GPS: как это работает?

О навигаторах еще несколько лет назад знали очень немногие. Пользовались ими, в основном, профессионалы, так как для обычных пользователей удовольствие это было не из дешевых. А до 2000 года приемлемая точность работы системы GPS вообще оставалась доступной лишь американским военным. Теперь все изменилось. GPS-навигатор может позволить себе приобрести практически любой автолюбитель.


Как это устроено

Не стоит объяснять нашим читателям, как выглядит GPS-навигатор: наверняка вы если не пользовались сами этим прибором, то видели, как пользуются им другие. А вот о принципах работы GPS, как показывает практика, знают далеко не все. Часто люди слышали о "каких-то там спутниках", задействованных в работе навигационной системы, но обычно далее этого дело не идет. Поэтому для начала разложим по полочкам принципы работы глобальной системы позиционирования.

Идея GPS пришла в голову американским ученым, когда они принимали сигнал от первого искусственного спутника Земли (заметим - запущенного советскими учеными и инженерами). Частота, на которой передавал сигналы спутник, была выше, когда он приближался к месту приема сигнала, и ниже - когда удалялся. Это было проявлением эффекта Доплера, о котором было известно еще с середины 19 века.

Идея GPS пришла в голову американским ученым, когда они принимали сигнал от первого искусственного спутника Земли.

 

Подробнее об этом эффекте и его научной стороне вы можете прочитать в энциклопедии, если захотите. Полезнее будет привести пример из жизни. Эффект Доплера, относительно звуковых волн, мы можем наблюдать, например, на железнодорожной станции, когда мимо нас проезжает локомотив и подает звуковой сигнал. Тогда отчетливо слышно, что пока поезд приближался, звук был выше, чем когда он стал удаляться. Собственно, в этом явлении ничего нового не было. Новизна была в том, что если наблюдатель знает свои координаты на планете, а также частоту, на которой передает сигналы спутник, то по изменению частоты можно определить координаты спутника. А также наоборот - зная координаты спутника, можно узнать свои...

Многие из вас наверняка уже уловили суть открытия американцев. Действительно, она весьма проста. Передавая сигнал со спутников, можно вычислять положение объектов на Земле. Правда, для получения достаточно точных трехмерных координат требуется применение, как минимум, четырех спутников, но это, как говорится, уже дело техники. Строго говоря, сейчас в системе GPS используется более сложный алгоритм определения координат. Спутники передают блоки данных, в которых содержится информация о времени отправки сигнала. Такая методика позволяет определять координаты наземных объектов с большей точностью, чем при использовании одного лишь эффекта Доплера.

Строго говоря, сейчас в системе GPS используется более сложный алгоритм определения координат. Спутники передают блоки данных, в которых содержится информация о времени отправки сигнала.

Ну а раз уж мы затронули исторический аспект, то остановимся на истории развития GPS подробнее.


Как это было

1957 год. Как уже говорилось, в этом году были получены сигналы от первого искусственного спутника Земли (ИСЗ) и возникла идея использования ИСЗ для вычисления координат объектов на Земле. Реализация идеи оказалась делом гораздо более сложным, чем это представлялось изначально. Лишь в 1974 году был запущен первый ИСЗ для обслуживания системы GPS. Еще почти два десятилетия потребовалось, чтобы последний 24-й спутник заработал на околоземной орбите. Произошло это в 1993 году.

Отметим, что GPS изначально разрабатывалась как чисто военная система. И, как это нередко бывает, военная разработка со временем стала доступна гражданским службам. Произошло это в 1983 году, по указу президента США Рональда Рейгана. Однако в те времена холодная война еще не была окончена, и во избежание использования глобальной системы позиционирования идеологическими врагами, было введено искусственное огрубление данных. Но и оно было отменено в 2000 году, после чего GPS и стала проникать в массы.

GPS изначально разрабатывалась как чисто военная система.

