Ликбез. GPS – что зачем и почему
Длительное время бывшие уделом избранных (читай военных) GPS навигаторы наконец-то повернулись лицом к рядовым пользователям, и доказали свою полезность и необходимость. Примечательно, что сегодня навигаторы уже не являются профессиональным дорогостоящим оборудованием, это доступные для многих бытовых устройства, а благодаря конвергенции GPS модуль стал желанным гостем различных многофункциональных гаджетов. Думаем, поводов более чем достаточно познакомиться с этой удивительной и многообещающей технологией.
Аббревиатура GPS расшифровывается как Global Positioning System, что в переводе на русский язык означает “всемирная система позиционирования”. Идея ее создания зародилась в Америке в 50-х годах прошлого века. Инициаторами, как всегда, выступили военные (это характерно для большинства наукоемких технологий прошлого столетия), искавшие способ наведения межконтинентальных и баллистических ракет. Первый спутник этой системы (в то время она была известна под названием NAVSTAR) был запущен в 1978 году, последующие запуски стали постоянными. Заметим, что для нормального функционирования системы необходимо 24 спутника, но в настоящие время их больше (на сегодняшний день около 31). Первые годы существования GPS была сугубо военной системой, и лишь в 1993 году было разрешено использовать ее в гражданских целях.
Решение американцев было половинчатым. Система навигации разрабатывалась исключительно для военных целей, и поэтому для гражданских приемников был введен так называемый
“селективный доступ”, позволяющий определять местоположение объектов с точностью порядка 50-100 метров. С 1 мая 2000 года это ограничение отменено (спасибо Клинтону), и теперь владелец любого GPS приемника может определять свои координаты с точностью менее 15 метров (в среднем 5-8 метров). В таком “cостоянии” система находится и по сей день.
Уместно вспомнить и о конкурентах GPS. В первую очередь это советский (теперь – российский) ответ НАТО – система ГЛОНАСС (ГЛОбальная Навигационная Спутниковая Система). Ее разработка началась в 1982 году, но в связи известными событиями в СССР в 90-х годах она так и не заработала в полную силу. Однако в 2005 году президент Путин В.В подписал распоряжение о “реанимации” системы, поставив задачу к 2008 году добиться полной работоспособности ГЛОНАСС. Впереди еще весь этот год, и нам остается только надеяться на то, что в ближайшее время мы сможем пользоваться отечественной системой навигации. Galileo – это европейская система, она еще совсем молода (решение о создании принято в 2003 году), но уже к 2010 году планируется начало эксплуатации. Эта дата также под вопросом, поскольку имеется ряд разногласий между странами Евросоюза – одни поддерживают развитие Galileo (намекая на независимость от США), другие ратуют за уже работающую GPS.
Пять принципов GPS
Система GPS состоит из трех десятков спутников и базовых наземных станций в различных частях мира (обеспечивают синхронизацию сигналов). Исходя из определения она глобальная (то есть работает в любой точке земного шара), нисколько не зависит от погодных условий и доступна 24 часа в сутки. Ну а теперь давайте немного вспомним школьный курс физики, и поговорим о том, как работает GPS. В основе системы лежит пять принципов, знакомство с которыми позволит нам легко убедиться в том, что все гениальное просто.
Первый принцип (фактически являющийся основой системы) гласит о том, что зная расстояния до трех спутников, можно однозначно определить координаты любой точки поверхности земли. Это и есть пресловутый метод триангуляции, в данном случае считается, что спутники являются объектами с известными координатами. Второе – необходимо это самое расстояние до спутников измерить. Как известно, скорость распространения электромагнитных волн постоянна, поэтому расстояние от спутника до навигатора определяется по классической формуле “расстояние равно время, умноженное на скорость”. Со скоростью проблем нет (это фактически скорость света), а точное измерение времени обеспечивается использованием сверхточных атомных часов (расположены на спутниках, точность около одной наносекунды) и кодов для установления точного момента ухода сигнала со спутника.
Исходя из вышесказанного, очевидно, что обязательным условием является синхронизация по времени всех сигналов (третий принцип), ведь вычисления координат напрямую зависят от точности хода часов. В идеале часы на спутнике и в приемнике должны иметь одинаковую точность хода, и если это так, то точное местоположение (трехмерные координаты объекта) может быть найдено по измерениям расстояния до трех спутников. Но если установить на ограниченное число спутников очень дорогие атомные часы вполне реально, то оснастить ими каждый GPS приемник это уже непозволительная роскошь. Поэтому разработчики пошли на хитрость – они ввели дополнительное измерение для устранения ошибок хода часов в приемнике, для этого как раз и нужен четвертый спутник.
