индия имеют свои собственные активные системы GPS. Япония разрабатывает для себя систему GPS, которую планируется ввести в эксплуатацию в 2023 году.
На момент написания статьи, над планетой на средней орбите кружит 32 спутника, часть из них периодически либо в резерве, либо на техобслуживании.
Как работает GPS?
Как работает GPS?
Несмотря на то, что спутниковая технология GPS основана на самых передовых технологиях, система работает впечатляюще просто.
Есть три компонента любой отдельной навигационной системы GPS.
Спутники: спутники GPS вращаются вокруг Земли и передают свое текущее время и положение на орбите всем приемникам GPS на своей стороне планеты.
Командный центр: Командный центр передает орбитальные данные, временные поправки и орбитальную позицию других спутников вплоть до спутников на орбите.
Приемники GPS: Приемник GPS на Земле получает орбитальные времена от как можно большего числа спутников в пределах диапазона и вычисляет свое собственное положение на Земле на основе положений по крайней мере четырех спутников GPS.
Как работает GPS | РАЗБОР
Приемники GPS используют математический принцип, известный как триангуляция, для расчета своего местоположения.
Как работает триангуляция GPS
триангуляция GPS
В любой точке планеты, GPS-приемник получает отметки времени от синхронизированных часов на каждом из спутников GPS.
Данные точного времени – один из самых важных факторов для определения географических координат: ориентируясь на разницу между отдачей и приемом радиосигнала, спутники вычисляют расстояние между собой и навигатором.
Используя разницу во временных метках и постоянную скорость света, на которой распространяются радиоволны, приемник GPS может определять расстояние между тем, где вы находитесь, и каждым спутником.
Поскольку каждый спутник движется по предсказуемой орбите над землей, приемник может использовать сохраненный альманах текущего известного положения всех спутников GPS, чтобы приблизительно определить где эти спутники в настоящее время расположены над землей.
С известным местоположением каждого спутника и измеренным расстоянием между этими спутниками и вашим положением, GPS-приемник может рассчитать ваше приблизительное место, определяя где пересечение этих трех сфер сходится на поверхности Земли.
Затем получатель отобразит это местоположение на карте.
Как работает GPS-датчик телефона
GPS-датчик телефона
Большинство современных смартфонов сегодня оснащены чипом GPS-приемника. Этот чип может принимать радиосигналы со спутников GPS.
Часы вашего телефона явно не атомные, поэтому их время не синхронизируется с атомными часами спутников на орбите. Тем не менее, это не имеет значения, когда дело доходит до расчета местоположения с использованием сигналов от этих спутников.
Это связано с тем, что GPS-приемник вашего телефона фокусируется на данных, которые он получает от спутников, и на базе данных известных местоположений спутников над Землей. Поскольку все спутники имеют атомные часы, текущее время на каждом спутнике в любой момент времени точно одинаковое.
Как работают навигационные системы GPS и ГЛОНАСС
Однако из-за расстояния от спутника и того факта, что радиосигналы распространяются со скоростью света, различия между каждой полученной отметкой времени показывают расстояние между вашим телефоном и каждым из спутников.
Вот как работает процесс GPS:
- Все пять спутников передают одну и ту же метку времени на ваш телефон в 17:12:14.
- Ваш телефон получает эту метку времени в 5:12:15 со спутника ①.
- Он получает метку времени в 5:12:16 со спутника ②.
- Наконец, в 5:12:17 он получает метку времени от спутника ③.
- Это сообщает вашему GPS-приемнику, что радиосигнал пришёл за 1 секунду от спутника ①, за 2 секунды от спутника ② и 3 секунды от спутника ③.
Скорость света — известная постоянная 299 792 458 метров в секунду .
Используя простую математику, получатель (GPS-приемник) рассчитывает, что его расстояние составляет, примерно, 300 тысяч метров от спутника ①, 600 тысяч метров от спутника ② и 900 тысяч метров от спутника ③.
Используя справочную таблицу из базы данных спутников, приемник Джи Пи Эс вашего телефона знает примерное текущее местоположение над землей всех трех спутников, которое обеспечивает их координаты долготы и широты.
С помощью этой информации ваш телефон может рассчитать ваши собственные координаты долготы и широты на Земле.
