Нашим предкам приходилось идти на крайние меры, чтобы не заблудиться. Они воздвигали монументальные памятники, кропотливо составляли подробные карты и учились читать звезды на ночном небе.
Сегодня все намного проще. Менее чем за 100 долларов вы можете получить карманный гаджет, который точно скажет вам, где вы находитесь на Земле в любой момент. Пока у вас есть GPS-приемник и ясное небо, вы больше никогда не потеряетесь.
В этой статье мы узнаем, как эти удобные руководства реализуют этот удивительный трюк. Как мы увидим, Глобальная система позиционирования обширна, дорога и требует большого технического мастерства, но основные принципы работы довольно просты и интуитивно понятны.
Когда люди говорят о «GPS», они обычно имеют в видуприемник GPSГлобальная система позиционирования(GPS) на самом деле являетсясозвездие из 27 спутников на околоземной орбите (24 в работе и три дополнительных на случай отказа одного). Военные США разработали и внедрили эту спутниковую сеть в качестве военной навигационной системы, но вскоре открыли ее для всех остальных.
Каждый из этих спутников весом от 3000 до 4000 фунтов, работающих на солнечной энергии, вращается вокруг земного шара на расстоянии около 12 000 миль (19 300 км), совершая два полных оборота каждый день. Орбиты устроены так, что в любой момент времени в любой точке Земли на небе «видны» как минимум четыре спутника.
Работа GPS-приемника состоит в том, чтобы определить местонахождение четырех или более таких спутников, определить расстояние до каждого из них и использовать эту информацию для определения собственного местоположения. Эта операция основана на простом математическом принципе под названиемтрилатерация Трилатерация в трехмерном пространстве может быть немного сложной, поэтому мы начнем с объяснения простой двумерной трилатерации.
2-D трилатерация
Представьте, что вы находитесь где-то в Соединенных Штатах и вы ПОЛНОСТЬЮ заблудились - по какой-то причине вы совершенно не понимаете, где вы находитесь. Вы находите дружелюбного местного жителя и спрашиваете: «Где я?» Он говорит: «Вы в 625 милях от Бойсе, штат Айдахо».
Это приятный, неопровержимый факт, но сам по себе он не особенно полезен. Вы можете находиться где угодно на окружности Бойсе радиусом 625 миль, например:
Вы спрашиваете кого-то еще, где вы находитесь, и она отвечает: «Вы в 690 милях от Миннеаполиса, штат Миннесота». Теперь ты куда-то идешь. Если вы объедините эту информацию с информацией Бойсе, вы получите две пересекающиеся окружности. Теперь вы знаете, что должны находиться в одной из этих двух точек пересечения, если вы находитесь в 625 милях от Бойсе и в 690 милях от Миннеаполиса.
Если третий человек скажет вам, что вы находитесь в 615 милях от Тусона, штат Аризона, вы можете исключить одну из возможностей, потому что третий круг будет пересекаться только с одной из этих точек. Теперь вы точно знаете, где находитесь - Денвер, Колорадо.
Эта же концепция работает и в трехмерном пространстве, но вы имеете дело ссферами вместо кругов. В следующем разделе мы рассмотрим этот тип трилатерации.
Трехмерная трилатерация
По сути, трехмерная трилатерация не сильно отличается от двухмерной трилатерации, но визуализировать ее немного сложнее. Представьте, что радиусы из предыдущих примеров расходятся во всех направлениях. Таким образом, вместо серии кругов вы получите серию сфер.
Если вы знаете, что находитесь в 10 милях от спутника А в небе, вы можете находиться где угодно на поверхности огромной воображаемой сферы радиусом 10 миль. Если вы также знаете, что находитесь в 15 милях от спутника B, вы можете наложить первую сферу на другую, большую сферу. Сферы пересекаются по идеальной окружности. Если вы знаете расстояние до третьего спутника, вы получите третью сферу, которая пересекается с этой окружностью в двух точках.
