Точность определения координат GPS | Helpform

GPS — спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположениe. Позволяет в любом месте Земли (не включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США.

Краткая характеристика GPS

Спутниковая навигационная система Министерства Обороны США — GPS, называется также NAVSTAR. Система состоит из 24 навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ), наземного командно-измерительного комплекса и аппаратуры потребителей. Она является глобальной, всепогодной, навигационной системой, обеспечивающей определение координат объектов с высокой точностью в трехмерном околоземном пространстве. Спутники GPS помещены на шести средневысоких орбитах (высота 20183 км) и имеют период обращения 12 часов Плоскости орбит расположены через 60° и наклонены к экватору под углом 55°. На каждой орбите находится 4 спутника. 18 спутников — это минимальное количество для обеспечения видимости в каждой точке Земля не менее 4-х НИСЗ.

Основной принцип использования системы — определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами — спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно знать расстояние до трёх спутников и время GPS системы. Таким образом, для определения координат и высоты приёмника используются сигналы как минимум с четырёх спутников.

Система предназначена для обеспечения навигации воздушных и морских судов и определения времени с высокой точностью. Она может применяться в режиме двухмерной навигации – 2D определение навигационных параметров объектов на поверхности Земли) и в трехмерном режиме — ЗD (измерение навигационных параметров объектов над поверхностью Земли). Для нахождения трехмерного положения объекта требуется измерить навигационные параметры не менее 4-х НИСЗ, а при двухмерной навигации — не менее 3-х НИСЗ. В GPS используется псевдодальномерный способ определения позиции и псевдорадиально скоростной метод нахождения скорости объекта.

Для повышения точности результаты определений сглаживаются с помощью фильтра Калмана. Спутники GPS передают навигационные сигналы на двух частотах: F1 = 1575,42 и F2=1227,60 МГц. Режим излучения — непрерывный с псевдошумовой модуляцией. Навигационные сигналы представляют собой общедоступный С/А-код (course and acquisition), передаваемый только на частоте F1, и защищенный Р-код (precision code), излучаемый на частотах F1, F2.

В GPS для каждого НИСЗ определен свой уникальный С/А-код и уникальный Р-код. Такой вид разделения сигналов спутников называется кодовым. Он позволяет бортовой аппаратуре распознавать, какому спутнику принадлежит сигнал, когда все они осуществляют передачу на одной частоте GPS предоставляет два уровня обслуживания потребителей точные определения (РРS Precise positioning Service) и стандаршые данные (SPS Standart Positioning Service) PPS основывается на точном коде, а SPS — на общедоступном. Уровень обслуживания РРS предоставляется военным и федеральным службам США, а SPS — массовому гражданскому потребителю.Кроме навигационных сигналов, спутник регулярно передает сообщения, которые содержат информацию о состоянии спутника, его эфемеридах, системном времени, прогнозе ионосферной задержки, показателях работоспособности. Бортовая аппаратура GPS состоит из антенны и приемоиндикатора. ПИ включает в себя приемник, вычислитель, блоки памяти, устройства управления и индикации. В блоках памяти хранятся необходимые данные, программы решения задач и управления работой приемоиндикатора. В зависимости от назначения используется два вида бортовой аппаратуры: специальная и для массового потребителя.Специальная аппаратура предназначена для определения кинематических параметров ракет, военных самолетов, кораблей и специальных судов. При нахождении параметров объектов в ней используются Р и С/А коды. Эта аппаратура обеспечивает практически непрерывные определения с точностью: местоположения объекта — 5+7 м, скорости — 0.05+0.15 м/с, времени — 5+15 нс

Основное применение навигационных спутниковой системы GPS:

• Геодезия: с помощью GPS определяются точные координаты точек и границы земельных участков
• Картография: GPS используется в гражданской и военной картографии
• Навигация: с применением GPS  осуществляется как морская, так и дорожная навигация
• Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью GPS  ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением
• Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах, например США это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911.
• Тектоника, Тектоника плит: с помощью GPS ведутся наблюдения движений и колебаний плит
• Активный отдых: есть разные игры, где применяется GPS, например, Геокэшинг и др.
• Геотегинг: информация, например фотографии «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам.

Определение координат потребителя

Местоопределение по расстояниям до спутников

Координаты местоположения вычисляются на основе измеренных дальностей до спутников. Для определения местоположения необходимо провести четыре измерения. Трех измерений достаточно, если уметь исключать неправдоподобные решения какими-то другими доступными способами. Еще одно измерение требуется по техническим причинам.

 Измерение расстояния до спутника

Расстояние до спутника определяется путем измерения промежутка времени, который требуется радиосигналу, чтобы дойти от спутника до нас. Как спутник, так и приемник генерируют один и тот же псевдослучайный код строго одновременно в общей шкале времени. Определим, сколько времени потребовалось сигналу со спутника, чтобы дойти до нас, путем сравнения запаздывания его псевдослучайного кода по отношению коду приемника.

 Обеспечение совершенной временной привязки

Точная временная привязка — ключ к измерению расстояний до спутников. Спутники точны по времени, поскольку на борту у них — атомные часы. Часы приемника могут и не быть совершенными, так как их уход можно исключить при помощи тригонометрических вычислений. Для получения этой возможности необходимо произвести измерение расстояния до четвертого спутника. Необходимость в проведении четырех измерений определяет устройство приемника.

Определение положения спутника в космическом пространстве.

Для вычисления своих координат нам необходимо знать как расстояния до спутников, так и местонахождение каждого в космическом пространстве. Спутники GPS движутся настолько высоко, что их орбиты очень стабильны и их можно прогнозировать с большой точностью. Станции слежения постоянно измеряют незначительные изменения в орбитах, и данные об этих изменениях передаются со спутников.

 Ионосферные и атмосферные задержки сигналов.

Существуют два метода, которые можно использовать, чтобы сделать ошибку минимальной. Во-первых, можно предсказать, каково будет типичное изменение скорости в обычный день, при средних ионосферных условиях, а затем ввести поправку во все наши измерения. Но, к сожалению, не каждый день является обычным. Другой способ состоит в сравнении скоростей распространения двух сигналов, имеющих разные частоты несущих колебаний. Если сравнить время распространения двух разночастотных компонентов сигнала GPS, то сможем выяснить, какое замедление имело место. Этот метод корректировки достаточно сложен и используется только в наиболее совершенных, так называемых «двухчастотных» приемниках GPS.

 Многолучевость.

Еще один тип погрешностей — это ошибки «многолучевости». Они возникают, когда сигналы, передаваемые со спутника, многократно переотражаются от окружающих предметов и поверхностей до того, как попадают в приемник.

 Геометрический фактор уменьшения точности.

Хорошие приемники снабжают вычислительными процедурами, которые анализируют относительные положения всех доступных для наблюдения спутников и выбирают из них четырех кандидатов, т.е. наилучшим образом расположенные четыре спутника.

 Результирующая точность GPS.

Результирующая погрешность GPS определяется суммой погрешностей от различных источников. Вклад каждого из них варьируется в зависимости от атмосферных условий и качества оборудования. Кроме того, точность может быть целенаправленно снижена Министерством обороны США в результате установки на спутниках GPS так называемого режима S/A («Selective Availability»- ограниченный доступ). Этот режим разработан для того, чтобы не дать возможному противнику тактического преимущества в определении местоположения с помощью GPS. Когда и если этот режим установлен, он создает наиболее существенную компоненту суммарной погрешности GPS.

Вывод:

Точность измерений с помощью GPS зависит от конструкции и класса приёмника, числа и расположения спутников (в реальном времени), состояния ионосферы и атмосферы Земли (сильной облачности и т.д.), наличия помех и других факторов. «Бытовые» GPS-приборы, для «гражданских» пользователей, имеют погрешность измерения в диапазоне от ±3-5м до ±50м и больше (в среднем, реальная точность, при минимальной помехе, если новые модели, составляет ±5–15 метров в плане). Максимально возможная точность достигает +/- 2-3 метра на горизонтали. По высоте – от ±10-50м до ±100-150 метров. Высотомер будет точнее, если проводить калибровку цифрового барометра по ближайшей точке с известной точной высотой, (из обычного атласа, например) на ровном рельефе местности или по известному атмосферному давлению (если оно не слишком быстро меняется, при перемене погоды). Измерители высокой точности «геодезического класса» – точнее на два-три порядка (до сантиметра, в плане и по высоте). Реальная точность измерений обусловлена различными факторами, например – удаленностью от ближайшей базовой (корректирующей) станции в зоне обслуживания системы, кратностью (числом повторных измерений / накоплений на точке), соответствующим контролем качества работ, уровнем подготовки и практическим опытом специалиста. Такое высокоточное оборудование — может применяться только специализированными организациями, специальными службами и военными.