Источник: dzen.ru
GPS (Global Positioning System) – Что это такое и как работает система глобального позиционирования
Технология GPS (Глобальная Система Позиционирования) стала действительно настолько глобальной, что применяется буквально везде и постоянно. Global Positioning System можно смело назвать – Космической системой навигации и определения местоположения в повседневной жизни.
Без этой технологии уже сложно представить нашу жизнь: управление транспортным средством в незнакомой местности, отслеживание маршрута смарт-часами, смартфоном и многими другими приборами. Всё это, спутниковая система навигации GPS.
Что такое GPS и как работает
GPS (Global Positioning System) – спутниковая система глобального позиционирования (читается как «джи пи эс»). Представляет собой сеть приёмных устройств и спутников, работающих для определения места расположения чего-либо на Земле.
Спутниковая система GPS указывает не только местоположение, но и измеряет расстояние, а также время.
Теперь давайте детальнее поговорим о принципе работы GPS, сферах применения, точности приёмников и о том, что такое «джи пи эс» в телефоне.
Итак, GPS – это то, что синхронизирует время, место и скорость. Глобальная навигационная спутниковая система, это слаженная работа алгоритмов, спутников и приёмников, которые позволяют с точностью до сантиметра вычислять данные для наземных, воздушных либо морских передвижений.
Система довольно точная, однако и у неё бывают сбои, которые отслеживаются и контролируются специальными инстанциями по своевременной корректировке получаемых данных со спутников и передачи их на приёмники.
Причины помех навигации:
- Гравитация – способна смещать с орбиты спутники.
- Здания, деревья, сооружения, холмы и горы, блокируют радиоволны.
- Атмосфера нашей планеты также может искажать сигналы.
Система GPS позиционируется как комплекс 24 спутников, которые находятся в 6 орбитальных плоскостях. Каждая плоскость включает 4 спутника с центром на Земле. Спутники вращаются на высоте примерно в 20 тыс. км., перемещаясь со скоростью 14 тыс. км в час.
Первые 3 спутника выполняют основную работу, 4-ый нужен для перепроверки данных этих трёх. Где располагается каждый из 24 спутников, знает специальный приёмник, который от каждого получает информацию.
Принцип работы GPS приёмников
Приёмник GPS вычисляет расстояние от себя до любого из спутников благодаря измерению времени, так как скорость распространения радиоволн постоянная. Он знает, где находится сам, и где находятся спутники, по крайней мере, каждый из четырёх в плоскости.
Благодаря точным данным, получаемым с нескольких спутников, GPS приёмник в реальном времени может следить за движущимся автомобилем, указывая направление из пункта А, в точку назначения Б.
Но GPS навигацию используют не только владельцы машин, корабли и лодки, самолёты и поезда также не обходятся без глобальной системы позиционирования.
Что такое GPS в телефоне
Практически каждый гаджет в наши дни имеет встроенный модуль GPS, благодаря которому можно определить местоположение, построить маршрут или найти нужные на карте объекты.
Смартфон с GPS, как любой другой приёмник, улавливает сигнал от спутников и обрабатывает данные. Затем он сопоставляет время и определяет, как далеко и в каком направлении он находится от спутника. Чем больше спутников улавливает смартфон, тем точнее и быстрее будет работать навигация.
Поэтому важно, чтобы телефон поддерживал как можно больше навигационных систем.
Однако для повышения точности и скорости навигации следует дополнительно использовать данные о спутниках с вышек сотовых операторов. Тогда, после загрузки всей необходимой информации результат о местоположении получится максимально точным.
Кто и где использует
В Российской Федерации существует собственный тип GPS под названием ГЛОНАСС (Глобальная орбитальная навигационная спутниковая система).
В настоящее время собственные навигационные системы имеют КНДР и Европейский Союз. Технология GPS стала прорывом ХХ века. Система продолжает развиваться, во всём мире ведётся работа по улучшению навигации, и можно с уверенностью сказать, что в будущем данные GPS будут ещё более точными.
Как работает навигатор, мы выяснили, теперь детальнее поговорим об областях использования GPS.
Вот 5 основных областей применения технологии:
- Синхронизация (определение точного времени).
- Навигация (перемещения, передвижения).
- Местоположение (определение места).
- Отслеживание (собственное или чьё-либо положение).
- Картография (создание различных карт, всего мира).