Четвертой сферой может выступать и сама Земля - только одна из двух возможных точек будет на самом деле на поверхности планеты, так что вы можете исключить ту, что находится в космосе. Однако приемники обычно обращаются к четырем или более спутникам, чтобы повысить точность и предоставить точную информацию о высоте.
Чтобы сделать этот простой расчет, приемник GPS должен знать две вещи:
- Расположение как минимум трех спутников над вами
- Расстояние между вами и каждым из этих спутников
Приемник GPS вычисляет обе эти вещи, анализируя высокочастотные маломощныерадиосигналы от спутников GPS. У лучших устройств есть несколько приемников, поэтому они могут одновременно принимать сигналы с нескольких спутников.
Радиоволны представляют собой электромагнитную энергию, что означает, что они распространяются со скоростью света (около 186 000 миль в секунду, 300 000 км в секунду в вакууме). Приемник может определить, как далеко прошел сигнал, замерив время, за которое сигнал прибыл. В следующем разделе мы увидим, как приемник и спутник работают вместе, чтобы выполнить это измерение.
Расчеты GPS
На предыдущей странице мы видели, что приемник GPS вычисляет расстояние до спутников GPS, измеряя путь сигнала от спутника до приемника. Как оказалось, это довольно сложный процесс.
В определенное время (скажем, в полночь) спутник начинает передавать длинный цифровой код, называемыйпсевдослучайным кодом Приемник начинает передавать точно такой же цифровой шаблон в полночь. Когда сигнал спутника достигает приемника, его передача шаблона будет немного отставать от воспроизведения шаблона приемником.
Длительность задержки равна времени прохождения сигнала. Приемник умножает это время на скорость света, чтобы определить, как далеко прошел сигнал. Предполагая, что сигнал шел по прямой линии, это расстояние от приемника до спутника.
Для выполнения этого измерения приемнику и спутнику нужны часы, которые можно синхронизировать с точностью до наносекунды. Чтобы сделать систему спутникового позиционирования, использующую только синхронизированные часы, нужно было бы иметь атомные часы не только на всех спутниках, но и в самом приемнике. Но атомные часы стоят от 50 000 до 100 000 долларов, что делает их слишком дорогими для повседневного использования.
Глобальная система позиционирования предлагает разумное и эффективное решение этой проблемы. На каждом спутнике стоят дорогие атомные часы, но сам приемник использует обычные кварцевые часы, которые он постоянно сбрасывает. Короче говоря, приемник смотрит на входящие сигналы от четырех или более спутников и оценивает собственную неточность. Другими словами, существует только одно значение «текущего времени», которое может использовать получатель. Правильное значение времени приведет к тому, что все сигналы, которые получает приемник, будут выровнены в одной точке пространства. Это значение времени является значением времени, хранящимся в атомных часах на всех спутниках. Таким образом, приемник устанавливает свои часы на это значение времени, и тогда оно имеет то же значение времени, что и все атомные часы на всех спутниках. Приемник GPS получает точность атомных часов «бесплатно».
Когда вы измеряете расстояние до четырех спутников, вы можете нарисовать четыре сферы, пересекающиеся в одной точке. Три сферы пересекутся, даже если ваши числа далеко неверны, но четыре сферы не пересекутся в одной точке, если вы измерили неправильно. Поскольку приемник выполняет все измерения расстояний, используя свои собственные встроенные часы, все расстояния будутпропорционально неверными
Приемник может легко рассчитать необходимую корректировку, при которой четыре сферы пересекутся в одной точке. На основании этого он сбрасывает свои часы, чтобы они синхронизировались с атомными часами спутника. Приемник делает это постоянно, когда он включен, что означает, что он почти так же точен, как дорогие атомные часы на спутниках.
Для того чтобы информация о расстоянии была полезной, приемник также должен знать, где на самом деле находятся спутники. Это не особенно сложно, потому что спутники летают по очень высоким и предсказуемым орбитам. Приемник GPS просто сохраняетальманах, который сообщает ему, где каждый спутник должен находиться в любой момент времени. Такие вещи, как притяжение Луны и Солнца, очень незначительно изменяют орбиты спутников, но Министерство обороны постоянно отслеживает их точное положение и передает любые корректировки на все GPS-приемники как часть спутниковых сигналов.