Четвертый принцип затрагивает проблему точного определения положения спутников в космосе. Во-первых, каждый спутник движется по определенной орбите, и поэтому его расположение в каждый конкретный момент времени времени может быть описано математически. Помимо этого как минимум один раз в сутки вычисляются уточненные элементы спутниковых орбит и коэффициенты поправок спутниковых шкал времени, эта информация также передается на спутник и используется для определения его положения. Кстати, орбиты спутников изначально уже занесены в память GPS приемника, и поэтому предаются только уточняющие значения. Ну и, наконец, пятый принцип – коррекция ошибок. Было бы наивно полагать, что система идеальна и ошибки отсутствуют. Мы предполагали, что сигнал распространяется с непрерывной скоростью, но в реальности, проходя через ионосферу и тропосферу, его скорость уменьшается, порой случаются ошибки в ходе атомных часов и орбитах спутников, источником погрешности является и многолучевая интерференция. В общем, ошибки измерения дальности есть, и для этого в системе используется всевозможные алгоритмы их устранения.
Что есть навигация?
Бытует мнение, что GPS приемник предназначен только лишь для определения месторасположения объекта на местности и соотнесении его координат с электронной картой. Беспорно, это важная функция, и, возможно, она была единственной в первых GPS устройствах, н за долгие годы существования навигации она стала одной из многих. К примеру, даже простейший приемник способен показывать направление, определять расстояние по прямой до выбранной точки, вычислять скорость движения, рассчитывать время заката и восхода в данном местности. Дальше – больше: прокладка маршрутов, выбор оптимального направления, вычисление времени прибытия в точку, нахождение определенного близлежащего объекта (гостиница, кемпинг)…
Главное понятие навигации – это путевая точка. Фактически это отметка на карте, которая хранится в памяти приемника. Путевую точку может внести сам пользователь устройства, она может быть внесена также производителем или разработчиком карты. Короче говоря, это то место, которое представляет интерес для владельца устройства (кафе, заправки, магазины, памятники архитектуры и т.д.). Приемник может рассчитывать расстояние и направления (а также время в пути) до путевых точек. Но в чистом виде путевые точки обычно не используются, чаще составляется маршрут, представляющий собой серию путевых точек. При прокладке маршрута навигатор автоматически заменяет текущую точку назначения при ее достижении на следующую путевую точку. А перед тем, как изменить курс, приемник обычно подает сигнал и запрашивает подтверждение. Большинство современных устройств поддерживает автопрокладку маршрута, но его всегда можно вручную скорректировать или изменить.
Приемник приемнику рознь
И это чистая правда, поскольку разные пользователи обычно предъявляют различные требования к навигатору. Помимо собственных представлений о том, каким должен быть хороший приемник, значительную роль при выборе играет “мобильный образ жизни” пользователя. То есть, пешеход он или автомобилист, сухопутный или морской путешественник, рыбак или охотник, лыжник или турист.
Начнем с автомобилистов, для которых навигация является залогом комфортного и безопасного путешествия. Да, да, ведь навигатор частенько может сказать то, чего еще не видят глаза водителя. Ну а в большом или незнакомом городе без него просто никак. Кстати, отдельные автомобили уже изначально оснащены навигационной системой, и это хорошая новость. Единственный момент, на который стоит обратить внимание – это возможность загрузки в него карт необходимых регионов. Если это возможно, то можно радоваться – вы обладаете практически идеальным навигатором автолюбителя. В первую очередь, это удобно, огромный дисплей и серъезные носители (вплоть до DVD) позволяют получить огромное количество дорожной информации. Второй момент – это интеграция с бортовым компьютером. Также не стоит забывать и о том, что встроенная навигационная система гораздо лучше определяет координаты в условиях города или в горах. Портативные навигаторы частенько в такой ситуации “теряют” спутники, что же касается системы, то она вычисляет изменение координат, пользуясь сигналами с колесных датчиков.