GPS используют службы быстрого реагирования, логистические компании, геодезисты, работники сельского хозяйства, пилоты и капитаны, водители и рыбаки. А также сфера здоровья (устройства, отслеживающие физическую активность), сфера развлечений (игры и мероприятия), армия и операторы мобильной связи.
Учёные также используют GPS для определения силы землетрясений. Они закапывают в землю приёмники и измерят, насколько они смещаются. Так можно измерить силу землетрясения всего за 15 минут. Эти знания имеет решающее значение для прогнозирования того, может ли землетрясение вызвать опасные океанские волны, известные как цунами.
Кроме того, GPS используется для отслеживания животных во время миграций. На различные виды животных помещаются приёмниками GPS. Они сообщают исследователям, где находится конкретное животное, когда и куда движется. Таким образом, биологи могут отслеживать их миграции.
Службы поиска и добычи полезных ископаемых полагаются на GPS при обследовании местности перед началом работ. Компании отслеживают потенциальные месторождения полезных ископаемых, и определяют, каких областей следует избегать, чтобы уменьшить воздействие на окружающую среду. Спутниковая система навигации также позволяют автономным машинам транспортировать полезные ископаемые по местам их разработки.
Итог
Резюмируя вышесказанное, можно сделать вывод, что глобальная система навигации GPS используется в трёх основных областях:
- Спутники в космосе – вращаются вокруг земли и передают информацию.
- Контроль на земле – службы по управлению и мониторингу, занимаются проверкой и координацией.
- Приёмники и передатчики – оборудование для пользователей: смартфоны, часы, авто и т.д.
Просто о том, как устроена GPS – видео
Второе имя Павлины — Pandora. Не потому, что она опасна, как мифологический ящик, а из-за страсти к познанию нового и неизвестного. Нет темы, которую ей не удалось бы раскрыть, даже если это принесёт разочарование. Почему она в TehnObzor? Вот ответ… «Мне не только с детства интересны технологии и гаджеты, но и то, как они меняют людей, их быт или межличностные отношения».
Как работает GPS: принцип и особенности работы, выполняемые функции, характеристики
В наше время навигатор — это не только инструмент путешественников и исследователей, с помощью которого можно построить курс в открытом море или глухой тайге, но и привычное многим бытовое устройство, помогающее автомобилисту или пешеходу найти нужный пункт назначения или привязать к координатам какие-то данные, например фотографии. Часто мы пользуемся этими приспособлениями, не задумываясь о том, почему и как они работают. В данной статье мы попробуем разобраться с этим и ответить на часто возникающие вопросы: что такое GPS, откуда она взялась, для чего она нужна, на чем основан принцип ее действия и работает ли GPS без GPS, без сотовой связи и интернета.
История создания
Система GPS (читается как Джи Пи Эс) была создана по заказу Министерства обороны США для военных целей.
Идея использования искусственных спутников для навигации возникла в середине прошлого века после запуска в СССР первого космического спутника. Американские ученые обнаружили факт, который впоследствии ляжет в основу принципа работы GPS: зная координаты наблюдателя на Земле, можно рассчитать координаты спутника, и наоборот — если известно расстояние до спутника, то можно узнать координаты объекта на Земле.
В 1973 году в США была начата программа DNSS, переименованная в конце того же года в NavStar-GPS. Ее задачей было достижение при помощи искусственных спутников Земли более точной навигации для армии США.
В 1974 году по этой программе на орбиту был выпущен первый спутник, а последний из 24 спутников, которые нужны для покрытия всей планеты, был запущен в 1993 году.
Мирное использование GPS
Когда в 1983 году корейский пассажирский самолет был сбит после вторжения в воздушное пространство Советского Союза из-за проблем с навигацией, президент Рональд Рейган принял решение разрешить использование GPS гражданским службам всего мира.
Для предотвращения использования этой технологии в военных целях точность работы GPS, доступной для общего использования, с помощью умышленной ошибки поначалу искусственно уменьшалась до 100 метров, но в 2000 году это ограничение было убрано. А специализированное военное применение этой системы спутниковой навигации армией США происходит через зашифрованный P(Y) код, дающий более точные результаты — до миллиметров.
Система Глобального Позиционирования
Сейчас благодаря GPS можно вычислить свое местоположение в любой точке поверхности земного шара (кроме полярных областей) и в околоземном космическом пространстве. Часто люди, пользующиеся этой системой в быту, воспринимают ее в качестве составной части своего устройства (”В телефоне работает GPS-навигатор, потому что телефон высокотехнологичный”). Однако в действительности это гораздо более масштабная вещь: по сути, для того, чтобы узнать свое местоположение, нам необходимо связаться с космосом (хотя и не очень дальним).