В следующем разделе мы рассмотрим возможные ошибки и посмотрим, как GPS-приемник их исправляет.
Дифференциальный GPS
До сих пор мы узнали, как GPS-приемник вычисляет свое положение на Земле на основе информации, которую он получает от четырех спутников. Эта система работает довольно хорошо, но все же всплывают неточности. Во-первых, этот метод предполагает, что радиосигналы будут проходить через атмосферу с постоянной скоростью (скоростью света). На самом деле атмосфера Земли несколько замедляет электромагнитную энергию, особенно когда она проходит через ионосферу и тропосферу. Задержка варьируется в зависимости от того, где вы находитесь на Земле, а это означает, что ее трудно точно учесть при расчете расстояния. Проблемы также могут возникнуть, когда радиосигналы отражаются от больших объектов, таких как небоскребы, создавая у приемника впечатление, что спутник находится дальше, чем он есть на самом деле. Вдобавок ко всему, спутники иногда просто посылают неверные данные альманаха, неверно сообщая о своем местоположении.
Дифференциальный GPS (DGPS) помогает исправить эти ошибки. Основная идея состоит в том, чтобы измерить неточность GPS на стационарной принимающей станции с известным местоположением. Поскольку оборудование DGPS на станции уже знает свое собственное положение, оно может легко рассчитать погрешность своего приемника. Затем станция транслирует радиосигнал на все приемники, оснащенные DGPS, в этом районе, предоставляя информацию о корректировке сигнала для этого района. В общем, доступ к этой поправочной информации делает приемники DGPS гораздо более точными, чем обычные приемники.
Наиболее важной функцией GPS-приемника является улавливание передач как минимум четырех спутников и объединение информации в этих передачах с информацией в электронном альманахе, чтобы определить положение приемника на Земле.
После того, как приемник сделает этот расчет, он может сообщить вам широту, долготу и высоту (или другие подобные измерения) своего текущего положения. Чтобы сделать навигацию более удобной, большинство приемников вставляют эти необработанные данные в файлы карты, хранящиеся в памяти.
Вы можете использовать карты, хранящиеся в памяти приемника, подключить приемник к компьютеру, который может хранить в памяти более подробные карты, или просто купить подробную карту вашего района и найти дорогу, используя широту и долготу приемника. показания. Некоторые приемники позволяют загружать подробные карты в память или поставлять подробные карты со сменными картриджами с картами.
Стандартный GPS-приемник не только разместит вас на карте в любом конкретном месте, но и проследит ваш путь по карте во время движения. Если вы оставите приемник включенным, он может поддерживать постоянную связь со спутниками GPS, чтобы отслеживать, как меняется ваше местоположение. С помощью этой информации и встроенных часов приемник может дать вам несколько ценных сведений:
- Как далеко вы проехали (одометр)
- Как долго вы путешествовали
- Ваша текущая скорость (спидометр)
- Ваша средняя скорость
- Путь «хлебных крошек», показывающий, где именно вы путешествовали по карте
- Расчетное время прибытия в пункт назначения, если вы сохраняете текущую скорость
Для получения дополнительной информации о приемниках GPS и смежных темах перейдите по следующим ссылкам.
Часто задаваемые вопросы
Что означает GPS?
GPS означает глобальную систему позиционирования.
Как работает GPS на телефоне?
GPS расшифровывается как Global Positioning System и представляет собой технологию, используемую для определения местоположения устройства. GPS-трекинг работает с использованием сети спутников для определения местоположения устройства. Затем устройство использует эту информацию для расчета своего местоположения.
Что такое GPS и ГИС?
GPS означает глобальную систему позиционирования. Это спутниковая навигационная система, которая предоставляет информацию о местоположении и времени при любых погодных условиях, в любом месте на поверхности Земли или вблизи нее. ГИС расшифровывается как географическая информационная система. Это система, предназначенная для сбора, хранения, обработки, анализа, управления и представления пространственных или географических данных.