Многие способы ориентирования, описанные выше, можно отнести к разряду рискованных, поскольку современный человек, который редко бывает в лесу, не обладает той наблюдательностью, которая была свойственна нашим предкам. Зато современные люди имеют возможность пользоваться научными достижениями, в частности, возможностями спутниковой навигации.
Как работает система спутниковой навигации.
G
PS (Global Positioning System) – это спутниковая навигационная система, позволяющая с точностью не хуже 100 м определить местоположение объекта: — широту; — долготу; — высоту над уровнем моря, а также направление и скорость его движения. Кроме того, с помощью GPS можно определить время с точностью до 1 наносекунды.
Из чего состоит GPS.
GPS состоит из работающих в единой сети 24 спутников, находящихся на 6 орбитах высотой около 17 000 км над поверхностью Земли. Спутники постоянно движутся со скоростью около 3 км/сек, совершая два полных оборота вкруг планеты менее чем за 24 часа.
Орбиты спутников располагаются примерно между 60 градусами северной и южной широты. Этим достигается то, что сигнал хотя бы от некоторых спутников может приниматься повсеместно в любое время. Даже на полюсах можно «увидеть» спутники.
Что такое GPS приёмник?
GPS приёмник или GPS навигатор – это прибор, позволяющий определить ваше местоположение в любой точке: на суше, на море и в околоземном пространстве.
В зависимости от области применения, диапазон которой довольно широк, а также от стоимости, которая может колебаться от сотен до нескольких тысяч долларов, исполнение GPS-приемников также весьма разнообразно. В целом весь спектр моделей можно разделить на четыре большие группы: — Портативные GPS приемники индивидуального применения.
Эти модели отличаются малыми габаритами и широким набором сервисных функций, от возможности формирования и расчета маршрут следования, до функции приема и передачи электронной почты. — Автомобильные GPS приемники, которые предназначены для установки в любом наземном транспортном средстве и имеют возможность подключения внешней приемо-передающей аппаратуры для автоматической передачи параметров движения на диспетчерские пункты. — Морские GPS приемники, оснащенные ультразвуковым эхолотом, а также дополнительными сменными картриджами с картографической и гидрографической информацией для конкретных береговых районов. — Авиационные GPS приемники, используемые для пилотирования летательных аппаратов, включая коммерческую авиацию.
Как GPS приёмник определяет координаты?
Для определения местоположения GPS приемник сравнивает время отправки сигнала со спутника со временем его получения на Земле. Эта разница во времени говорит приемнику о расстоянии до конкретного спутника. Если добавить к этому информацию о расстоянии, измеренном до нескольких других спутников, то можно триангулировать свое местоположение. Имея сигналы от (минимум) трех спутников, можно определить широту и долготу – это называется двумерной фиксацией. Если же спутников четыре или более, то GPS приемник может определить положение в 3-х мерном пространстве, т.е. указать широту, долготу и высоту над уровнем моря. Постоянно отслеживая ваше местоположение в течение некоторого времени, приемник также может рассчитать скорость и направление Вашего движения.
Что влияет на точность определения координат?
Одним из важнейших преимуществ GPS перед существовавшими ранее наземными системами является всепогодность. Независимо от того, для каких целей Вы используете навигацию, GPS приемник готов показать Ваше местоположение — и именно тогда, когда вам это надо.
На точность GPS, влияет геометрия спутников. Понятие «геометрия спутников» означает то, как они расположены относительно друг друга и GPS-приемника. Если, например, приемник «видит» четыре спутника и все четыре расположены в северном и западном направлениях, то спутниковая геометрия скорее плохая. Причем вплоть до того, что приемник вообще не сможет определить местоположение. Почему? Потому что все расстояния, измеренные до спутников, будут лежать в одном глобальном направлении. Это означает, что триангуляция будет плохой и что область пересечения построенных прямых будет довольно большой (т.е. область вероятного положения будет занимать значительное пространство и точно указать координаты невозможно). В этом случае, даже если приемник выдает некоторые значения координат, их точность не будет достаточно хороша (возможно, 100 – 150 м). Если же эти четыре спутника будут находиться в разных направлениях, то точность значительно возрастет. Геометрия спутников становится особенно важной при использовании GPS приемника в автомобиле, среди высоких зданий, в горах или в глубоких ущельях. Если сигналы от некоторых спутников оказываются экранированными, то точность определения местоположения будет зависеть от оставшихся «видимых» спутников.