GPS — Система Глобального Позиционирования — содержит в себе три раздела: космический, наземный и пользовательский.
Космический раздел
Сейчас космический раздел GPS составляет 32 спутника (один из них — резервный). Вес каждого спутника — около тонны, срок их службы — примерно 10 лет (однако по факту до сих пор работает спутник, выведенный на орбиту еще в 1993 году). Спутники вращаются в разных плоскостях по шести орбитам на высоте около 20 тысяч километров над Землей. Орбиты построены так, что в каждый момент времени в любом месте Земли видно несколько спутников, а если какой-то из них выйдет из строя, то остальные изменят свои орбиты, чтобы заполнить пустующее пространство. За звездные сутки спутник делает два оборота вокруг Земли, пролетая над одним и тем же местом в определенное время.
Каждый спутник имеет свой идентификационный номер, который он посылает приемникам на Землю. Также на них размещены атомные часы (по четыре на каждом), точность которых — около наносекунды.
Наземный раздел
На Земле находятся несколько станций слежения, наблюдающих за спутниками GPS и передающих информацию о них на главную контрольную станцию, расположенную в Колорадо на авиабазе BBC США. Там высчитываются текущие и будущие орбиты и координаты и ежедневно передаются на спутники, а они затем передают эти данные GPS-приемникам. В памяти приемника хранится информация обо всех спутниках, даже недоступных в данный момент, благодаря чему он знает, какие спутники ему следует использовать.
Пользовательский раздел
Пользовательский раздел — это приемники, которые отслеживают все видимые в данном месте спутники и принимают их радиосигналы. Сейчас их встраивают не только в предназначенные для навигации специализированные приборы, но и в смартфоны, планшеты, наручные часы и собачьи ошейники.
То, как работает GPS-навигатор, во многом зависит от синхронизации часов в спутнике и в приемнике. В отличие от находящихся на спутниках высокоточных атомных часов (стоимостью 100 тысяч долларов), часы в обычных приемниках сигнала гораздо менее точны, что приводит к ошибкам в работе системы. Поэтому для определения местоположения необходимо использовать сигналы как можно большего количества спутников, благодаря чему погрешность корректируется.
Принцип работы
Чтобы понять принцип работы GPS, представьте себе такую ситуацию: вы заблудились в лесу и несколько ваших спутников с разных сторон издали кричат вам, чтобы помочь вам сориентироваться, где вы находитесь. По громкости их голосов вы можете определить расстояние от каждого из них до вас. Если при этом они будут кричать не просто “Ау!”, а сообщать собственные координаты, то вы сможете определить свое местоположение относительно этих точек пространства. Примерно на этом же и основывается принцип работы системы GPS, хотя в ней расстояние от источника сигнала до приемника определяется не громкостью, а также невозможно определить направление сигнала.
Система GPS так работает: спутники непрерывно шлют радиосигналы, временная задержка которых показывает время движения сигнала от спутника до приемника GPS. На основании этого времени и известной скорости (скорость света постоянна) рассчитывается расстояние между спутником и приемником. Чтобы точно определить местоположения приемника, необходимо получить несколько сигналов с разных спутников (как минимум четырех) — точка, которая нас интересует, будет располагаться на пересечении окружностей, центры которых — это координаты спутников (которые известны приемнику, потому что содержатся в сигнале), а радиусы — это расстояния до них. После этого приемник высчитывает широту, долготу и высоту своего местоположения, которую для удобства привязывает к картам, хранящимся в его памяти.
Таким образом, для работы прибора GPS нужна антенна, которая примет радиосигнал со спутника; система, которая произведет необходимые вычисления; и чаще всего еще карта, на которую проецируется данная точка в пространстве. Отвечая на распространенный вопрос “Как работает GPS-навигатор без интернета?”, можно ответить, что он работает так же, как и с интернетом, потому что для GPS интернет (а также сотовая связь) не нужен — он нужен только для карт, которые можно загрузить заранее.