Для повышения точности навигации рекомендуется использовать GPS-приёмник – на открытом пространстве (нет рядом зданий или нависающих деревьев) с достаточно ровным рельефом местности, и подключать дополнительную внешнюю антенну. Для целей маркетинга, таким аппаратам приписывают «двойную надёжность и точность» (ссылаясь на, одновременно используемые, две спутниковые системы, Глонасс и Джипиэс), но реальное фактическое, улучшение параметров (повышение точности определения координат) может составлять величины — лишь до нескольких десятков процентов. Возможно только заметное сокращение времени горячего-тёплого старта и продолжительности измерений

Качество измерений джипиэс ухудшается, если спутники располагаются на небе плотным пучком или на одной линии и «далеко» – у линии горизонта (всё это называется «плохая геометрия») и есть помехи сигналу (закрывающие, отражающие сигнал высотные здания, деревья, крутые горы поблизости). На дневной стороне Земли (освещённой, в данный момент, Солнцем) — после прохождения через ионосферную плазму, радиосигналы ослабляются и искажаются на порядок сильнее, чем на ночной. Во время геомагнитной бури, после мощных солнечных вспышек — возможны перебои и длительные перерывы в работе спутникового навигационного оборудования.

Фактическая точность джипиэски зависит от типа GPS-приемника и особенностей сбора и обработки данных. Чем больше каналов (их должно быть не меньше 8) в навигаторе, тем точнее и быстрее определяются верные параметры. При получении «вспомогательных данных A-GPS сервера местоположения» по сети Интернет (путём пакетной передачи данных, в телефонах и смартфонах) — увеличивается скорость определения координат и расположения на карте

WAAS (Wide Area Augmentation System, на американском континенте) и EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Services, в Европе) – дифференциальные подсистемы, передающие через геостационарные (на высоте от 36 тыс.км в нижних широтах до 40 тысяч километров над средними и высокими широтами) спутники корректирующую информацию на GPS-приёмники (вводятся поправки). Они могут улучшить качество позиционирования ровера (полевого, передвижного приемника), если поблизости располагаются и работают наземные базовые корректирующие станции (стационарные приёмники опорного сигнала, уже имеющие высокоточную координатную привязку). При этом полевой и базовый приёмник должны одновременно отслеживать одноимённые спутники.

Для повышения скорости измерений рекомендуется применять многоканальный (8-и канальный и более), приёмник с внешней антеной. Должны быть видимы, как минимум, три спутника GPS. Чем их больше, тем лучше результат. Необходима, так же, хорошая видимость небосвода (открытый горизонт). Быстрый, «горячий» (длительностью в первые секунды) или «тёплый старт» (полминуты или минута, по времени) приёмного устройства — возможен, если он содержит актуальный, свежий альманах. В случае, когда навигатор долго не использовался, приёмник вынужден получать полный альманах и, при его включении, будет производиться холодный старт (если прибор с поддержкой AGPS, тогда быстрее — до нескольких секунд). Для определения только горизонтальных координат (широта / долгота) может быть достаточно сигналов трёх спутников. Для получения трёхмерных (с высотой) координат — нужны, как минимум, четыре сп-ка. Необходимость создания собственной, отечественной системы навигации связана с тем, что GPS – американская, потенциальных противников, которые могут в любой момент Ч, в своих военных и геополитических интересах, селективно отключить, «глушить», модифицировать её в каком-либо регионе или увеличить искусственную, систематическую ошибку в координатах (для иностранных потребителей этой услуги), что и в мирное время всегда присутствует.

Гурко: приемники ГЛОНАСС могут обеспечить миллиметровую точность

Ситуация меняется, если используется оборудование (смартфон, телефон, другие гаджеты), которое принимает и обрабатывает сигналы от двух систем. В этом случае пользователь получает значительный выигрыш. И в скорости определения координат (уменьшается «время старта»). И в надежности: для «стандартных» городских условий она возрастает с 60-70% (дает одна система) до абсолютного значения – практически 100% (дают две системы). Улучшается и точность, но не напрямую, а за счет «геометрического фактора» — из удвоенного числа навигационных спутников (ГЛОНАСС и GPS) легче выбрать «созвездие» из 4, которое обеспечит меньшие ошибки. Именно по этим причинам двухсистемное оборудование ГЛОНАСС/GPS с 2011 года стало мировым потребительским стандартом. 

Но реальная жизнь — это не только потребительские услуги. Сегодня на спутниковой навигации и сопутствующих сервисах, например, временной синхронизации, построена наша жизнь – движение поездов и самолетов, работа сетей сотовой связи и электросетей. 

При этом у оператора навигационной системы – а для GPS это был и остается Пентагон — есть возможность для определенной территории или отключить гражданский сигнал, или его искусственно загрубить. Такую функцию поддерживают новые поколения спутников GPS. 

Речь даже не идет о военном конфликте, можно использовать саму угрозу отключения «навигационного рубильника» для достижения политических или экономических целей. Поэтому от технологической зависимости в узкой области спутниковой навигации всего один шаг до зависимости экономической, политической и военной.

Критически важная инфраструктура, которой пользуется весь мир, и на которой основана значительная часть национальной экономики, не должна зависеть от одной страны или, если усилить тезис, от другой страны. Не случайно, все, кто в состоянии технологически и финансово создать собственные системы спутниковой навигации, а это Евросоюз и Китай, сегодня это делают. 

— Распространено мнение, что мы экспортируем ГЛОНАСС — военный и гражданский — в другие страны. Так ли это?

— Спутники ГЛОНАСС, как и GPS, передают два типа сигнала. Гражданский сигнал – общедоступен, при этом общедоступность ГЛОНАСС гарантируется государством. Закрытый сигнал предназначен для военных и других специальных приложений — помимо прочего, он лучше защищен от помех. 

В России двухсистемная навигация ГЛОНАСС/GPS принята за государственный стандарт, то есть обязательна для всех государственных применений и обеспечения безопасности. Сегодня ведутся переговоры со странами Таможенного союза – Белоруссией и Казахстаном о том, чтобы ГЛОНАСС/GPS стал государственным стандартом и на их территории.

Большинство современных потребительских устройств — смартфоны, автонавигаторы, профессиональное оборудование — сегодня используют двухсистемные приемники ГЛОНАСС/GPS. Спецификации для разработки таких приемников находятся в свободном доступе. Таким образом, «экспорт ГЛОНАСС» идет, но без участия российской стороны.

Ситуация здесь такая же как с GPS: страна — «собственник» системы бесплатно транслирует на весь мир навигационный сигнал, а оборудование для его приема может делать любой.

— Россия неоднократно заявляла, что ГЛОНАСС – единственная альтернатива GPS. Насколько это соответствует действительности? 

— Сегодня это правда. Но уже через три-четыре года ситуация изменится. Китайская система BeiDou сейчас работает как региональная система (т.е. дополняющая глобальные системы ГЛОНАСС и GPS) в пределах азиатско-тихоокеанского региона. Евросоюз приступил к развертыванию своей системы Galileo. Если не случится какого-то форс-мажора, то через несколько лет обе эти системы будут развернуты до глобального уровня. 

Но есть проблема тех, кто идет первыми. GPS и ГЛОНАСС создавались в 70-е годы и не учитывают все современные технологии. Galileo и особенно BeiDou проектировались десятилетиями позже, что позволило реализовать более современные и технически более продвинутые решения. Например, в китайской системе предусмотрена дополнительная функция передачи данных.

Системы и GPS, и ГЛОНАСС также модернизируются, но этот процесс дороже и дольше, поскольку необходимо постепенно замещать работающие на орбите спутники их новыми моделями.

— Некоторое время назад иранцы обманули GPS и приземлили у себя американский дрон. Реально заглушить сигналы таких систем? 

— Сигналы и GPS, и ГЛОНАСС можно заглушить локально. Причем, для этого вовсе не нужен доступ к системе управления самими спутниками – достаточно мощного источника радиопомех. Есть и имитаторы сигнала, которые создают у близко расположенных к ним навигационных приемников «видимость» нужных координат. Двухсистемный приемник ГЛОНАСС/GPS также можно и заглушить, и обмануть, но сделать это технически значительно сложнее и дороже.

— Часто говорят, что GPS значительно точнее ГЛОНАСС. Насколько это соответствует действительности?

— Реальная «потребительская» точность ГЛОНАСС сейчас в среднем уступает GPS. Если GPS-приемник теоретически позволяет определить местоположение на открытой местности с ошибкой не более 3-4 метров, то для ГЛОНАСС-приемника ошибка составит 7-10 метров. 

На практике эта теоретическая разница не важна по двум причинам. 

Первая состоит в том, что навигационных приемников, которые поддерживают только ГЛОНАСС, без GPS, просто не существует.

Вторая причина — в клиентском устройстве обычно производится дополнительная обработка сигнала, усредняющая результат. Например, если автомобиль едет по идеально прямому шоссе, то траектория движения машины по данным спутниковой навигации выглядит как довольно замысловатая изломанная линия с множеством хаотичных отклонений. При этом программное обеспечение навигатора привязывает эту линию к графе дорог на цифровой карте, в результате на экране получается то самое идеально прямое шоссе, что и в реальности. 

— Говорят, что существуют секретные приемники ГЛОНАСС, обеспечивающие миллиметровую точность. Действительно такие есть?

— Такие приемники есть, и они совсем не секретные. Эту задачу можно решить двумя способами.

Первый вариант: высокоточные измерения, например геодезические, проводятся с использованием наземных базовых станций, что позволяет в режиме дифференциальной коррекции (вычисляя разности между своим местоположением и координатами базовой станции, которые известны очень точно) получать координаты более точно. Если воспользоваться режимом постобработки, то можно добиться той самой миллиметровой точности. 

