Принципы работы системы

В околоземном пространстве развернута сеть искусственных спутников Земли (ИСЗ), равномерно “покрывающих” всю земную поверхность. Орбиты ИСЗ вычисляются с очень высокой точностью, поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Радиопередатчики спутников непрерывно излучают сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS-приемником, находящемся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой нужно определить.

В приемнике измеряется время распространения сигнала от ИСЗ и вычисляется дальность “спутник-приемник” (радиосигнал, как известно, распространяется со скоростью света). Поскольку для определения местоположения точки нужно знать три координаты (плоские координаты X, Y и высоту H), то в приемнике должны быть измерены расстояния до трех различных спутников. Очевидно, при таком методе радионавигации (он называется беззапросным) точное определение времени распространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника.

Поэтому в состав аппаратуры ИСЗ и приемника входят эталонные часы (стандарты частоты), причем точность спутникового эталона времени исключительно высока. Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому “системному времени”. Эталон времени GPS- приемника менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость. Этот эталон должен обеспечивать только кратковременную стабильность частоты - в течение процедуры измерений.

На практике в измерениях времени всегда присутствует ошибка, обусловленная несовпадением шкал времени ИСЗ и приемника. По этой причине в приемнике вычисляется искаженное значение дальности до спутника или “псевдодальность”. Измерения расстояний до всех ИСЗ, с которыми в данный момент работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину временного несоответствия можно считать постоянной. С математической точки зрения это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X,Y и H, но и поправка часов приемника. Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех, а до четырех спутников. В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются координаты (X,Y и H) и точное время. Если приемник установлен на движущемся объекте и наряду с псевдодальностями измеряет доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена и скорость объекта. Таким образом, для выполнения необходимых навигационных определений надо обеспечить постоянную видимость с нее, как минимум, четырех спутников. После полного развертывания созвездия ИСЗ в любой точке Земли могут быть видны от 5 до 12 спутников в произвольный момент времени. Современные GPS-приемники имеют от 5 до 12 каналов, т.е. могут одновременно принимать сигналы от такого количества ИСЗ. Избыточные измерения (сверх четырех) позволяют повысить точность определения координат и обеспечить непрерывность решения навигационной задачи.

Зачем нужен GPS? 

С помощью этой системы Вы всегда сможете видеть свое местоположение и всегда найдете конечную цель своего движения. Современные навигационные приемники могут одновременно принимать и анализировать сигналы с 12 спутников, т.е. навигаторы ничего не излучают в эфир, а работают только на прием, как радиоприемник. За использование навигационного оборудования не взимается абонентская плата. Один раз заплатив при покупке, вы можете пользоваться им сколько хотите.

Используя GPS: 
Вы всегда сможете увидеть с высокой точностью свое местоположение. 
Вы всегда найдете на карте, заложенной в прибор, конечную цель своего движения. 
Зная свою конечную цель и точку своего местоположения, вы всегда сможете проложить маршрут своего движения по улицам незнакомого города, по областным и грунтовым дорогам. 
Вы всегда сможете увидеть пути объезда заторов, пробок, участков ремонта дорог, внезапно оказавшихся у Вас на пути.

В совершенно незнакомом месте, даже при отсутствии карт, Вы никогда не заблудитесь, потому что Ваш прибор запишет траекторию Вашего движения, по которой Вы всегда сможете вернуться обратно, а проехав один раз правильно, например с местным жителем, Вы всегда повторите свой путь ориентируясь даже в маленьких переулках и правильно объедите бездорожные участки.

Вы всегда сможете отметить путевыми точками автозаправочные станции, посты ГИБДД, опасные и аварийные участки дороги, мотели, придорожные кафе и по своему усмотрению воспользоваться этой информацией на обратном пути. 
Вы всегда сможете положиться на путевой компьютер, на котором отражены Ваша скорость, время в пути, время остановок, средняя скорость движения, средняя скорость движения с учетом остановок, одометр. 

Виды навигационных приемников

В настоящее время на рынке представлено большое количество моделей навигаторов. Довольно грубо их можно разделить на несколько категорий:

GPS мышь – самый простейший прибор являющийся только приемником и декодером GPS сигналов. Не имеет никаких органов управления и для его использования необходимо подключать его к компьютеру. Интерфейс связи с компьютером COM порт, USB и Blootuth. Хочется отметить что модный и удобный в настоящее время интерфейс USB в данном случае несколько неудобен. При езде в машине с ноутбуком и подключенном навигаторе, частенько выпадает USB разъем, так как на нем не предусмотрено никакой фиксации. В этом отношении COM порт предпочтительнее, но на современных ноутбуках это уже большая редкость. С появлением интерфейса Blootuth проблема проводов вообще отпадает. Само устройство крепится например на крыше автомобиля с помощью встроенного магнита, что дает уверенный прием даже в густом лесу. Возможности использования такого устройства ограничены только программным обеспечением вашего компьютера, это может быть и программа работы как с векторными так и с растровыми картами так и любое другое программное обеспечение. 

