Системи глобального позиціонування (GPS) Близько року тому я перший раз взяв у руки портативну систему глобального позиціонування. Серце старого туриста миттєво було розбите. Така функціональність! Якби Колумб використав подібний пристрій, то ніякої Америки б він не відкрив, а приплив прямісінько в Індію.
Останнім часом досягнення фізиків доходять до звичайних користувачів значно швидше, ніж це було раніше. Електроніка знаходиться на такому рівні, що дозволяє створити в сірниковій коробці мікрокомп'ютер, по потужності не поступається звичайній настільній машині. У космосі знаходяться сотні супутників, які виконують найрізноманітніші завдання. Відрадно бачити, що все більші число досягнень людської думки починають служити людям, а то, що всього кілька років тому працювало на військових, розсекречувати. Безумовно, одна з таких розробок - глобальна система навігації та визначення положення (Global Positioning System).
Довгі роки ця система працювала виключно для військових цілей. Іноді люди в погонах ділилися нею з топографами і моряками. Однак, в повному обсязі її послуги стали доступні звичайним громадянам лише в минулому році. У цьому огляді мені хочеться розповісти вам про основні принципи роботи цієї системи. Тим, хто в минулому цікавився радіолокацією, буде досить просто зрозуміти його. Спочатку давайте поговоримо про ті можливості, які дає вам система GPS.
Що дозволяє система глобального позиціонування?
Часом, навіть не усвідомлюючи того, ми потребуємо того, щоб визначити місце свого перебування. У більшості випадків абсолютна координата нас не турбує, а от відносна величина зсуву від цілком певного об'єкта важлива. Однак, для її обчислення необхідне знання саме абсолютних координат. Їх і дозволяє отримати прилад, який в народі називається GPS (походження цієї назви легко пояснити).
Ви можете помітити, що якщо знати не тільки координати, але і моменти часу, в які вони виміряні, то можна говорити не тільки про простих вимірах довжин. Дійсно, при сучасному рівні розвитку електроніки можна створити цілком портативний і мобільний прилад, який зможе співвідносити такі величини, як час і координати. Чи не придумаю велосипед, якщо скажу вам, що їх створено досить велика кількість.
Система глобального позиціонування дозволяє отримувати дані про усунення однієї точки на поверхні землі від іншої. Для таких обчислень прилад повинен мати пристрій. У ньому може зберігатися інформація про місцезнаходження цього приладу раніше, і тоді не складе великих проблем з обчислення зсуву між точкою справжнього і відкладеної в пам'яті приладу. Або дані про деякий об'єкт, інформація про який записана в прилад раніше. Наприклад, координати міста Риму. У вас відразу може виникнути питання: "Чи не є відстань хорда?". Відповідь на це забавне питання може дати винятково розробник. Безумовно, для мандрівника важливо відстань, яке пройдуть його ноги або проїдуть колеса його автомобіля, а не штучні цифри про найкоротші дистанції. З іншого боку закласти в пам'ять приладу дані про всім рельєфі земної кулі завдання не реальна. Плюс до цього обчислення стануть дуже громіздкі. Тому в більшості випадків розрахунки ведуться з міркувань того, що земля має форму кулі (хоча і це не так).
Похибка, отримана при такому обчисленні, дуже істотна, оскільки точність сучасних приладів глобального позиціонування становить 10-20 сантиметрів.
Крім горизонтальної координати система глобального позиціонування дозволяє визначати вертикальну координату, або висоту над рівнем моря. Іноді користувачі не знають, що таке "висота над рівнем моря". Пропоную в першу чергу згадати про те, що це таке. Тим більше ми можемо пишатися тим, що ця величина прямо пов'язана з нашою країною. Отже, неподалік славного міста Санкт-Петербург є не менше славне місто Кронштадт. Це острівної населений пункт. З давніх-давен на ньому знаходилася морська фортеця і порт. Припливи і відливи в цьому місці набагато менше, ніж в інших морях, затоках, океанах і т.д. Тому саме на пристані цього міста зробили замітку, від якої весь світ міряє рівень - висоту над рівнем моря. Система глобального позиціонування дозволяє виміряти її. Точність цієї величини трохи нижче, ніж для вимірювання горизонтальної координати. Похибка становить близько 10 метрів.
Практично всі прилади системи глобального позиціонування мають пристрої пам'яті. Це дозволяє вимірювати не тільки висоту над рівнем моря, а й відносну висоту об'єктів. Ця функція робить подібні пристрої незамінними для альпіністів. Однак, похибка в 10 метрів в цьому виді спорту є неприпустимою. Тому намагайтеся знайти таке місце, де кількість супутників, сигнал від яких надходить на прилад глобального позиціонування, максимально. В цьому випадку похибка буде істотно менше.