Второй вариант: использовать множество измерений для одной точки, накапливая их и затем обрабатывая. Это позволяет улучшить точность до единиц сантиметров. Правда, такой подход применим только для «неподвижных» объектов, например, геодезической аппаратуры. 

Сегодня в России единой системы наземных базовых станций для дифференциальной коррекции (уточнения) сигнала не существует. Министерства, ведомства, регионы, крупные корпорации независимо друг от друга устанавливают станции, которые никак не связаны между собой и зачастую мешают соседям. Нет даже единой системы регистрации этих базовых станций. Это задачи, которые НП «ГЛОНАСС» как федеральный сетевой оператор будет решать.

На территории Европы работает широкозонная система EGNOS, в США — WAAS, в Японии — MSAS, Индия сейчас также строит систему GAGAN. Управление железнодорожным, воздушным транспортом, геодезия и кадастр, сельское хозяйство, земледелие в большинстве развитых стран давно идут с применением высокоточной навигации. Это повышает производительность на десятки процентов, а иногда и в разы.

— Насколько я понимаю, точность ГЛОНАСС можно увеличить, только запустив новые более совершенные спутники… 

— Точность позиционирования можно увеличить с помощью как спутниковой, так и наземной инфраструктуры. 

В России в рамках федеральной целевой программы сейчас создается система широкозонной дифференциальной коррекции (СДКМ). Поправки в СДКМ будут передаваться через спутниковый канал связи с расположенных на геостационарной орбите спутников «Луч». Точность определения координат улучшится до единиц дециметров, но аппаратуру потребителей (тех, кому нужна такая высокая точность) придется оснастить специальными модемами, способными принимать спутниковый сигнал.

Оппоненты проекта СДКМ указывают, что для большинства профессиональных приложений, например геодезии, точности в 20-30 см явно недостаточно, а для обычных потребителей, допустим автомобилистов, она, напротив, избыточна. Увеличить точность еще больше не позволяют физические факторы – возмущения ионосферы и тропосферы, которые неизбежно искажают спутниковый сигнал.

Есть и соображения цены. Одна наземная базовая станция (а их нужно для СДКМ на территории России не менее 10), которая передает навигационный сигнал для внесения поправок, стоит примерно 15-20 тысяч долларов. А вот один спутник связи с учетом его вывода на геостационарную орбиту — 100 миллионов долларов.

Существует альтернативный вариант – без спутника, но для этого необходимо около трех сотен базовых станций дифференциальной коррекции, размещенных в наиболее развитых регионах страны. Такой вариант может обеспечить миллиметровую точность при существенно меньших затратах. 

— Действительно ли, что в спутниках ГЛОНАСС используется исключительно российская электроника?

— К сожалению, это не так. Производство собственной специальной электроники экономически очень невыгодно — гигантские капиталовложения невозможно окупить на малых сериях, а микроэлектроника категории Space – это всегда штучная продукция. Поэтому электронную начинку спутников приходится покупать за границей, что само по себе непростая задача. 

— Возможности GPS дополняются различными усовершенствованиями, например функцией A-GPS. Для ГЛОНАСС такого не сделать? 

— Функция Assisted GPS (или A-GPS) подразумевает передачу в навигационный приемник данных о положении GPS-спутников по интернет-каналу. Она не повышает точность, а снижает время, необходимое для определения местоположения приемника, особенно при «холодном» старте, когда он включается после длительного периода бездействия. A-GPS обычно используется в смартфонах и автонавигаторах с интернет-подключением.

Для ГЛОНАСС эта возможность пока не реализована, но технически для нее нет никаких препятствий. Необходимо, чтобы инфраструктура сотового оператора брала эти данные из какого-то источника и отправляла на приемник. Это несложно сделать, но пока экономической целесообразности участники рынка здесь не увидели. 

— Надо сказать, что приемники ГЛОНАСС дорогие и неудобные. 

— Времена, когда приемники ГЛОНАСС выглядели как типичный продукт отечественной конверсионной промышленности, давно прошли. Сегодня решения ГЛОНАСС/GPS практически не отличаются по габаритам, стоимости и энергопотреблению от GPS-аналогов, а изготавливается большая часть продукции за рубежом. Кроме того, все приемники гражданского назначения с ГЛОНАСС-функциональностью двухсистемные и одновременно могут работать с сигналом GPS.

На размеры и стоимость приемника больше влияет его предназначение: сделан ли он для потребительских устройств или профессионального применения на транспорте, в геодезическом оборудовании и т.п. Крупнейшие мировые производители чипсетов, например, Qualcomm, Broadcomm, Texas Instruments, начиная с 2011 года внедрили поддержку ГЛОНАСС в свою мэйнстрим-продукцию. Соответственно, большинство смартфонов, планшетов, PND, встроенных систем автонавигации на базе новых чипсетов умеют работать и с GPS, и с ГЛОНАСС.

Если говорить о профессиональном (автомобильном) оборудовании, то основная доля того, что продается в России, сделана на чипсетах ГЛОНАСС/GPS российского КБ «ГеоСтар навигация», MStar (ныне часть тайваньского холдинга Mediatek) и швейцарской STMicroelectronics. На их продукцию ориентировано большинство компаний, хотя на рынке присутствует еще ряд поставщиков чипсетов второго-третьего эшелона, в основном из России и Китая.

Проблему для российских производителей чипсетов по-прежнему представляет сложность перехода на более совершенные топологические нормы. Например, последний приемник «ГеоСтар навигации» Геос-3М производится по нормам 130 нм, тогда как зарубежным конкурентам доступны 45 нм. Чем совершеннее техпроцесс, тем ниже себестоимость, а значит, выше конкурентоспособность.

В России сейчас одна-две команды, которые могли бы разработать и предъявить приемники по топологиям 45 нм и лучше. Разработка подобной продукции займет 2-3 года и потребует инвестиций в десятки миллионов долларов. Окупить эти затраты, с учетом жизненного цикла продукта не более 3-4 лет, можно только на рынке емкостью в десятки миллионов устройств в год, которого ни в России, ни суммарно в государствах ЕврАзЭС пока нет. Возможно, рост рынка экспоненциально ускорит готовящееся обязательное оснащение автотранспорта терминалами системы «ЭРА-ГЛОНАСС», которое должно быть завершено до 2020 года.

Но для того, чтобы реализовать этот потенциал, необходима государственная поддержка российских дизайн-центров, инвестиции в разработки со стороны российских госинститутов, продвижение технологий на экспорт. 

В целом нам нужно перейти от импорта к экспорту высокотехнологичных продуктов. Без масштабирования своих технических решений и технологических достижений в глобальном рыночном мире обеспечить свою конкурентоспособность невозможно.

Даже если на территории России реализуются все крупные проекты на автотранспорте, мы получим внутренний рынок с потенциалом спроса несколько миллионов устройств в год и несколько десятков миллионов потребителей. А мировые лидеры имеют масштабы в десятки раз большие.

принципы работы системы, точность определения координат.

Назначение

GPS (Global Positioning System — система глобального позиционирования), позволяет точно определять трехмерные координаты объекта, оснащенного GPS приемником: широту, долготу, высоту над уровнем моря, а также его скорость, направление движения и текущее время.

Краткая история

Система GPS разработана Министерством обороны США. Работы над этим проектом, именуемым NAVSTAR (NAVigation System with Ttiming and Ranging — навигационная система определения времени и дальности), начались еще в 70-х годах. Первый спутник системы был выведен на орбиту в 1974 г, а последний из 24 необходимых для покрытия всей Земли только в 1993 г. Первоначально GPS предназначалась для эксплуатации военными США (навигация, наведение ракет и пр.), однако с 1983 года, когда был сбит самолет Корейских авиалиний, случайно вторгшийся на территорию СССР, использование GPS было разрешено и для гражданских. При этом, точность передаваемого сигнала загрублялась с помощью специального алгоритма, но в 2000 году и это ограничение было снято. Министерство обороны США продолжает обслуживать и модернизировать систему GPS. Именно эта полная зависимость работоспособности системы от правительства одной страны (например, во время первой войны в Персидском заливе, гражданский сектор GPS был отключён) побудило другие страны развивать альтернативные системы навигации (российская — ГЛОНАСС, европейская — GALILEO, китайская — Beidou).

Принципы определения координат

Принцип определения координат объекта в системе GPS основан на вычислении расстояния от него до нескольких спутников, точные координаты которых известны. Информация о расстоянии минимум до 3 спутников позволяет определять координаты объекта как точку пересечения сфер, центр которых спутники, а радиус измеренное расстояние.

На самом деле точек пересечения сфер две, но одну из них можно отбросить т.к. она находится либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Расстояние до каждого из спутников определяется как время прохождения радиосигнала от спутника до приемника умноженное на скорость света. Возникает задача точного определения времени прохождения радиосигнала. Она решается за счет генерации и передачи со спутника сигнала, модулируемого с помощью специальной последовательности. Точно такой же сигнал генерируется в GPS приемнике, а анализ отставания принятого сигнала от внутреннего позволяет определить время его прохождения.

