Как устроена и как работает gps-навигация, сигналы системы gps, как приемник gps-навигатора определяет свое положение.

Основные принципы определения координат с помощью GPS-системы

В основе определения координат GPS-приемника лежит вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным (эти данные находятся в принятом с GPS-спутника альманахе).
В геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами называется трилатерацией.

Если известно расстояние А до одного спутника, то координаты приемника определить нельзя (он может находиться в любой точке сферы радиусом А, описанной вокруг спутника).
Пусть известна удаленность В приемника от второго спутника.
В этом случае определение координат также не представляется возможным объект находится на окружности, которая является пересечением двух сфер.
Расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек (обозначены двумя жирными точками на Рис.
1).
Этого уже достаточно для однозначного определения координат дело в том, что из двух возможных точек расположения приемника лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близости от нее), а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью.
Таким образом, для трехмерной навигации теоретически достаточно знать расстояния от приемника до 3 спутников.

Однако все не так просто.
Приведенные выше рассуждения рассматривались для случая, когда расстояния от точки наблюдения до спутников были известны с абсолютной точностью.
Разумеется, на практике всегда есть некоторая погрешность измерений (невязка) например, из-за неточной синхронизации часов приемника и спутника, зависимости скорости света от состояния атмосферы и др.
Поэтому для определения трехмерных координат GPS-приемника используются не 3, а, как минимум, 4 спутника.
Получив сигнал от 4 (или более) спутников, GPS-приемник ищет точку пересечения соответствующих сфер.
Если такой точки нет, процессор GPS-приемника начинает методом последовательных приближений корректировать свои часы до тех пор, пока не добьется пересечения всех сфер в одной точке.

Координаты подвижного абонента определяются с помощью стандартного навигационного GPS-приемника, встроенного в терминал пользователя.
Навигационный приемник сигналов для системы GPS состоит из приемного модуля и малогабаритной антенны с малошумным усилителем.
Приемный модуль выпускается как в виде автономного устройства со встроенными источниками питания, так и в виде отдельной платы, встраиваемой в абонентский терминал.

Устройство, как правило, использует собственную миниатюрную антенну и автономно вычисляет географические координаты и всемирное время (UTC) по навигационным сигналам.
GPS-приемники чаще всего применяются, если необходимо получить высокую точность координат (погрешность не более 100 м).
Захватив сигнал, навигационный приемник автоматически вычисляет координаты объекта, скорость сигнала и всемирное время, и формирует отчет.
Сведения о местонахождении объекта передаются по спутниковым каналам связи в диспетчерский пункт.
Навигационные устройства могут различаться по количеству каналов приема, скорости обновления данных, времени вычислений, точности и надежности определения координат.

Современные GPS-устройства обычно оснащены 6-8 приемниками, что позволяет отслеживать, практически, все навигационные спутники, находящиеся в зоне радиовидимости объекта.
Если каналов меньше, чем наблюдаемых спутников, автоматически выбирается наиболее оптимальное сочетание спутников.
Скорость обновления навигационных данных 1 с.
Время обнаружения зависит от числа одновременно наблюдаемых спутников и режима определения местоположения.
Определение навигационных параметров может производиться в двух режимах 2D (двумерном) и 3D (пространственном).
В режиме 2D устанавливаются широта и долгота (высота считается известной).
При этом достаточно присутствия в зоне радиовидимости 3 спутников.
Время определения координат в режиме 2D обычно не превышает 2 мин.
Для определения пространственных координат абонента (режим 3D) требуется, чтобы в соответствующей зоне находились не менее 4 спутников.
Гарантируются время обнаружения не более 3-4 мин и погрешность вычисления координат не более 100 м.

Про сотовые вышки или нужен ли интернет?

Как вы, наверное, уже поняли навигатору не нужно интернет соединения ВООБЩЕ! Поэтому высказывания – «если нет интернета, нет и позиционирования» – МЯГКО СКАЗАТЬ ОШИБОЧНЫ! Навигационные системы работают на прямую, со спутниками и сотовые вышки им совершенно не нужны.

Но откуда же пошел такой миф? Все просто, виноваты в этом сотовые телефоны и первые навигационные системы от поисковиков (Яндекс Google). Именно они, в начале своего пути, позиционировали по расположению точки между базовыми станциями. То есть человек с телефоном запускал программу, она автоматически опрашивала сотовые вышки и они примерно, показывали ваше местоположение, погрешность была огромной, лично я сам помню до 2 километров, особенно в тех местах, где не было достаточно сотовых вышек (интернета). ДА и такое позиционирование было очень медленным, стояло выехать за город, сигнал терялся, интернет становился вообще «ниже плинтуса» и программа зависала. Проблема была еще и в том что вашему гаджету нужно было тянуть карты из интернета в режиме онлайн!