Персональные GPS навигаторы без загрузки карт. Относительно недорогие устройства, позволяющие определять координаты, скорость, записывать трек пути, функцию навигации на точку, навигацию по треку и т.д. Такие устройства бывают как с графическим экраном (например серия Geko от Garmin) так и с экраном на текстовых сегментах . Графический экран позволяет отображать на таком устройстве сам пройденный или записанный трек, в то время как на устройстве на текстовых элементах возможна только навигация на точку (показывается стрелкой). Как правило такие устройства не имеют разъема для подключения внешнего питания и разъема для внешней антенны. Отсутствие внешнего питания не слишком большая беда – комплекта алкалайновых батареек (2 шт ААА) хватает примерно часов на 6 непрерывной работы без подсветки. А вот невозможность подключить внешнюю антенну ограничивает применение устройства внутри автомобиля. Как пользователь данного девайса (Geko 201) скажу что после того как прибор поймает спутники, он работает внутри автомобиля на передней панели достаточно достойно даже в УАЗе с железной крышей, с его почти вертикальным стеклом. На недоприводах с их сильно наклоненным ветровым стеклом проблем вообще не возникает.

Персональные GPS навигаторы с загрузкой карт (картмэпперы). В настоящее время самый распространенный тип устройств. На экране этого устройства можно наблюдать ваше местоположение, видеть различные объекты нанесенные на карту (дороги, мосты, реки и т.д.) Кроме функций присущих предыдущему типу устройств присутствует функция автоматического поиска маршрута. Навигаторы этого типа бывают как с монохромным так и с цветным экраном. Так же основными характеристиками являются размер экрана и количество доступной памяти для загрузки карт. В таких устройствах используется векторный формат карт что позволяет во первых минимизировать объем занимаемый самой картой, а во вторых позволяет производить поиск объектов по наименованию и навигацию по нанесенным дорогам. Недостаток же таких карт по сравнению с растровыми – пока еще меньшая распространенность и невысокий уровень детализации самой карты. В таких навигатора могут присутствовать и внешнее питание и разъем для внешней антенны.

Виды координат

Как известно в мире существует множество единиц измерения. Навигаторы соответственно должны их поддерживать. В России применяется метрическая система, поэтому перед использованием навигатора в установках нужно выбрать именно ее. При этом расстояние и высота будет показываться в метрах а скорость в км/ч. Так же необходимо настроить тип геодезического датума (скорее всего нужно выставить датум WGS84). В чем суть датума? В разных местах Земли расстояние от центра до поверхности разное, а это приводит к тому, что на одной параллели, в разных местах, на одну угловую секунду придется разное линейное расстояние. Вот, чтобы как-то скомпенсировать эту погрешность на большей части национальной территории и вводят локальные датумы. Они отличаются друг от друга, поэтому координаты одной и той же точки в разных датумах будут разные. Чаще всего работают с международной геоцентрической системой WGS 84, которая пытается худо-бедно описать всю земную поверхность.

Для записи самих координат (широта и долгота в градусах, минутах и секундах) можно использовать различные формы записи: Например D.D0, D0M.M', D0M'S.S'' (Градусы-доли градусов, градусы-минуты-доли минут и градусы-минуты-сукунды-доли секунд). Все записи эквивалентны между собой, но чаще встречается записи в формате D0M.M'. Реальная запись координат одной и той же точки (деревня Селычка) в разных форматах выглядит так: 
N57.07357 E053.19090 
N57 04.414' E053 11.454' 
N57 04'24.9'' E053 11'27.3''

Что означает 57.07357 градусов северной широты 53.19090 градусов восточной долготы или 57 градусов 4.414 минуты северной широты 53 градуса 11.454 минуты восточной долготы. При занесении в ручную координат в навигатор необходимо выбрать ту систему записи, в какой заданы координаты точки. В дальнейшем при переключении систем координаты пересчитываются автоматически.

Так же нужно выбрать вид ориентирования на север – на магнитный север или на географический. Как известно магнитный север не совпадает с географическим и чем севернее широты тем большая разность между этими двумя величинами. На широте Ижевска разница между ними составляет 13 градусов. При смене этого параметра соответственно будут меняться показания курса.

Функции навигатора

Все функции конечно перечислить не получится, так как данная статья не преследует этих целей. У каждого навигатора есть руководство пользователя и для уточнения принципов работы с прибором нужно руководствоваться именно им.