Другим источником ошибок является переотражение спутникового сигнала от различных объектов. (В быту мы встречаемся с эти явлением в виде появления раздвоенного изображения на экране телевизора). В случае GPS переотражение возникает при взаимодействии сигнала со зданиями или рельефом местности до того, как он достигнет приемной антенны. Такому сигналу требуется больше времени для достижения приемника, чем прямому. Это увеличение времени заставляет приемник считать, что спутник находится на большем расстоянии, чем на самом деле и это увеличивает ошибку при определении положения. Такие переотражения, если происходят,то могут добавить около 5 м в общую ошибку.
Ориентирование в спортивном путешествии со спутниковым навигатором.
В туристском путешествии нередко встречаются ситуации, когда наличие в группе прибора GPS позволяет легко решить проблемы, связанные с ориентированием на местности.
Определение расстояние до нужной точки и направление на нее. Как правило, целью, например, дневного перехода является достижение определенной точки на маршруте, которая находится вне пределов видимости, и в которую нельзя выйти просто по азимуту. Если же ориентироваться только по карте, то есть возможность сбиться с маршрута.
Возвращение в исходную точку по своему маршруту. Довольно часто в походе нужно вернуться к определенной точке или пройти назад тем же путем. Примером таких ситуаций могут быть путешествия в горах, когда после взятия вершины в условиях плохой видимости нужно вернуться точно по пути восхождения. В этом случае, создав трек при восхождении, можно при помощи GPS точно вернуться по пройденному пути.
Ориентирование с подготовленной бумажной картой. Есть два варианта применения GPS в походе: 1) по подготовленной бумажной карте, 2) по электронной карте, введенной в память прибора.
Обычно для путешествий применяют топографические карты, на которых есть сетка координат (в градусах и минутах), но можно и самостоятельно откалибровать практически любую карту. Карты популярных районов туристских путешествий можно приобрести в магазинах, где продают GPS.
Пользуясь GPS, можно периодически измерять координаты местности и сверять их с картой. Бывает, что идешь по тундре зимой, ориентиров нет никаких, только направление держишь по компасу. Прошел, например, два часа, определил координаты, поставил точку на карте и идешь дальше. Важно только, чтобы на карте была координатная сетка, и прибор был откалиброван по ней
Ориентирование по электронной карте
Некоторые модели GPS (Garmin eTrex Legend, Vista, eMap, GPSMap и др.) позволяют загружать в прибор из компьютера векторные карты. Сегодня можно достать подготовленные для GPS карты, многих районов путешествий. Если вы обладаете таким прибором и хорошей электронной картой, то в дополнение к привычной стрелочке на экране GPS будут отображаться окружающие объекты – реки, дороги, мосты и т.д.
GPS-карта удобна для малых расстояний. Пример: идем по шоссе, от которого на протяжении километра ответвляется несколько боковых проселочных дорог. Задача – не ошибиться и не свернуть на не нужную дорогу. GPS точно покажет, на каком повороте мы находимся в данный момент. Однако прибор уступает обычной карте в обзорности: маленький экран GPS не позволяет стратегически оценить маршрут
Автомобильное путешествие со спутниковым навигатором.
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.
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!
| Спутниковый приемник | U-blox NEO-M8T — 72 channels, output rate up to 18Hz, supports GPS/QZSS L1 C/A, GLONASS L10F, BeiDou B1, SBAS L1 C/A: WAAS, EGNOS, MSAS, Galileo-ready E1B/C |
| Компьютерная платформа | Intel Edison — dual-core 500MHz |
| Интерфейсы | I2C, UART, GPIO, TimeStamp, OTG USB, Bluetooth, Wi-Fi, GNSS |
| Антенна | Tallysman TW4721 Dual Feed GPS/BeiDou/Galileo/GLONASS |
| Размеры | 26х36 мм |
| Вес | 13 г |
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.
Наши предки, чтобы не заблудиться во время путешествий, прибегали к самым различным, и порой крайним мерам. Они строили монументальные указатели, кропотливо составляли подробные карты и научились находить путь по звездам в ночном небе. Сегодня эта задача намного тривиальнее. Менее чем за 100 $ можно получить карманный гаджет, который в любое время определит ваше местоположение в любой точке Земли.