Для точного определения времени прохождения сигнала часы GPS приемника и спутника должны быть максимально синхронизированы, отклонение даже на несколько микросекунд приводит к погрешности измерения в десятки километров. На спутнике для этих целей имеются высокоточные атомные часы. Установить аналогичные часы в GPS приемник невозможно (используются обычные кварцевые часы), поэтому для синхронизации времени используются дополнительные сигналы, как минимум с еще одного спутника. Предполагается, что если время в GPS приемнике синхронизировано точно, то окружность с радиусом равным расстоянию от четвертого спутника пересечет туже точку, что и окружности от остальных трех спутников. GPS приемник корректирует свои часы, до тех пор пока это условие не выполнится. Таким образом, для точного определения положения объекта в трехмерном пространстве (3D) необходимы сигналы минимум от 4 спутников (от 3 спутников без определения высоты над поверхностью земли — 2D). На практике при хорошей видимости небосвода GPS приемники получают сигналы сразу от множества спутников (до 10-12), что позволяет им синхронизировать часы и определять координаты с достаточно высокой точностью.

Наряду с последовательностью, по которой определяется время распространения сигнала, каждый спутник передает двоичную информацию — альманах и эфемериды. Альманах содержит информацию о текущем состоянии и расчетную орбиту всех спутников (получив информацию от одного спутника, появляется возможность сузить секторы поиска сигналов других спутников). Эфемериды — уточненную информацию об орбите конкретного спутника, передающего сигнал (реальная орбита спутника может отличаться от расчетной). Именно точные данные о текущем положении спутников позволяют GPS приемнику рассчитывать относительно них собственное местоположение.

Точность GPS

Типичная точность определения координат GPS приемниками в горизонтальной плоскости составляет примерно 1-2 метра (при условии хорошей видимости небосвода). Точность определения высоты над уровнем моря обычно в 2-5 раз ниже, чем точность определения координат в тех же условиях (т.е. в идеальных условиях 2-10 метра).

Уровень приёма сигнала от спутников, а как следствие и точность определения координат, ухудшается под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Также нормальному приёму сигналов GPS могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников. Однако, главным фактором, влияющим на снижение точности GPS, является неполная видимость небосвода. Особенно ярко это проявляется при нахождении GPS приемника в условиях плотной городской застройки, когда значительная часть небосвода скрыта рядом расположенными строениями, навесами и прочими препятствиями. Точность определения координат при этом может падать до 20-30 метров, а иногда и более. Препятствия не пропускают сигналы от части потенциально доступных в данной точке Земли спутников. Это приводит к тому, что расчеты ведутся по меньшему числу сигналов от спутников, находящихся преимущественно в одном секторе небосвода. Смещение при этом возникает обычно в перпендикулярной плоскости относительно препятствия.

Вообще, если говорить о точности GPS в условиях города, на основе накопленных статистических данных и собственного опыта можно сделать следующие выводы. Точность определения координат при нахождении транспортного средства на открытой местности (парковки, площади и пр.) и при движении по крупным автомагистралям, многополосным дорогам будет составлять 1-2 метра. При движении по узким улицам, особенно, когда вдоль них имеются близко расположенные дома, точность составит 4-10 метров. При нахождении автомобиля в «дворовых колодцах», очень близко к высотным домам и т.п. точность может падать вплоть до 20-30 метров.

Конечно, точность определения координат очень зависит и от качества самого приемника GPS, а также используемых антенн и их правильного размещения на транспортном средстве

GPS с точностью до сантиметра / Блог компании Intel / Хабр

Современные технологии спутниковой навигации обеспечивают определение местоположения с точностью порядка 10-15 метров. В большинстве случаев этого достаточно, однако, в некоторых случаях требуется большее: скажем, автономный дрон, достаточно быстро перемещающийся над земной поверхностью, будет чувствовать себя неуютно в облаке из координат с метровыми погрешностями.

Для уточнения спутниковых данных используются дифференциальные системы и RTK (real-time kinematics) технологии, но до последнего времени подобного рода устройства были дорогими и громоздкими. Последние достижения цифровой техники в лице микрокомпьютера Intel Edison помогли решить эту проблему. Итак, встречайте: Reach – первый компактный высокоточный приемник GPS, очень доступный по цене, и, к тому же, разработанный в России.

Для начала поговорим немного о дифференциальных технологиях, которые позволяют Reach добиться столь высоких результатов. Они хорошо известны и достаточно широко внедрены. Дифференциальные навигационные системы (ДНСС) улучшают точность определения местоположения и скорости подвижных пользователей за счет предоставления данных измерений или корректирующей информации от одной или нескольких базовых станций.

Координаты каждой базовой станции известны с высокой точностью, так что данные измерений станцией служат для калибровки данных расположенных рядом приемников. Приемник может вычислить теоретическое расстояние и время распространения сигнала между собой и каждым спутником. Когда эти теоретические значения сравниваются с данными наблюдений, то различия представляют собой ошибки в принимаемых сигналах. Корректирующая информация (данные RTCM) получается из этих различий.

Точность определения координат с помощью Reach. Обратите внимание на масштаб.

Корректирующая информация может получаться устройством Reach из двух источников. Во-первых от общедоступной сети базовых станций через интернет по протоколу NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol), реализующего идею, описанную выше, применительно к глобальной компьютерной сети. Во-вторых, с помощью второго Reach, занимающего стационарную позицию вблизи первого и являющегося, таким образом, базовой станцией в терминах ДНСС. Второй вариант предпочтительнее (точность ДНСС сильно падает с увеличением расстояния между приемником и БС) – не случайно в рамках краудфайндинговой кампании на сайте Indiegogo создатели Reach первой позицией предлагают выкупить именно набор из двух устройств.

Спецификации устройства приведены в таблице ниже. Как видим, аппаратно он состоит из 3 частей: компьютера Intel Edison, на котором запущена ОС Linux и RTK софт RTKLIB; GPS-приемника U-blox NEO-M8T и антенны Tallysman TW4721. Обратите внимание, что приемник поддерживает все существующие спутниковые системы: GPS, ГЛОНАСС, Beidou и QZSS. Вся эта совокупность программных и аппаратных компонент обеспечивает впечатляющую точность определения координат: до 2 см!

Кому может пригодиться подобное устройство? Как уже говорилось выше, создателям различной мобильной робототехники, автономной и не очень; причем, учитывая его низкую стоимость (предзаказ $545 за двойной набор и $285 за одинарный) не только профессиональным, но и энтузиастам. Далее, составителям различного рода карт, опять-таки, в том числе и любителям. Ну и просто занудам, желающим знать свое местоположение с точностью до сантиметра.

Создатели Reach, компания Emlid, удачно выступили на сайте indiegogo: меньше чем за месяц собрана почти двойная запрошенная сумма. Значит, проект непременно будет реализован. У вас еще есть время, чтобы сделать предзаказ и оказаться в числе первых, кто получит принципиально новое навигационное устройство. Рассылка товара запланирована на июль.

Какая точность определения координат по GPS, A-GPS (LBS) и WiFi?

Местоположение детского браслета-часов на карте определяется двумя способами фиксации: или по GPS (спутники), WiFi (база данных Google) или LBS (A-GPS по вышкам сотовой связи). Устройство с заданным интервалом обновления данных (задаётся в приложении на смартфоне) включают на приём модуль позиционирования (GPS и AGPS одновременно), в это время на экране часов появляется логотип «кружок» или «кружок с точкой внутри». В это время маячок определяет координату по спутникам GPS и если сигнал от спутников зафиксирован, то сохраняет координату GPS положения устройства. Если спутники найдены не были (часы в помещении), то поиск переключается на WiFi сканер. Если спутники и WiFi найдены небыли, то часы берут координату местоположения, базируясь на данные от Вашего оператора сотовой связи.

Таким образом, точность определения координат полностью зависит от типа фиксации позиционирования часов. Если часы находятся в помещении, метро или в любом месте, где отсутствует «небо над головой», то часы определяют координату по данным базы Google по WiFi точкам доступа или по вышках/ретрансляторах сотовой связи мобильного оператора, и в этом случае, точность определяется данными от оператора сотовой связи и может варьироваться от 50 метров до 2 километров в зависимости от уровня сигнала сотовой сети и количества вышек/ретрансляторов одновременно перекрывающих территорию. Для примера, при нахождении часов в центре крупного города — средний разброс точности по LBS составляет от 50 до 500метров. Точность WiFi определяется серверами компании Google и зависит от данных регистрации точки доступа интернет-провайдером. На практике, в городах точность определения в основном составляет 50-200м. Данные LBS и WiFi точек доступа регулярно обновляются операторами связи, что позволяет корректировать актуальное местоположение. Функция LBS работает как опция у некоторых операторов «найди мой телефон» и никак не зависит от часов. При этом, если территорию обслуживает одна вышка сотовой связи, вдали от города, то местоположение будет определено как координата данной вышки. В любом случае, даже если ребёнок находится в здании, Вы сможете определить его довольно точное местоположение на карте.