Основные термины: 

Waypoint – Точка пути или навигационная точка. Именованная точка имеющая как минимум координаты широты и долготы. Если точка ставится автоматически (фиксируется текущее положение навигатора) то точка будет иметь еще и высоту над уровнем моря. Любой навигатор имеет функцию навигации на точку. В этом режиме он может показывать нужное направление движения стрелкой, оставшееся расстояние до точки, необходимый курс движения (Bearing), время достижения точки (высчитывается из средней скорости). Надо понимать что расстояние до точки и курс берутся по прямой линии, а реальный путь к точке может быть совершенно другим.

Функция Project (проецирование) над точкой представляет собой вычисление координат другой точки заданной относительными координатами (расстояние и курс) от заданной, что есть не что иное как широко известное – 5 «шагов на север от старой березы». Такой вид задания координат применяется например при ориентировании по азимуту.

Route – Маршрут. Порядок прохождения навигационных точек. Чтобы не запоминать какую точку за какой нужно посетить можно записать порядок с помощью маршрута. При этом если включить навигацию по маршруту то при достижении очередной точки навигатор сам автоматически переключит навигацию на следующую точку в маршруте. Навигацию можно включить как в прямом так и в обратном направлении.

Track – Пройденный путь. Во время движения навигатор записывает пройденный путь, который представляет собой последовательность точек (записываемых либо через определенный интервал времени либо определенное расстояние). Каждая такая точка имеет координаты, высоту, время ее посещения. Скорость в данный момент вроде бы не записывается а высчитывается. Кроме навигации по маршруту, в навигаторах существует также навигация по треку. При этом навигатор показывает направление на ближайшую точку трека. Так как точки трека располагаются довольно близко друг к другу (несколько метров) то получается что можно ехать полностью по приборам (например возвращаться по лесу при отсутствии дороги по записанному треку).

Elevation – высота над уровнем моря.

Heading – Курс которым движется навигатор в градусах. Курс 0 (ноль) означает что движение происходит точно на север (на магнитный или географический зависит от выставленной настройки). Курс 90 – движение на восток и т.д. до 359 градусов. Bearing – Направление по компасу от текущего положения на цель назначения.

Возможности навигаторов: 

Любой навигатор может определять координаты (широту долготу и высоту) его местоположения. На основании этих данных им вычисляется скорость движения (как производная от пути), вертикальная скорость, средняя скорость, высчитывается приблизительное время достижения до цели, курс движения и т.д. Надо отметить что на большинстве навигаторов нет магнитного компаса, поэтому они не могут определить стороны света если находятся неподвижно. Определение сторон света и курса движения вычисляется только при изменении координат навигатора, для этого достаточно пройти с прибором прямолинейно несколько шагов в любую сторону. В некоторых моделях присутствует магнитный электронный компас, который позволяет определять стороны света в неподвижном состоянии. Это стоит учитывать при выборе модели – не приятно находясь например в лодке посреди озера начинать грести только ради того чтобы узнать где север. Так же в некоторые навигаторы встраивают электронный барометр, что позволяет определять высоту по нему (опционально).

Примеры использования

Самый простой пример - поход за грибами. Приезжаем на место, фиксируем положение машины – для этого создаем навигационную точку (Waypoint) на базе текущего положения навигатора, включаем навигацию на эту точку и спокойно ходим по лесу. Навигатор всегда будет показывает нам курс на машину и расстояние до нее. Чтобы вернуться, достаточно идти в направлении указанном стрелкой. Не забывайте при этом отмечать точками грибные места – в следующий раз не надо будет искать это место.

Следующий пример. Едем с каким-нибудь местным аборигеном, который знает дороги как свои пять пальцев. Вокруг одинаковый ландшафт или даже ночь на дворе и не видно ни зги. А обратно возвращаться без него. Ну и что? у нас же есть навигатор. Чтобы не заблудится включаем его заранее, после чего он начинает записывать трек. На обратном пути включаем навигацию по треку в обратную сторону и спокойно возвращаемся по тому же пути нисколечко не блуждая.

Еще пример. Правда применение ему скорее подходит для навигаторов без загрузки карт, для картмэперов оно совершенно не нужно. Собираясь в дорогу (обычно дальнюю и не знакомую) я обычно выбираю маршрут на компьютере, просматриваю электронные карты в OziExplorer (люблю я его очень), расставляю ключевые маршрутные точки (обычно на больших населенных пунктах и крутых перегибах дороги), после чего составляю маршрут. Потом точки и маршрут заливаю в навигатор. При движении довольно полезно и интересно бывает посмотреть сколько осталось проехать до какой то ключевой точки.

Так же очень полезно бывает проехать по дорогам, которые не нанесены на существующую карту, чтобы потом на базе этого трека нанести на карту новую дорогу.

Взято из http://offroad.udm.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=73 с разрешения автора.

25.08.07.