Точность GPS
Недостатком GPS (как и любой другой подобной системы) является то, что не всегда у приемника есть возможность получить сигнал. Качество сигнала ухудшается, когда между спутником и приемником находятся густые облака или листва, когда ему мешают помехи от других радиоисточников; сигнал не проходит через железобетонные конструкции; он может отражаться от разных поверхностей и теряться. Кроме того, формула расчета расстояния до спутника предполагает, что скорость света постоянна, однако постоянной она является только в вакууме, а в действительности сигнал должен проходить через тропосферу и ионосферу, которые уменьшают его скорость. Все это приводит к неточностям в результатах работы GPS, однако многие ошибки удается исправить, используя дополнительные алгоритмы и уточнения.
Сейчас определить местоположение с помощью GPS можно с точностью от 1 до 15 метров. Точность зависит от нескольких факторов: от наличия или отсутствия мешающих сигналу помех; от количества, направления и высоты спутников, которые видит приемник в данный момент; от того, есть ли поблизости станции, которые передают поправки для сигналов.
Использование GPS
В настоящее время GPS используется во многих областях жизни. Принцип работы GPS-навигатора одинаков для всех устройств, однако может различаться его точность. GPS-приемники делятся на два класса: профессиональные и бытовые. Профессиональные приемники, для которых крайне важна высокая точность, отличаются поддерживаемыми режимами работы, частотами, разными системами навигации, количеством одновременно принимаемых сигналов, запасом электропитания, алгоритмами корректировки неточностей и высокой ценой. Подобные приемники используют военные, а также геодезисты и картографы.
Бытовые приемники GPS бывают специализированными (портативными) и встроенными в другое устройство (например, в мобильный телефон или ноутбук). У специализированных приемников GPS (это разнообразные навигаторы, туристические, автомобильные, авиационные, морские) в отличие от встроенных есть свой собственный процессор.
Еще одна разновидность — это GPS-трекер. Это устройство используется для спутникового слежения за определенными объектами (например, для контроля за людьми, животными, ценным грузом или автомобилем). GPS-трекер работает похожим на навигатор образом, однако обычно он не имеет экрана, и полученные им координаты передаются через радиосвязь или GSM-передатчик в центр контроля.
Вариантом GPS-трекера является GPS-логгер — устройство, которое может работать в качестве обычного приемника GPS, но, кроме этого, может запоминать данные о пройденном пути. От GPS-трекера он отличается тем, что эти данные невозможно передать в режиме реального времени — их необходимо загружать в компьютер, подключившись к нему.
Альтернативы GPS
Учитывая, что GPS вместе со всеми своими спутниками является собственностью США и в ситуации конфликта может быть запрещена к использованию в других государствах, некоторые страны занимаются разработкой собственных систем спутниковой навигации. Каждая из них имеет свои достоинства, и большинство современных приемников умеют совмещать разные системы, что существенно повышает их точность.
«Глонасс»
Вторая полностью функционирующая система глобальной спутниковой навигации, кроме GPS, это российская система «Глонасс». Принцип ее работы тот же, как и у GPS. Основное отличие этой системы состоит в том, что у ее спутников нет резонанса с движением Земли, поэтому они более стабильны и не нуждаются в периодической коррекции. Их орбита так устроена, что эту систему можно использовать и в полярных регионах, где GPS работает плохо.
Недостатком российской системы является небольшой срок эксплуатации спутников — семь лет. Официально программа была начата в 1976 году, первый спутник по программе «Глонасс» СССР запустил в 1982 году, в 1991 году спутников было 12 и в 1993 году система начала эксплуатироваться. В 1995 году были запущены все запланированные 24 спутника, однако к 2001 году это количество из-за их небольшого срока службы и проблем с финансированием сократилось до 6. В нулевые годы программа возобновилась и к 2017 году на орбиту вывели 27 спутников.
Другие системы спутниковой навигации
В 2016 году в Евросоюзе официально введена в эксплуатацию система Galileo (хотя пока в режиме начальной производительности). Сейчас она состоит из 26 спутников (планируется 30).
В Китае с 2012 года работает собственная навигационная система — BeiDou, на данный момент на орбите находится 21 спутник (планируется 35). Сейчас эта система работает в качестве региональной, покрывая территорию Китая, но к 2020 году планирует выйти на глобальный уровень.
Также собственные системы спутниковой навигации разрабатывает Франция (DORIS), Индия (IRNSS), Япония (QZSS).
Источник: truehunter.ru