Кроме того, известен факт, что во время операции НАТО против Югославии в 1999 году Министерством обороны США был использован искусственный сдвиг в координатах GPS на несколько сот метров, что делало невозможным полноценное использование системы субъектами, не имеющими отношения к американской военной машине. Разумеется, для собственного оборудования была учтена поправка на этот сдвиг.

Кстати, именно подконтрольность оборонному ведомству Соединенных Штатов обычно считают главным недостатком GPS. И этот факт делает нелогичным использование GPS военными других государств.


Как это используется

Рядовые граждане обычно знакомы с GPS только благодаря автомобильным навигаторам. Однако потенциал глобальной системы позиционирования вовсе не ограничивается возможностями указания верного маршрута автомобилисту. По крайней мере, из предыдущего текста читатель уже мог сделать вывод, что спутниковая система навигации используется в военных целях. В частности, некоторые модификации ракеты "Томагавк" применяют ее для наведения на цель.

В гражданской сфере применение GPS не менее широко. Причем это касается многих отраслей экономики. В отношении нашей страны правомернее будет сказать "может касаться", так как GPS-технологии не получили пока широкого распространения где-либо, кроме автомобильных навигаторов. Тем не менее, рассмотрим области, где применяется или может применяться система глобального позиционирования, и насколько это применение оправдано.

Сельское хозяйство. Современное растениеводство подразумевает масштабные перемещения техники по полям. В связи с этим возникает ряд задач, для решения которых GPS-приемник подходит как нельзя кстати. За рубежом в последние годы наблюдается рост так называемого "точного земледелия". В его основе лежит наблюдение, что разные участки поля имеют разные характеристики, а, следовательно, для них нужно разное количество удобрений и семян. Для сельскохозяйственных угодий составляются специальные карты, на основании которых затем бортовой компьютер сельскохозяйственной техники осуществляет регулировку количества вносимых в почву веществ или семян. Таким образом, экономится посевной материал, удобрения, горючее.

Еще один аспект использования GPS в сельском хозяйстве - это системы параллельного вождения, которые с помощью подруливающих устройств осуществляют корректировку движения сельскохозяйственной техники по полю. Такие системы позволяют, опять же, улучшить качество обработки полей, снижают утомляемость тех, кого у нас принято называть механизаторами.

Транспорт. Как и в сельском хозяйстве, в данной отрасли подразумевается значительное количество перемещений техники. А значит, всевозможные задачи, стоящие перед транспортной отраслью, также прекрасно решаются с помощью GPS. Актуальным для нашей страны является контроль пробега и расхода топлива с помощью GPS-устройств. Данные с таких приемников могут передаваться как в режиме онлайн (обычно для этого используются каналы мобильной связи), так и считываться с карты памяти по прибытии автомобиля в гараж. Выгода для владельца транспорта очевидна: контроль над маршрутом (чтобы водитель не заезжал куда-либо по своим делам), контроль над километражем. Помимо этого, специальные датчики помогают контролировать скорость транспортного средства, время стоянок, нагрузку на ось (груженый/пустой) и другие параметры.

GPS способна не только контролировать легальное перемещение транспорта, но и помочь владельцу найти свой автомобиль в случае угона. Некоторые современные автосигнализации снабжаются GPS-модулями, которые могут передавать информацию о местонахождении угнанного авто.

Кроме этого, в крупных городах GPS-приемники устанавливаются в каждой единице общественного транспорта, что позволяет контролировать транспортные потоки и оперативно решать возникающие проблемы с загруженностью маршрутов.

Стоит отметить, что, в отличие от сельскохозяйственных организаций, грузоперевозчики в нашей стране более активно внедряют системы транспортного мониторинга.

Другие отрасли. Разумеется, значительную помощь GPS-приемники оказывают картографам. А сейсмологи при помощи чувствительных GPS-датчиков контролируют движение тектонических плит. Наконец, такое явление, как геотэгинг, когда при съемке фотографии в нее автоматически записываются координаты снимка, немыслимо без GPS. И это далеко не полный перечень того, где применяется или может применяться GPS.