Эти специальные навигационные сателлиты на солнечных батареях двигаются вокруг планеты по круговой орбите высотой около 20 км. Время полного оборота составляет чуть менее 12 часов, таким образом, за одни сутки навигационный спутник совершает два полных оборота вокруг планеты. Траектории движения рассчитаны с тем, чтобы в любом месте и в с любое время на Земле были видны минимум четыре GPS-сателлита.
Задача GPS-навигатора – найти минимум четыре ближайших навигационных сателлита, определить дистанцию до каждого, обработать данные и на основании полученных результатов определить собственные координаты. Вся система основана на не сложном математическом методе трилатерации.
Информация об удалении от третьего ориентира, что вы в 100 км от Иваново, позволит создать третью виртуальную окружность с помощью, которой можно исключить одну из точек, потому что третий круг будет пересекать оба предыдущих круга только в одной точке. Теперь можно точно определить, где вы находитесь – город Южа. Эта же методология действует в трехмерном пространстве, но вместо окружностей используются сферы.
Именно этот вариант взят в качестве основополагающего системы позиционирования. Отличие трехмерной трилатерация от двумерного варианта в плане теории не значительна, но ее сложнее визуализировать. Если воссоздать радиусы из предшествующих примеров, но распространяющиеся не в плоскости, а во всех курсах трехмерной системы. В результате, вместо окружностей получается ряд трехмерных сфер.
Определяющая четвертая точка будет расположена на поверхности Земли. Одна из предопределенных точек соприкосновения будет совпадать с поверхностью планеты. Для расчета местоположения GPS-навигатору необходима следующая информация:
Определение дистанции производится путем анализа информации высокочастотного радиосигнала от сателлитов GPS из космоса. Радиоволна движется, не уступая скорости света (расчетная 300000 км в секунду в вакууме). Навигатор определяет, как долго по времени следовал сигнал и на основании этого устанавливает расстояние. Весь процесс расчета, достаточно сложный, и может быть описан отдельно. Чего стоит только синхронизация с атомными часами с точностью до наносекунды.
Рассмотренная ранее система определения собственных координат GPS на основе информации получаемой от спутников еще не является конечной ввиду своей неточности. Предполагается, что сигнал проходит весь путь с одинаковой скоростью (скоростью света). В реальных условиях, атмосферные слои Земли, значительно снижает электромагнитную энергию радиосигнала. Скорость прохождения ионосферы и тропосферы тоже отличается. Задержка меняется в зависимости от местонахождения на Земле, что достаточно сложно учитывать в стандартизированном расчете расстояния. Также проблемы могут возникнуть при отражении радиосигнала от крупных и высоких объектов, таких как небоскребы и др., что может привести к завышенному значению дистанции до спутника.
Для исключения неточностей и получения верных конечных координат используется дифференциальная GPS (DGPS). Основная идея состоит в оценке GPS неточностей в стационарной приемной станции с известным местоположением. Поскольку DGPS станция точно знает свои координаты, она может легко вычислить неточность получателя. Станция корректирует координаты, полученные от спутников, относительно собственного местоположения и рассылает радиосигнал всем навигаторам в радиусе действия.
Главной функцией GPS-навигатора является сбор информации минимум с четырех спутников объединение и обработка этих данных в электронном виде. Полученный результат позволяет определить координаты навигатора на планете. После того, как GPS-приемник сделает расчет, он может выдать широту, долготу или даже высоту местонахождения. Чтобы сделать навигацию адаптивной и комфортной для пользователя в памяти современных навигаторов хранятся подробные карты местности. Также GPS-ресивер можно подключить к компьютеру, на котором хранятся более подробные карты или просто купить подробную карту региона. Навигатор автоматически наложит координаты на карту для удобства ориентирования.
Стандартный GPS-навигатор не только покажет ваше местоположение, но и может отслеживать ваше перемещение согласно загруженным картам в реальном времени. С помощью полученной информации со спутников навигатор покажет ваше перемещение в режиме реального времени, а также благодаря встроенным часам, устройство способно выдавать и другую, не менее важную информацию:
- дальность пути следования (одометр);
- время путешествия;
- текущая скорость (спидометр);
- средняя скорость;
- отслеживание маршрута (где именно вы были по карте);
- расчетное время прибытия от определенной точки до места назначения при поддержании текущей скорости.
Загрузка...