С другой стороны, использование внешнего приемника также сулит ряд удобств. Прежде всего, вы можете выбрать любой понравившийся вам навигатор, и в течение нескольких минут установить его на свой автомобиль. Все, что необходимо – это кронштейн для устройства и свободное гнездо прикуривателя. Но все же давайте обратим внимание на специализированнык автомобильные GPS навигаторы. Характерной чертой этих устройств также являются динамики и система звуковых подсказок для водителя. Весьма популярен среди покупателей навигатор Garmin Nuvi 610, являющийся настоящим сгустком высоких технологий в “автомобильном варианте”. Прежде всего, это 20-канальный приемник SiRF Star III и широкоформатный сенсорный дисплей диагональю 10,9 см и разрешением 480*272 пикселя. Тяжеловесность устройства в данном случае не является недостатком, ведь гаджет не придется носить в руках. К этому устройству можно легко подключить внешнюю антенну, ну а водителю достаточно только указать точку, в которую необходимо прибыть, и прибор сам выберет маршрут. В процессе поездки остается только следовать голосовым и визуальным навигационным инструкциям. Из отличительных особенностей отметим наличие 400 Мб встроенной памяти и слота для карт формата SD, интеграцию с компьютером (есть USB порт), что позволяет в процессе подготовки к поездке определиться с интересным или удобным маршрутом. Впрочем, и в пути навигатор превосходно справляется с поиском гостиниц, достопримечательностей, магазинов, заправок и т.д.
Для любителей авто больше подходят массивные навигаторы, оснащенные солидными дисплеями и обладающие возможностью подключения внешней антенны. Однако многие предпочитают путешествовать на “двухколесном” транспорте, то есть мотоциклах или велосипедах. Гаджеты, ориентированные на эту группу пользователей, должны обладать несколько иным набором характеристик, и их особенности мы рассмотрим на примере GPS навигаторов Garmin Zumo 500/550. Сразу отметим, что устройства могут использоваться не только в путешествиях, но и для спортивных состязаний. Такие качества, как механическая прочность, надежность крепления, водостойкость, защита от повреждения ультрафиолетовыми лучами и устойчивость к толчкам однозначно говорят о том, что можно смело прикреплять этот гаджет на руль двухколесного друга. Для управления используется сенсорный дисплей и 4 довольно крупные кнопки (под левую руку), что позволяет управлять навигатором, не снимая перчаток. Если вы привыкли к голосовым подсказкам навигатора, то можете не волноваться – они работают (функция Text – to – Speech), правда, для этого придется задействовать интерфейс Bluetooth. Разумеется эти устройства позволяют загружать современные навигационные карты, они умеют прокладывать маршрут (до 500 маршрутных точек) и предоставляют пользователю максимум удобства – здесь есть и компас, и всевозможные одометры и таймеры. Но есть и изюминка – поддержка системы дифференциальных поправок WAAS/EGNOS для более точного определения местоположения.
Все вышеперечисленные группы устройств поддаются переноске, но все же нельзя не отметить существование огромной группы переносных GPS навигаторов, главной чертой которых являются небольшие размеры и масса. Самое место им в карманах путешественника, ну а использовать их можно там, где вы находитесь – в городе или в лесу, на море, в горах. Эти навигаторы позволяют ориентироваться по точкам, прокладывать маршруты и отслеживать пройденный путь. Некоторые модели имеют возможность загрузки карт, оснащены функциональностью электронного компаса и барометрического высометра. Самым простым и недорогим устройством может считаться Garmin eTrex – один из первых портативных GPS навигаторов, ставший символом спутниковой навигации. Главные плюсы – компактность и простота. Эта модель даже не поддерживает загрузку карт, что для многих ситуаций не требуется (чаще всего стоит задача вернуться в исходную точку, которую можно внести в память перед отправлением). Если последний параметр принципиален, то стоит взглянуть на Garmin GPS 60, компактный и в то же время функциональный (есть память в 1 МБ для загрузки информации). Естественно, не Garmin единой, к этой группе можно отнести “трехсотую” серию навигаторов Magellan, Holux GM 100 и множество других устройств.
Но, пожалуй, самой перспективной группой навигационных устройств можно считать коммуникаторы и смартфоны с GPS модулем. Фактически эти устройства совмещают в себе мобильный телефон, карманный компьютер и навигационное устройство, и поэтому чрезвычайно функциональны. Помимо этого они обладают одной приятной возможность – в них можно менять программу управления навигацией. Не секрет, что программ много, и идеальной для всех нет. Да и тенденции продаж говорят о том, что сегодня акцент покупателей смещается именно в эту область. К тому же, выбор устройства, как никогда широк. Заслуживает внимания продукция компании HTC – от сверхкомпактного P3300 до сверхфункционального X7510, неплохо смотрится 600-я и 800-я серия GPS- коммуникаторов E-TEN glofiish, интересные устройства есть в модельном ряду ASUS и ROVER Computers. Что касается ”умных телефонов»”, то отправной точкой стало устройство фирмы Nokia N95? Фактически являющееся первым GPS – смартфоном. Можно также смело утверждать ,что за подобными устройствами будущее.