А если часы находятся на улице под открытым небом, то координата определяется по спутникам GPS. Позиционирование координат детских часов по GPS зависит от количества зафиксированных маячком спутников. В любом случае точность определения координат по GPS составляет около 15 метров (в идеальных условиях приёма GPS составляет до 10 метров). Если необходимо отслеживать только координаты GPS, то фиксацию по WiFi и LBS можно отключить в настройках устройства. Купить детские часы smart baby watch предлагаем в интернет-магазине smartbalance.by.

Точность измерений навигаторов ГЛОНАСС / GPS

Точность измерений с помощью ГЛОНАСС/GPS зависит от конструкции и класса приёмника, числа и расположения спутников (в реальном времени), состояния ионосферы и атмосферы Земли (сильной облачности и т.д.), наличия помех и других факторов.

«Бытовые» GPS-приборы, для «гражданских» пользователей, имеют погрешность измерения в диапазоне от ±3-5м до ±50м и больше (в среднем, реальная точность, при минимальной помехе, если новые модели, составляет ±5–15 метров в плане). Максимально возможная точность достигает +/- 2-3 метра на горизонтали. По высоте – от ±10-50м до ±100-150 метров. Высотомер будет точнее, если проводить калибровку цифрового барометра по ближайшей точке с известной точной высотой, (из обычного атласа, например) на ровном рельефе местности или по известному атмосферному давлению (если оно не слишком быстро меняется, при перемене погоды).

Измерители высокой точности «геодезического класса» – точнее на два-три порядка (до сантиметра, в плане и по высоте). Реальная точность измерений обусловлена различными факторами, например – удаленностью от ближайшей базовой (корректирующей) станции в зоне обслуживания системы, кратностью (числом повторных измерений / накоплений на точке), соответствующим контролем качества работ, уровнем подготовки и практическим опытом специалиста. Такое высокоточное оборудование — может применяться только специализированными организациями, специальными службами и военными.

Для повышения точности навигации рекомендуется использовать многосистемный Glanas / GPS-приёмник – на открытом пространстве (нет рядом зданий или нависающих деревьев) с достаточно ровным рельефом местности, и подключать дополнительную внешнюю антенну. Для целей маркетинга, таким аппаратам приписывают «двойную надёжность и точность» (ссылаясь на, одновременно используемые, две спутниковые системы, Глонасс и Джипиэс), но реальное фактическое, улучшение параметров (повышение точности определения координат) может составлять величины — лишь до нескольких десятков процентов. Возможно только заметное сокращение времени горячего-тёплого старта и продолжительности измерений.

Качество измерений джипиэс ухудшается, если спутники располагаются на небе плотным пучком или на одной линии и «далеко» – у линии горизонта (всё это называется «плохая геометрия») и есть помехи сигналу (закрывающие, отражающие сигнал высотные здания, деревья, крутые горы поблизости). На дневной стороне Земли (освещённой, в данный момент, Солнцем) — после прохождения через ионосферную плазму, радиосигналы ослабляются и искажаются на порядок сильнее, чем на ночной. Во время геомагнитной бури, после мощных солнечных вспышек — возможны перебои и длительные перерывы в работе спутникового навигационного оборудования.

Фактическая точность джипиэски зависит от типа GPS-приемника и особенностей сбора и обработки данных. Чем больше каналов (их должно быть не меньше 8) в навигаторе, тем точнее и быстрее определяются верные параметры. При получении «вспомогательных данных A-GPS сервера местоположения» по сети Интернет (путём пакетной передачи данных, в телефонах и смартфонах) — увеличивается скорость определения координат и расположения на карте.

WAAS (Wide Area Augmentation System, на американском континенте) и EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Services, в Европе) – дифференциальные подсистемы, передающие через геостационарные (на высоте от 36 тыс.км в нижних широтах до 40 тысяч километров над средними и высокими широтами) спутники корректирующую информацию на G P S-приёмники (вводятся поправки). Они могут улучшить качество позиционирования ровера (полевого, передвижного приемника), если поблизости располагаются и работают наземные базовые корректирующие станции (стационарные приёмники опорного сигнала, уже имеющие высокоточную координатную привязку). При этом полевой и базовый приёмник должны одновременно отслеживать одноимённые спутники.

Для повышения скорости измерений рекомендуется применять многоканальный (8-и канальный и более), многосистемный (Glonas / Gps) приёмник с внешней антеной. Должны быть видимы, как минимум, три спутника ГПС и два ГЛОНАСС. Чем их больше, тем лучше результат. Необходима, так же, хорошая видимость небосвода (открытый горизонт).

Быстрый, «горячий» (длительностью в первые секунды) или «тёплый старт» (полминуты или минута, по времени) приёмного устройства — возможен, если он содержит актуальный, свежий альманах. В случае, когда навигатор долго не использовался, приёмник вынужден получать полный альманах и, при его включении, будет производиться холодный старт (если прибор с поддержкой AGPS, тогда быстрее — до нескольких секунд).

Для определения только горизонтальных координат (широта / долгота) может быть достаточно сигналов трёх спутников. Для получения трёхмерных (с высотой) координат — нужны, как минимум, четыре сп-ка.

Подробнее читайте на Интернет-странице сайта:
http://www.kakras.ru/doc/glonass-gps-galileo.html
Опубликовано: 29 ноября 2014 года

Система GPS. Взгляд изнутри и снаружи

Немного истории.

Как нередко бывает с высокотехнологичными проектами, инициаторами разработки и реализации системы GPS (Global Positioning System — система глобального позиционирования) стали военные. Проект спутниковой сети для определения координат в режиме реального времени в любой точке земного шара был назван Navstar (Navigation system with timing and ranging — навигационная система определения времени и дальности), тогда как аббревиатура GPS появилась позднее, когда система стала использоваться не только в оборонных, но и в гражданских целях.

Первые шаги по развертыванию навигационной сети были предприняты в середине семидесятых, коммерческая же эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась с 1995 года. В настоящий момент в работе находятся 28 спутников, равномерно распределенных по орбитам с высотой 20350 км (для полнофункциональной работы достаточно 24 спутников).

Несколько забегая вперед, скажу, что поистине ключевым моментом в истории GPS стало решение президента США об отмене с 1 мая 2000 года режима так называемого селективного доступа (SA — selective availability) — погрешности, искусственно вносимой в спутниковые сигналы для неточной работы гражданских GPS-приемников. С этого момента любительский терминал может определять координаты с точностью в несколько метров (ранее погрешность составляла десятки метров)! На рис.1 представлены ошибки в навигации до и после отключения режима селективного доступа (данные U.S. Space Command ).Рис1.

Попробуем разобраться в общих чертах, как устроена система глобального позиционирования, а потом коснемся ряда пользовательских аспектов. Рассмотрение же начнем с принципа определения дальности, лежащего в основе работы космической навигационной системы.

Алгоритм измерения расстояния от точки наблюдения до спутника.

Дальнометрия основана на вычислении расстояния по временной задержке распространения радиосигнала от спутника к приемнику. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить, просто умножив время на скорость света.

Каждый спутник системы GPS непрерывно генерирует радиоволны двух частот — L1=1575.42МГц и L2=1227.60МГц. Мощность передатчика составляет 50 и 8 Ватт соответственно. Навигационный сигнал представляет собой фазовоманипулированный псевдослучайный код PRN (Pseudo Random Number code). PRN бывает двух типов: первый, C/A-код (Coarse Acquisition code — грубый код) используется в гражданских приемниках, второй Р-код (Precision code — точный код), используется в военных целях, а также, иногда, для решения задач геодезии и картографии. Частота L1 модулируется как С/А, так и Р-кодом, частота L2 существует только для передачи Р-кода. Кроме описанных, существует еще и Y-код, представляющий собой зашифрованный Р-код (в военное время система шифровки может меняться).

Период повторения кода довольно велик (например, для P-кода он равен 267 дням). Каждый GPS-приемник имеет собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, по времени задержки между одинаковыми участками кода, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние до спутника.

Одной из основных технических сложностей описанного выше метода является синхронизация часов на спутнике и в приемнике. Даже мизерная по обычным меркам погрешность может привести к огромной ошибке в определении расстояния. Каждый спутник несет на борту высокоточные атомные часы. Понятно, что устанавливать подобную штуку в каждый приемник невозможно. Поэтому для коррекции ошибок в определении координат из-за погрешностей встроенных в приемник часов используется некоторая избыточность в данных, необходимых для однозначной привязки к местности (подробней об этом чуть позже).

Кроме самих навигационных сигналов, спутник непрерывно передает разного рода служебную информацию. Приемник получает, например, эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере (так как скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), а также сведения о работоспособности спутника (так называемых «альманах», содержащий обновляемые каждые 12.5 минут сведения о состоянии и орбитах всех спутников). Эти данные передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.

Общие принципы определения координат с помощью GPS.

Основой идеи определения координат GPS-приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным (эти данные содержатся в принятом со спутника альманахе). В геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами называется трилатерацией. Рис2.

Если известно расстояние А до одного спутника, то координаты приемника определить нельзя (он может находится в любой точке сферы радиусом А, описанной вокруг спутника). Пусть известна удаленность В приемника от второго спутника. В этом случае определение координат также не представляется возможным — объект находится где-то на окружности (она показана синим цветом на рис.2), которая является пересечением двух сфер. Расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек (обозначены двумя жирными синими точками на рис.2). Этого уже достаточно для однозначного определения координат — дело в том, что из двух возможных точек расположения приемника лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близи от нее), а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, теоретически для трехмерной навигации достаточно знать расстояния от приемника до трех спутников.