Система глобального позиціонування може замінити звичайний магнітний компас. Для її роботи досить інформації, переданої зі супутників. Спираючись на дані про знаходження різних частин світу, або, точніше кажучи, розташуванні приладу щодо їх, можна робити найрізноманітніші обчислення. Функція компаса приємно доповнює всі інші можливості приладу, але трохи відходить в тінь. Далі ви зрозумієте чому.
Більшість приладів дозволяє отримувати значення миттєвої швидкості руху приладу глобального позиціонування. Чим швидше рухається об'єкт, тим ця величина вимірюється з більш високою точністю. Природно, існує порогове значення для миттєвої швидкості. Верхня межа досить велика, щоб автомобіліст або льотчик замислювався про помилку в її обчисленні. А от нижня межа має свою межу, який може перешкодити користувачеві системи отримувати точні дані про миттєвої швидкості. Ця межа безпосередньо пов'язана з помилкою (похибкою) визначення координати. За моїми спостереженнями, а вони сильно розходяться з числами, заявленими деякими виробниками, миттєва швидкість достовірно вимірюється при значенні 2 км / год і вище. Всі інші більш низькі значення помилкові, хоча бувають винятки. Наприклад, в тих випадках, коли ваш прилад глобального позиціонування приймає сигнал від п'яти супутників одночасно. Значення миттєвої швидкості може зацікавити всіх тих, хто з якихось причин не може оцінити її традиційним способом. Наприклад, власники водних мотоциклів і снігоходів. Однак нерідкі випадки, коли власники звичайних автомобілів відмовляються від штатних спідометрів на користь приладів глобального позиціонування. Іноді цей крок виправданий, хоча в більшості випадків цей апгрейт можна вважати дорогим тюнінгом вашого автомобіля або мотоцикла. Далі ми розповімо про інші особливості приладу глобального позиціонування і, можливо, ваша думка щодо тюнінгу зміниться.
Як я вже писав вище, практично всі системи глобального позиціонування мають деякий обсяг пам'яті. З її допомогою можна проводити всілякі розрахунки. Безумовно, визначення миттєвої швидкості - це приклад застосування пам'яті. Правда, для таких обчислень багато пам'яті не треба. А ось для визначення середньої швидкості її обсяг потрібно збільшити прямо пропорційно відстані, на якому ви будите проводити вимірювання середньої швидкості. Виробники приладів глобального позиціонування використовують найрізноманітніші алгоритми обчислення середньої швидкості. Найбільш простий полягає в тому, щоб розділити загальну відстань на час, протягом якого його пройдено. Однак, іноді це занадто грубо. Практично всі виробники включають ще один алгоритм вимірювання. Він полягає в тому, що часи простою (координата залишається незмінною) перед обчисленням середньої швидкості віднімаються із загального часу руху. Безумовно, можна придумати відразу кілька ситуацій, коли такий метод не дасть правильних обчислень. На жаль, виробники рідко дають користувачеві можливість самому запрограмувати свій алгоритм, але все ж такі прилади є.
Ще одне застосування пам'яті в пристроях глобального позиціонування - це запам'ятовування координати точки. З цієї функції випливає і кілька інших можливостей. Ясно, що в будь-який момент ви можете виміряти поточну координату і занести її в пам'ять. Чим це зручно? Почну з прикладу. Припустимо, ви опинилися в іншому місті і оселилися в готелі. Увечері ви вирушили погуляти. Стемніло. Всі будинки відрізняються. Де ваша готель - невідомо. Ви проклинаєте себе за те, що в дитинстві не вчили іноземну мову ... Однак, все може бути не так. Досить використовувати прилад глобального позиціонування і при виході з готелю (сільського будиночка, машини, катери і т.д.) запам'ятати координату. У будь-який момент часу ви зможете визначити відстань до готелю і напрямок до неї. Правда, це зручно?
Можна ще трохи розвинути технологію запам'ятовування миттєвих координат. Просто давайте збільшимо кількість точок простору, які ми можемо відкласти в пам'яті. В результаті ми можемо отримати траєкторію нашого руху. Правда, точність її буде обумовлюватися частотою установки проміжних координат. Більшість приладів глобального позиціонування дозволяють запам'ятати до 500 миттєвих координат і до 20 маршрутів (кожен маршрут містить 500 точок).
Чи не найпростіші системи глобального позиціонування мають вбудовану карту. Вона відображається на графічному дисплеї, яким обладнаний кожен прилад. У більшості випадків карта знаходиться в додатковому картриджі. Вартість такої картки може доходити до 200 доларів. Однак ця ціна виправдана чудовою подробицею і якістю карти. Наведу приклад. Якщо ви заблукали в дорогах Фінляндії і не можете знайти дороги до найближчої бензоколонці, то система глобального позиціонування, обладнана картою Скандинавії, покаже вам напрямок, номер дороги і відстань до такої станції. Ця карта містить інформацію про всі об'єкти, які так чи інакше потрібні мандрівникові або автомобілісту. На жаль, у продажу відсутні карти Росії. Вірніше вони є, але якість таких "карт" змушує згадати анекдот про льотчиків, які летіли по пачці Беломора.