Сейсмологи при помощи чувствительных GPS-датчиков контролируют движение тектонических плит.

В завершение было бы несправедливо не упомянуть об альтернативе GPS - российской системе ГЛОНАСС. В последнее время активно лоббируется ее продвижение на рынке России. Объясняется это как корпоративными интересами Роскосмоса, так и национальными государственными интересами (выше уже говорилось о том, что GPS полностью подконтрольна Пентагону, а потому использование ее другими государствами в критической ситуации может обернуться весьма печальными последствиями). В свете укрепления позиций системы ГЛОНАСС на российском рынке логично предположить, что и в нашей стране она со временем займет определенную нишу. Впрочем, здесь тема разговора переходит уже, скорее, в политическую плоскость.

Дмитрий МАКАРСКИЙ

Версия для печатиВерсия для печати

Рубрики: 

  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
Всего голосов: 0
Заметили ошибку? Выделите ее мышкой и нажмите Ctrl+Enter!
 

Комментарии

Аватар пользователя Al

"О маршрутизаторах еще несколько лет назад ..."  - досадная опечатка. Надо "О навигаторах...".

Как статья для энциклопедии - нормально. От себя добавлю ещё одно практическое применение навигаторов - пешими людьми. Удобно очень, проверено на себе.  Тем более что современные навигаторы имеют карманный формат. Лишь бы была загружена соответствующая карта. Причём это может быть и карта в виде плана, и карта в виде фотографии из космоса, и комбинированная - фото с названиями улиц. В этом случае не заблудишься ни в городе, ни в лесу. Кстати, карты - это платный сервис.

Аватар пользователя mike

 Вообще-то, прочитав заголовок, от статьи ожидал большего.  КАК сделано? Тему автор  НЕ раскрыл. Эффект Допплера? Да, он позволяет вычислить поправку на скорость спутника, но не является основным эффектом, на котором базируются системы, подобные GPS. Основной используемый эффект --  чрезвычайная острота автокорреляционной функции некоторых классов шумоподобных сигналов, что позволяет приёмнику GPS с очень высокой точностью определять ЗАДЕРЖКУ (а следовательно, и расстояние) между ним и видимыми им  спутниками. Далее приёмник GPS  устраняет  неопределённость расстояния до синхронизатора путём решения системы уравнений с количеством уравнений большим, чем число переменных. Отсюда и необходимость видеть минимум 4 спутника для трёх полярных координат. GPS также имеет  наземные следящие радиоинтерферометры для определения текущих координат спутников, посылаемых приёмнику GPS. Автору -- мой длинный и жирный минус; то, что он написал, может запросто выдать и школьник, посмотрев "дискавери" или почитав научпоп.

И ещё. Утверждение, что первый ИСЗ СССР стимулировал в США создание GPS -- дурацкий вымысел какого-то журналиста. (Вымысел попал и  в Википедию.) В то время отсутствовала практическая база для подобных вещей. GPS родилась позже, в результате нетривиальной суммы  технологий радионавигации,  микроэлектроники и производства лёгких прецизионных атомных часов, устанавливаемых на спутниках, ну и собственно запусков спутников, переставших быть чем-то необычным. Чего только не понапишут журналисты!  Даже Интернет объявляют американским ответом на запуск 1-го ИСЗ.

Аватар пользователя leo3

Совершенно согласен с Майком. Тема интресная, но текст абсолютно поверхностный и абсолютно пустой... Ничего не сказано о главном назначении GPS и ГЛОНАСС - наведение ядерных ракет. Это было главной причиной создания обеих систем. Кроме того, крайне интересен вопрос релятивистских эффектов на навигационных спутниках...Кроме того ни слова не сказано про европейский проект... В общем - жирный минус

А безопасно ли это в плане разных волн, э/м-излучения?