Однако в жизни все не так просто. Приведенные выше рассуждения были сделаны для случая, когда расстояния от точки наблюдения до спутников известны с абсолютной точностью. Разумеется, как бы ни изощрялись инженеры, некоторая погрешность всегда имеет место (хотя бы по указанной в предыдущем разделе неточной синхронизации часов приемника и спутника, зависимости скорости света от состояния атмосферы и т.п.). Поэтому для определения трехмерных координат приемника привлекаются не три, а минимум четыре спутника.

Получив сигнал от четырех (или больше) спутников, приемник ищет точку пересечения соответствующих сфер. Если такой точки нет, процессор приемника начинает методом последовательных приближений корректировать свои часы до тех пор, пока не добьется пересечения всех сфер в одной точке.

Следует отметить, что точность определения координат связана не только с прецизионным расчетом расстояния от приемника до спутников, но и с величиной погрешности задания местоположения самих спутников. Для контроля орбит и координат спутников существуют четыре наземных станции слежения, системы связи и центр управления, подконтрольные Министерству Обороны США. Станции слежения постоянно ведут наблюдения за всеми спутниками системы и передают данные об их орбитах в центр управления, где вычисляются уточнённые элементы траекторий и поправки спутниковых часов. Указанные параметры вносятся в альманах и передаются на спутники, а те, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим приемникам.

Кроме перечисленных, существует еще масса специальных систем, увеличивающих точность навигации, — например, особые схемы обработки сигнала снижают ошибки от интерференции (взаимодействия прямого спутникового сигнала с отраженным, например, от зданий). Мы не будем углубляться в особенности функционирования этих устройств, чтобы излишне не осложнять текст.

После отмены описанного выше режима селективного доступа гражданские приемники «привязываются к местности» с погрешностью 3-5 метров (высота определяется с точностью около 10 метров). Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников (большинство современных аппаратов имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников).

Качественно уменьшить ошибку (до нескольких сантиметров) в измерении координат позволяет режим так называемой дифференциальной коррекции (DGPS — Differential GPS). Дифференциальный режим состоит в использовании двух приемников — один неподвижно находится в точке с известными координатами и называется «базовым», а второй, как и раньше, является мобильным. Данные, полученные базовым приемником, используются для коррекции информации, собранной передвижным аппаратом. Коррекция может осуществляться как в режиме реального времени, так и при «оффлайновой» обработке данных, например, на компьютере.

Обычно в качестве базового используется профессиональный приемник, принадлежащий какой-либо компании, специализирующейся на оказании услуг навигации или занимающейся геодезией. Например, в феврале 1998 года недалеко от Санкт-Петербурга компания «НавГеоКом» установила первую в России наземную станцию дифференциального GPS. Мощность передатчика станции — 100 Ватт (частота 298,5 кГц), что позволяет пользоваться DGPS при удалении от станции на расстояния до 300 км по морю и до 150 км по суше. Кроме наземных базовых приемников, для дифференциальной коррекции GPS-данных можно использовать спутниковую систему дифференциального сервиса компании OmniStar. Данные для коррекции передаются с нескольких геостационарных спутников компании.

Следует заметить, что основными заказчиками дифференциальной коррекции являются геодезические и топографические службы — для частного пользователя DGPS не представляет интереса из-за высокой стоимости (пакет услуг OmniStar на территории Европы стоит более 1500 долларов в год) и громоздкости оборудования. Да и вряд ли в повседневной жизни возникают ситуации, когда надо знать свои абсолютные географические координаты с погрешностью 10-30 см.

В заключение части, повествующей о «теоретических» аспектах функционирования GPS, скажу, что Россия и в случае с космической навигацией пошла своим путем и развивает собственную систему ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Но из-за отсутствия должных инвестиций в настоящее время на орбите находятся лишь семь спутников из двадцати четырех, необходимых для нормального функционирования системы…

Краткие субъективные заметки пользователя GPS.

Так уж получилось, что о возможности определять свое местоположение с помощью носимого приборчика размерами с сотовый телефон я узнал году в девяносто седьмом из какого-то журнала. Однако замечательные перспективы, нарисованные авторами статьи, были безжалостно разбиты заявленной в тексте ценой навигационного аппарата — почти 400 долларов!

Года через полтора (в августе 1998) судьба занесла меня в маленький спортивный магазинчик в американском городе Бостон. Какого же было мое удивление и радость, когда на одной из витрин я случайно заметил несколько разных навигаторов, самый дорогой из которых стоил 250 долларов (простенькие же модели предлагались за $99). Конечно, уйти из магазина без прибора я уже не мог, поэтому принялся пытать продавцов о характеристиках, преимуществах и недостатках каждой модели. Ничего вразумительного от них я не услышал (и отнюдь не из-за того, что плохо знаю английский), так что пришлось разбираться во всем самому. И в результате, как это нередко бывает, была приобретена самая продвинутая и дорогая модель — Garmin GPS II+, а также специальный чехол к ней и шнур для питания от гнезда прикуривателя автомобиля. В магазине имелось еще два аксессуара для теперь уже моего аппарата — устройство для крепления навигатора на велосипедном руле и шнур для соединения с РС. Последний я долго крутил в руках, но, в конце концов, все же решил не покупать из-за немалой цены (немногим более 30 долларов). Как потом оказалось, шнур я не купил совершенно правильно, ибо все взаимодействие прибора с компьютером сводится к «сливке» в ЭВМ пройденного маршрута (а также, думаю, координат в режиме реального времени, но насчет этого есть определенные сомнения), да и то при условии покупки софта от Garmin. Возможность загружать в прибор карты, к сожалению, отсутствует.

Давать подробное описание своего прибора я не буду хотя бы потому, что он уже снят с производства (желающие ознакомиться с подробной технической характеристикой могут сделать это здесь ). Замечу лишь, что вес навигатора — 255 гр., размеры — 59х127х41 мм. Благодаря своему треугольному сечению аппарат исключительно устойчиво располагается на столе или панели приборов автомобиля (для более прочной фиксации в комплект входит липучка Velcro). Питание осуществляется от четырех пальчиковых батареек АА (их хватает лишь на 24 часа непрерывной работы) или внешнего источника. Попробую рассказать об основных возможностях моего прибора, которые, думаю, имеет подавляющее большинство присутствующих на рынке навигаторов.

С первого взгляда GPS II+ можно принять за мобильный телефон, выпущенный пару лет назад. Лишь только присмотревшись, замечаешь необычно толстую антенну, огромный дисплей (56х38 мм!) и малое, по телефонным меркам, количество клавиш.

При включении прибора начинается процесс сбора информации со спутников, а на экране появляется простенькая мультипликация (вращающийся земной шар). После первоначальной инициализации (которая в открытом месте занимает пару минут) на дисплее возникает примитивная карта неба с номерами видимых спутников, а рядом — гистограмма, свидетельствующая об уровне сигнала от каждого спутника. Кроме того, указывается погрешность навигации (в метрах) — чем больше спутников видит прибор, тем, разумеется, точнее будет определение координат.

Интерфейс GPS II+ построен по принципу «перелистываемых» страниц (для этого даже есть специальная кнопка PAGE). Выше была описана «страница спутников», а кроме нее, есть «страница навигации», «карта», «страница возврата», «страница меню» и ряд других. Следует заметить, что описываемый аппарат не русифицирован, однако даже с плохим знанием английского можно понять его работу.

На странице навигации отображаются: абсолютные географические координаты, пройденный путь, мгновенная и средняя скорости движения, высота над уровнем моря, время движения и, в верхней части экрана, электронный компас. Надо сказать, что высота определяется с гораздо большей погрешностью, чем две горизонтальные координаты (на этот счет есть даже специальная ремарка в руководстве пользователя), что не позволяет использовать GPS, например, для определения высоты парапланеристами. Зато мгновенная скорость вычисляется исключительно точно (особенно для быстродвижущихся объектов), что дает возможность использовать прибор для определения скорости снегоходов (спидометры которых имеют обыкновение значительно врать). Могу дать «вредный совет» — взяв напрокат автомобиль, отключите его спидометр (чтобы он насчитал поменьше километров — ведь оплата зачастую пропорциональна пробегу), а скорость и пройденное расстояние определяйте по GPS (благо он может вести измерения как в милях, так и в километрах).

Средняя скорость движения определяется по несколько странному алгоритму — время простоя (когда мгновенная скорость равна нулю) в вычислениях не учитывается (более логично, на мой взгляд, было бы просто делить пройденное расстояние на общее время поездки, но создатели GPS II+ руководствовались каким-то иными соображениями).