Сейчас совершенно другая ситуация, поисковики научили свои программы, корректно работать с GPS модулями:

Появилась возможность позиционирования через спутники, а не только через базовые станции. Есть и гибридный режим – спутники + вышки.
Можно выкачать карту вашей местности (города, села области и т.д.), что не дает не нужного расхода интернета.
Позиционирование очень точное, с точностью до метра.

НА этом у меня все, читайте наш АВТОБЛОГ.

Навигационные радиосигналы

Спектр навигационных радиосигналов системы GPS

Характеристики навигационных радиосигналов системы GPS

Диапазон	Несущая частота, МГц	Сигнал	Длительностькода ПСП, символы	Тактовая частота, МГц	Вид модуляции	Скоростьпередачи ЦИ,БИТ/С
L1	1 575,42	C/AP(Y)ML1C_DL1C_P(Y)	1 023~ 7 днейнет данных10 23010 230·1 800	1,02310,235,1151,0231,023	BPSK(1)BPSK(10)ВОС(10, 5)ВОС(1,1)ТМВОС(6, 1, 1/11)	50/5050/50нет данных100/50пилот-сигнал
L2	1 227,6	P(Y)L2CM	~ 7 днейМ: 10 230L: 767 250нет данных	10,231,0235,115	BPSK(10)BPSK(1)ВОС(10, 5)	50/5050/25нет данных
L5	1 176,45	L5IL5Q	10 230·1010 230·20	10,2310,23	QPSK(10)QPSK(10)	100/50пилот-сигнал

СТРУКТУРА ЦИ НАВИГАЦИОННЫХ РАДИОСИГНАЛОВ СИСТЕМЫ GPS

Внедрение новых навигационных сигналов GPS сопровождается совершенствованием структуры цифровой информации и применением новых видов модуляции,
а также переходом от структуры навигационного сообщения типа NAV на структуры типа CNAV и CNAV-2.

Навигационные сообщение типа CNAV являются усовершенствованными версиями навигационного сообщения NAV, позволяющие точнее передавать оперативную и неоперативную
информацию о состоянии системы GPS. В навигационном сообщении CNAV содержится информация того же типа, что и в сообщении NAV (текущее время, признаки состояния КА, ЭВИ,
альманах системы и т.п.), однако эта информация передается в новом формате. Вместо использования архитектуры суперкадров/кадров сообщение передается в виде пакетов
различной длительности. Наиболее существенными изменениями структуры CNAV являются расширение количества КА, используемых по
целевому назначению с 32 до 63, а также возможность оперативно передать данные о работоспособности конкретного аппарата (целостности) с задержкой менее 6 с.

Традиционные навигационные радиосигналы L1P, L1C/A, L2P, L2C, L5, использующие бинарную фазовую манипуляцию (Binary Phase Shift Key – BPSK), дополняются радиосигналами L1C, L1M и L2M с меандровой модуляцией частоты несущих колебаний (Binary Offset Carrier – BOC). Применение BOC модуляции позволяет повысить точность оценки измерений текущих навигационных параметров не только в обычных условиях, но в сложных условиях приема большого количества переотраженных радиосигналов НКА.

Предусматривается предоставление двух видов услуг системы GPS:

услуга открытого доступа, посредством радиосигналов L1C/A, L1C, L2C и L5;
услуга селективного доступа, посредством радиосигналов L1P, L1M, L2P и L2M.

Приведенная информация соответствует данным ИКД GPS 2013 года. Новый ИКД GPS был выпущен в мае 2018 года и в настоящее время находится на стадии изучения и анализа российскими специалистами.

Недостатки

Общим недостатком использования любой радионавигационной системы является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до приёмника, или приходить со значительными искажениями или задержками. Например, практически невозможно определить своё точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле. Так как рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приёма сигнала от спутников может серьёзно ухудшиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Нормальному приёму сигналов GPS могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников, а также от магнитных бурь.

Невысокое наклонение орбит GPS (примерно 55) серьёзно ухудшает точность в приполярных районах Земли, так как спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом.

Существенной особенностью GPS считается полная зависимость условий получения сигнала от министерства обороны США. Так, например, во время боевых действий в Ираке, гражданский сектор GPS был отключён.

Начиная с 2010 года, нормальной работе американской Системе глобального позиционирования (GPS) грозят серьезные сбои , сообщается в докладе Главного контрольного управления при правительстве США. Одной из главных причин возможного выхода из строя системы называются плохое управление орбитальной группировкой, состоящей из 31 спутника.