За допомогою системи глобального позиціонування ви можете не тільки дізнатися відстань до потрібного вам населеного пункту, а й розрахунковий час прибуття в нього. Мікрокомп'ютер поділить решту шляху на середню швидкість руху. Погодьтеся, такі дані дуже корисні для автомобіліста.
Тепер після маленького екскурсу в можливості системи глобального позиціонування. Пропоную вам ознайомитися з принципами роботи приладу глобального позиціонування.
Принцип дії системи не дуже складний, і більшість звичайних, не обтяжених фізикою людей зможе його зрозуміти. Мені хочеться настійно рекомендувати вам не пропускати цей розділ. Навіть поверхове знання принципів роботи цього пристрою зробить з вас грамотного користувача, і ви зможете вирішити (або пояснити) деякі проблеми, які можливо вас чекають. Отже, приступимо.
Систему можна умовно розділити на три частини: Cпутник, управління супутниками і приймачі системи глобального позиціонування.
На висоті близько 20 000 км над землею знаходяться 28 супутників системи. Вони розташовані таким чином, що будь-який спостерігач з поверхні нашої планети бачить як мінімум чотири супутники. Кожен з них має два генератора, які задають частоти - L1 = 1575.42МГц і L2 = 1227.60МГц. Такий діапазон вибраний не випадково. Саме така довжина хвилі практично без ускладнень досягає поверхні землі. Іоносфера для неї прозора. Друга причина в тому, що передавальна антена для цієї довжини хвилі має невеликі розміри. Це важливо, тому що доставка в космос кожного кілограма коштує великих коштів. Практично всі супутникові антени працюють на частоті близької до 2 ГГц.
Система управління супутниками знаходиться на поверхні землі. Вона постійно підтримує зв'язок із супутниками. Система управління необхідна для того, щоб пересилати на останні уточнену інформацію про їх орбітах. Самі супутники не несуть обладнання, необхідного для таких обчислень. Теоретично це можливо, але простіше і дешевше пересилати цю інформацію з землі.
Приймачі системи глобального позиціонування є кінцевою ланкою цього ланцюга. Саме ними користуємося ми для визначення точних координат свого місця розташування. Пристрій обладнаний антеною і двома генераторами, які задають частоти такі ж, як і на супутнику. Мікропроцесор, який є серцем приладу глобального позиціонування, робить всі необхідні розрахунки.
Сигнал, що випромінюється супутником, називається фазовоманіпулірованний псевдовипадковий код. Він може містити різну інформацію. За типом цієї інформації його ділять на грубий код і точний код. Загрубленіе коду не випадково. Система є військовою, і люди в погонах довгий час не хотіли давати можливість цивільним з високою точністю визначати свою координату.
Координата пристрою глобального позиціонування визначається по відстані від супутників. Відстань це визначається як добуток часу, за який сигнал доходить від супутника до портативного приладу, на швидкість поширення сигналу. Основне завдання при такому методі - це синхронізація годин на супутнику і на землі. Розробники системи вирішили цю проблему за допомогою деякої надмірності інформації, що передається з супутника.
Скільки супутників потрібно для визначення координати користувача? Очевидно, що якщо в зоні прямої видимості знаходиться тільки один супутник, то приймач може перебувати в будь-якій точці поверхні сфери.
Якщо користувач працює з двома супутниками, то його місце розташування знаходиться на перетині двох сфер - окружності.
У тому випадку, коли приймач отримує інформацію з трьох супутників, то він може перебувати в двох точках простору (на малюнку позначено синім). Всі прилади обробляють такий випадок і видають координату, так як одна з точок "помилкова" (розташована високо над рівнем Землі або глибоко під Землею). Точність визначення координат в цьому випадку найнижча з можливих.
Більшість приладів має до 8 незалежних каналів прийому інформації. Іншими словами вони можуть працювати відразу з вісьмома супутниками одночасно. Пам'ятайте, чим більше супутників бачить ваш прилад глобального позиціонування, тим точніше визначається ваша координата.
У цій невеликій вступній статті ми почали розмову про системи глобального позиціонування. Ми будемо раді, якщо вас зацікавила ця тема. Надалі ми розповімо вам про те, як можна збільшити точність портативних систем глобального позиціонування, і про деяких приладах цієї системи, які ви зможете придбати в магазинах для туристів.
У висновку хочу сказати вам про те, що використання подібних систем в нашій країні поки заборонено. Якщо у вас виявлять таку систему, то її можуть конфіскувати (як і пристрій сканування ефіру). Ми сподіваємося, що найближчим часом депутати розглянуть питання про експлуатацію таких систем, і всі заборони на їх застосування будуть зняті.