Пройденный путь отображается на «карте» (памяти аппарата хватает километров на 800 — при большем пробеге автоматически стираются самые старые метки), так что при желании можно посмотреть схему своих блужданий. Масштаб карты меняется от десятков метров до сотен километров, что, несомненно, исключительно удобно. Самое же замечательное состоит в том, что в памяти прибора имеются координаты основных населенных пункты всего мира! США, конечно, представлено более подробно (например, все районы Бостона присутствуют на карте с названиями), чем Россия (тут указано расположение лишь таких городов как Москва, Тверь, Подольск и т.п.). Представьте, например, что Вы направляетесь из Москвы в Брест. Находите в памяти навигатора «Брест», жмете специальную кнопку «GO TO», и на экране появляется локальное направление Вашего движения; глобальное направление на Брест; количество километров (по прямой, разумеется), оставшееся до точки назначения; средняя скорость и расчетное время прибытия. И так в любой точке мира — хоть в Чехии, хоть в Австралии, хоть в Таиланде…

Не менее полезной является так называемая функция возврата. Память аппарата позволяет записывать до 500 ключевых точек (waypoints). Каждую точку пользователь может называть по своему усмотрению (например, DOM, DACHA и т.п.), также предусмотрены различные пиктрограммки для отображения информации на дисплее. Включив функцию возврата к точке (любой из заранее записанных), владелец навигатора получает те же возможности, что и в описанном выше случае с Брестом (т.е. расстояние до точки, расчетное время прибытия и все остальное). У меня, например, был такой случай. Приехав в Прагу на автомобиле и устроившись в гостинице, мы с приятелем отправились в центр города. Оставив машину на стоянке, пошли побродить. После бесцельной трехчасовой прогулки и ужина в ресторане мы поняли, что совершенно не помним, где оставили машину. На улице ночь, мы — на одной из маленьких улочек незнакомого города… К счастью, прежде чем покинуть автомобиль, я записал его местоположение в навигатор. Теперь же, нажав пару кнопок на аппарате, я узнал, что машина стоит в 500 метрах от нас и через 15 минут мы уже слушали тихую музыку, направляясь на автомобиле в гостиницу.

Кроме движения к записанной метке по прямой, что не всегда удобно в условиях города, Garmin предлагает функцию TrackBack — возврат по своему пути. Грубо говоря, кривая движения аппроксимируется рядом прямолинейных участков, а в точках излома ставятся метки. На каждом прямолинейном участке навигатор ведет пользователя к ближайшей метке, по достижении же ее осуществляется автоматическое переключение на следующую метку. Исключительно удобная функция при езде на автомобиле по незнакомой местности (сигнал со спутников сквозь здания, конечно, не проходит, поэтому, чтобы получить данные о своих координатах в условиях плотной застройки, приходится искать более-менее открытое место).

Я не буду дальше углубляться в описание возможностей прибора — поверьте, что кроме описанных, в нем есть еще масса приятных и нужных примочек. Одна смена ориентации дисплея чего стоит — можно использовать аппарат как в горизонтальном (автомобильном), так и в вертикальном (пешеходном) положении (см. рис.3).

Одной из основных же прелестей GPS для пользователя я считаю отсутствие какой-либо платы за пользование системой. Купил один раз прибор — и наслаждайся!

Заключение.

Я думаю, нет нужды перечислять области применения рассмотренной системы глобального позиционирования. GPS-приемники встраивают в автомобили, сотовые телефоны и даже наручные часы! Недавно я встретил сообщение о разработке чипа, совмещающего в себе миниатюрный GPS-приемник и модуль GSM — устройствами на его базе предлагается оснащать собачьи ошейники, чтобы хозяин мог без труда обнаружить потерявшегося пса посредством сотовой сети.

Но в любой бочке меда есть ложка дегтя. В данном случае в роли последнего выступают российские законы. Я не буду подробно рассуждать о юридических аспектах использования GPS-навигаторов в России (кое-что об этом можно найти здесь ), замечу лишь, что теоретически высокоточные навигационные приборы (коими, без сомнения являются даже любительские GPS-приемники) у нас запрещены, а их владельцев ждет конфискация аппарата и немалый штраф.

К счастью для пользователей, в России строгость законов компенсируется необязательностью их выполнения — например, по Москве разъезжает огромное количество лимузинов с шайбой-антенной GPS-приемников на крышке багажника. Все более-менее серьезные морские суда оборудованы GPS (и уже выросло целое поколение яхтсменов, с трудом ориентирующихся в пространстве по компасу и прочим традиционным средствам навигации). Надеюсь, власти не будут вставлять палки в колеса техническому прогрессу и в ближайшее время легализуют пользование GPS-приемниками в нашей стране (отменили же разрешения на сотовые телефоны), а также дадут добро на рассекречивание и тиражирование подробных карт местности, необходимых для полноценного использования автомобильных навигационных систем.

GPS.gov: Точность GPS

Насколько точен GPS?

Это зависит. Спутники GPS передают свои сигналы в космос с определенной точностью, но то, что вы принимаете, зависит от дополнительных факторов, включая геометрию спутника, блокировку сигнала, атмосферные условия и конструктивные особенности / качество приемника.

Например, смартфоны с поддержкой GPS обычно имеют точность в радиусе 4,9 м (16 футов) под открытым небом (см. Источник на ION.орг). Однако их точность ухудшается возле зданий, мостов и деревьев.

Высококлассные пользователи повышают точность GPS с помощью двухчастотных приемников и / или систем дополнения. Они могут обеспечивать позиционирование в реальном времени с точностью до нескольких сантиметров и долгосрочные измерения на уровне миллиметра.

Почему GPS иногда показывает мне неправильное место?

Многие вещи могут снизить точность позиционирования GPS. Общие причины включают:

• Блокировка спутникового сигнала из-за зданий, мостов, деревьев и т. Д.
• Для использования внутри или под землей
• Сигналы, отраженные от зданий или стен («многолучевость»)

Гораздо менее распространенные причины могут включать:

• Радиопомехи или глушение
• Крупные солнечные бури
• Техобслуживание спутников / маневры, создающие временные перебои в зоне покрытия
• Неправильно сконструированные устройства, не соответствующие спецификации интерфейса GPS

Во многих случаях оборудование GPS устройства работает нормально, но его картографическое программное обеспечение неисправно.Например, пользователей часто вводят в заблуждение:

• Неправильно нарисованные карты
• Неправильная маркировка предприятий и других достопримечательностей
• Отсутствуют дороги, здания, населенные пункты и т. Д.
• Неправильно рассчитанные адреса

Правительство США не может исправить ошибки отображения на потребительских устройствах. Сообщите о них ответственным лицам, используя ссылки в разделе «Проблемы с адресами, маршрутами и картами».Иди туда

Чтобы получить помощь по проблемам с GPS, которые не связаны с ошибками отображения, посетите нашу страницу отчетов о сбоях службы GPS и статусе. Иди туда

Каковы обязательства правительства по обеспечению точности GPS?

Правительство обязуется предоставлять GPS с уровнями точности, указанными в Стандарте работы стандартной службы позиционирования GPS (SPS). Просмотреть документ

Обязательства по точности относятся не к устройствам GPS, а скорее к сигналам, передаваемым в космосе.Например, правительство обязуется транслировать сигнал GPS в космос с глобальной средней ошибкой дальности действия пользователя (URE) ≤7,8 м (25,6 футов) с вероятностью 95%.
Фактическая производительность превышает спецификацию. 11 мая 2016 года глобальный средний показатель URE составлял ≤0,715 м (2,3 фута) в 95% случаев.

Чтобы было ясно, URE — это не пользовательская точность. Точность пользователя зависит от комбинации геометрии спутника, URE и местных факторов, таких как блокировка сигнала, атмосферные условия и конструктивные особенности / качество приемника.

Текущая программа модернизации GPS будет способствовать дальнейшему повышению точности для гражданских и военных пользователей. Выучить больше

Насколько точен GPS для измерения скорости?

Как и в случае с позиционированием, точность определения скорости GPS зависит от многих факторов.

Правительство предоставляет сигнал GPS в космосе с глобальной средней ошибкой дальности действия пользователя (URRE)
≤0,006 м / сек в течение любого 3-секундного интервала с вероятностью 95%.

Эта мера должна сочетаться с другими факторами, не зависящими от правительства, включая геометрию спутника, блокировку сигнала, атмосферные условия и конструктивные особенности / качество приемника, чтобы рассчитать точность скорости конкретного приемника.

Насколько точен GPS для измерения времени?

Перенос времени GPS — это распространенный метод синхронизации часов и сетей по всемирному координированному времени (UTC). Правительство распространяет UTC в соответствии с требованиями U.С. Военно-морская обсерватория (USNO) через сигнал GPS в космосе с точностью передачи времени относительно UTC (USNO) ≤40 наносекунд (миллиардных долей секунды) в 95% случаев. Этот стандарт производительности предполагает использование специализированного приемника передачи времени в фиксированном месте.

Военный GPS более точен, чем гражданский?

Ошибка диапазона пользователя (URE) сигналов GPS в космосе фактически одинакова для гражданских и военных служб GPS.
Однако большинство современных гражданских устройств используют только одну частоту GPS, а военные приемники — две.

Использование двух частот GPS повышает точность за счет исправления искажений сигнала, вызванных атмосферой Земли. Двухчастотное оборудование GPS коммерчески доступно для гражданского использования, но его стоимость и размер ограничивают его применение в профессиональных целях.

С системами дополнения гражданские пользователи могут получить более высокую точность GPS, чем военные. Выучить больше

Разве правительство не ухудшает точность гражданского GPS?

Нет.В 1990-х годах GPS использовала функцию под названием «Выборочная доступность», которая намеренно снижала гражданскую точность в глобальном масштабе.

В мае 2000 года по указанию президента Билла Клинтона правительство США прекратило использование выборочной доступности, чтобы сделать GPS более отзывчивым для гражданских и коммерческих пользователей во всем мире.

Соединенные Штаты не намерены когда-либо снова использовать выборочную доступность.
Выучить больше

Некоторые ссылки на этой странице ведут к содержимому в формате Portable Document Format (PDF) и могут потребовать установки программного обеспечения PDF.Получить программное обеспечение

,

GPS.gov: Характеристики GPS

Правительство США стремится предоставлять GPS гражданскому сообществу на уровне производительности, указанном в Стандарте производительности (PS) службы стандартного позиционирования GPS (SPS).
Просмотреть документ

В следующем исследовании, проведенном по заказу ВВС США, делается вывод, что «Все утверждения SPS PS, рассмотренные в отчете, были выполнены в 2019 году».
Оцениваемые утверждения включают в себя утверждения о точности, целостности, непрерывности и доступности сигнала GPS в пространстве (SIS), а также утверждения о точности определения местоположения и передачи времени.

2019 GPS SPS Performance Analysis
Загрузить 4 МБ

Показатели эффективности за 2019 год

Следующие данные из отчета, приведенного выше, суммируют метрики SPS Performance Standard, изученные за 2019 год.
Ссылки на документы связаны с соответствующими страницами Стандарта деятельности SPS 2008 (1,7 МБ PDF).
✔ означает «Встречены».

Отчеты об эффективности за предыдущий год

Данные FAA

Федеральное управление гражданской авиации публикует дополнительные данные о производительности GPS, как мониторинг наземной опорной сети Wide Area системы Увеличения (WAAS).Данные включают:

Аномалия смещения UTC

25-26 января 2016 г. пользователи GPS столкнулись с редкой аномалией в работе. В течение нескольких часов несколько спутников передают информацию о смещении между временем GPS и временем UTC способом, не соответствующим спецификации интерфейса сигнала GPS. Тем не менее, не было нарушения утверждений об ошибке смещения UTC в SPS PS для приемников, которые соблюдают интервал соответствия набора данных смещения UTC.
Подробнее (700 КБ PDF)

точность

На нашей странице «Точность GPS» представлена ​​дополнительная информация о реальных характеристиках GPS.Иди туда

Некоторые ссылки на этой странице ведут к содержимому в формате Portable Document Format (PDF) и могут потребовать установки программного обеспечения PDF. Получить программное обеспечение

,

Точность GPS: HDOP, PDOP, GDOP, многолучевость и атмосфера

От: GIS Geography · Последнее обновление: 21 декабря 2019 г.

Точность GPS: HDOP, PDOP, GDOP, многолучевость и атмосфера

Вы когда-нибудь задумывались о точности вашего GPS ?

Хорошо спроектированный GPS-приемник может достигать горизонтальной точности 3 метра или лучше и вертикальной точности 5 метров или лучше в 95% случаев. Расширенные системы GPS могут обеспечить точность менее метра.

Но все еще не идеально.

Каковы источники ошибок GPS , которые могут сбить вас с пути?

GDOP / PDOP — геометрическое / позиционное снижение точности

GDOP (геометрическое снижение точности) или PDOP (снижение точности позиционирования) описывает ошибку, вызванную относительным положением спутников GPS. По сути, чем больше сигналов GPS-приемник может «видеть» (разнесенных по сравнению с близкими), тем точнее он может быть.

С точки зрения наблюдателя, если спутники разнесены в небе, то GPS-приемник имеет хороший GDOP.

А вот если спутники физически близко друг к другу, то у вас плохой GDOP. Это потенциально снижает качество вашего GPS-позиционирования на несколько метров.

ПОДРОБНЕЕ: Трилатерация против триангуляции — как работают GPS-приемники

Атмосферная рефракция

Тропосфера и ионосфера могут изменять скорость распространения сигнала GPS. Из-за атмосферных условий атмосфера преломляет спутниковые сигналы, когда они проходят на пути к поверхности земли.

Чтобы исправить это, GPS может использовать две отдельные частоты, чтобы минимизировать ошибку скорости распространения. В зависимости от условий, этот тип ошибки GPS может смещать положение где-то на 5 метров.

Эффекты многолучевого распространения

Одним из возможных источников ошибок в расчетах GPS является эффект многолучевого распространения. Многолучевость возникает, когда сигнал спутника GPS отражается от близлежащих построек, таких как здания и горы.

Фактически, ваш GPS-приемник дважды обнаруживает один и тот же сигнал на разных диапазонах.Однако эта ошибка не так важна и может вызвать ошибку положения где-то в 1 метр.

Время и местоположение спутника (эфемериды)

Точность атомных часов спутника GPS составляет одну наносекунду на каждый такт часов. Это довольно впечатляюще.

Используя трилатерацию сигналов времени на орбите, приемники GPS на земле могут определять точное местоположение. Но из-за неточности синхронизации атомных часов спутника это может смещать измерение местоположения примерно на 2 метра.

Информация эфемерид содержит подробную информацию о местоположении этого конкретного спутника. Но если вы не знаете их точное местоположение в определенное время, это может быть источником ошибки.

ПОДРОБНЕЕ: Геостационарные орбиты и геостационарные орбиты

Выборочная доступность

До мая 2000 года правительство Соединенных Штатов добавило изменяющийся во времени запутанный код в Глобальную систему определения местоположения. За исключением привилегированных групп, таких как военные США и их союзники, это намеренно ухудшило точность GPS.

Весь этот процесс ухудшения качества сигнала GPS называется выборочной доступностью. При включенной выборочной доступности сигналы добавляли погрешность на 50 метров по горизонтали и 100 метров по вертикали. Учитывая все обстоятельства, это значительно снизило точность GPS.

В то время дифференциальный GPS можно было исправить. Но после 2000 года этот источник ошибок GPS больше не вызывал особой озабоченности, поскольку переключатель выборочной доступности был отключен.

Коррекция дифференциала GPS

Приемники

GPS повышают точность за счет использования двух приемников, поскольку наземные приемники могут выполнять точные измерения ошибки.Пока стационарный GPS-приемник обнаруживает те же спутниковые сигналы, что и ваш GPS-приемник, он может отправлять вам поправочные данные, основанные на его точно определенном местоположении.

Эта расширенная система передает исправленную ошибку в реальном времени вместе с сигналом GPS. Фактически, это основная идея спутниковой системы функционального дополнения (SBAS), которая может обеспечить точность GPS ниже метра.

Как повысить точность GPS

HDOP / PDOP, многолучевость и атмосферные эффекты являются одними из распространенных источников ошибок GPS.

Все эти типы ошибок могут снизить точность GPS.

Теперь, когда переключатель выборочной доступности отключен, мы значительно повысили точность GPS.

А с помощью технологии дифференциальной GPS и спутниковой системы дополнения (SBAS) координаты могут улучшаться до субметровой точности.

,

GPS.gov: Рабочие стандарты и спецификации

На этой странице:

На других страницах:

Эти документы определяют уровни технических характеристик, которые пользователи могут ожидать от GPS и связанных с ними систем.

Некоторые ссылки на этой странице ведут к содержимому в формате Portable Document Format (PDF) и могут потребовать установки программного обеспечения PDF. Получить программное обеспечение

Стандарт производительности службы GPS Standard Positioning Service (SPS)

Этот документ определяет уровни производительности U.Правительство S. предоставляет пользователям стандартную службу определения местоположения GPS, также известную как гражданская служба GPS.

Скачать
5-е издание
(2,1 MB)

5-е издание стандарта производительности GPS SPS от апреля 2020 года действует в настоящее время и заменяет собой все предыдущие версии.

Предыдущие версии представлены здесь для исторической справки. Эти документы больше не действуют.

Стандарт производительности службы точного позиционирования GPS (PPS)

Этот документ определяет уровни производительности U.Правительство S. предоставляет авторизованным пользователям службу точного определения местоположения GPS, также известную как военная служба GPS.

Скачать
1-е издание
(1,8 MB)

Первоначальный выпуск документа от 23 февраля 2007 г. действует в настоящее время.

Стандарт производительности системы глобального расширения GPS (WAAS)

Этот документ определяет уровни производительности, которые правительство США делает доступными для пользователей GPS SPS, дополненных системой глобального расширения.

Скачать
1-е издание
(1,4 МБ)

Первоначальный выпуск документа от 31 октября 2008 г. действует в настоящее время.

Технические характеристики GPS гражданского мониторинга

Цель этого документа — предоставить исчерпывающий сборник требований к мониторингу государственной службы и сигналов GPS на основе требований высшего уровня по постоянному мониторингу всех сигналов.

Скачать
2-е издание
(444 Кб)

2-е издание документа от 30 апреля 2009 г. действует в настоящее время и заменяет собой все предыдущие версии.

Предыдущие версии представлены здесь для исторической справки. Эти документы больше не действуют.

,