В документе отмечается, что ВВС США, ответственные за обслуживание спутниковой группировки, уже превысили бюджет соответствующей программы почти на 1 млрд долларов, однако оказались неспособны обеспечить соблюдение графика плановой замены спутников, отслуживших свой срок в космосе.

По заключению авторов доклада, сбои в работе GPS затронут не только военные операции американской армии, но и негативно отразятся на миллионах людей и бизнес-секторе. В частности, это коснется производителей автомашин, катеров и мобильных телефонов со встроенной системой глобального позиционирования.

Что дальше?

Интересно подумать, какое влияние на эти проблемы может оказать прогресс или новые технологии в ближайшем будущем. Вот несколько вещей, которые, на мой взгляд, заслуживают нашего внимания:

Все более точные составные геолокационные сервисы, в буквальном смысле могут определить, в каком кармане находится ваш телефон.
Тип обнаружения и отслеживания местоположения с низким энергопотреблением, используемый TrackR встроен прямо в операционную систему почти каждого устройства.
Более долговечные и более энергоемкие аккумуляторы, могут обеспечивать более длительное время работы для трекеров.
Более богатое и более мелкозернистое сотовое покрытие (микросота и пикосота) способно триангулировать с использованием наземных сигналов с гораздо большей точностью.
Растущее разнообразие приложений, в том числе в таких захватывающих областях, как виртуальная реальность, монетизируется продажами данных о пользователях.
Более полные базы данных мобильных устройств, маршрутизаторов и владельцев, позволяют сопоставлять GPS-треки разных людей по месту и времени.

Помните, что серверы, на которые эти приложения отправляют ваши GPS-данные, обладают неиссякаемой способностью сохранить ваш личный след в течение всей жизни, возможно, в течение очень длительного времени.

Почти ни один из них не защищен законом, и в настоящее время большинство из них чрезвычайно уязвимы для взлома, потому что он не считается достаточно чувствительным, чтобы заслуживать даже элементарной защиты, предоставляемой таким вещам, как информация о кредитной карте или медицинские записи.

Эти данные скоро станут настолько полными, что через 10 лет почти каждый сможет узнать, где вы были в прошлый вторник в 14:34, что вы делали и с кем вы работали, с надежностью, намного большей, чем вы сами могли возможно, помните это.

Системы GPS-мониторинга подвижных объектов[править]

Системы Offline — используют принцип черного ящика, который фиксирует события, привязывая каждую из них к географическим координатам и реального времени. По прибытии объекта на базу вся информация из такого черного ящика считывается, расшифровывается и становится доступна для детального анализа и агрегации. Преимущества: большое количество разнородной информации, собираемой устройством (ограничено только объемом собственной памяти устройства), отсутствие абонентской платы за передачу данных (передача осуществляется либо через физическое подключение устройства к компьютеру диспетчера, или через локальные беспроводные сети). Из недостатков: Информация доступна только после прибытия объекта на базу.
Системы Online — используют принцип радиомаяков — информация о местонахождении не фиксируется в памяти приборов, а передается в реальном времени диспетчеру. Каналами передачи данных в данном случае может выступать GSM (SMS сообщения, GPRS), радиосвязь, сеть беспроводных точек доступа. Преимущества: информация о перемещении и состоянии объекта доступна диспетчеру в реальном времени (возможна задержка обусловлена способом коммуникаций). Из недостатков: необходимость оплачивать услуги связи (размер платы изменяется от нескольких центов за SMS сообщения в пределах сети своего сотового оператора до нескольких долларов за GPRS соединение в роуминге).

Ну и что?

Действительно ли данные о местонахождении человека настолько чувствительны, что могут вызывать беспокойство?

Для большинства людей ответ ― нет, не особенно. Действительно ли меня волнует что, кто-то знает о моей поездке в магазин, или по какому маршруту я шел?

Но что, если мой пункт назначения ― здание суда, кабинет терапевта или, возможно, специализированная женская клиника?

Что если точности достаточно, чтобы сказать, с кем и как долго я нахожусь в пределах одного/двух метров?

Какие глубоко личные выводы они могут сделать?

Или что, если для того, чтобы свести концы с концами, я работаю на второй работе, что пожалуй не одобрил бы мой работодатель, а мои геолокационные данные показывают моё постоянное присутствие там?

Теперь вам не все равно?

А что если вместо уполномоченного государственного органа, к вашим данным будут иметь доступ сотни компаний всех размеров? У каждой свои цели и намерения… например продать или иным образом использовать ваши данные.

Что насчет реальных проблем возникших у совершенно невинной фермерской семьи? Или другой случай с людьми, живущими в доме в Ашберне, штат Вирджиния, где было сопоставлено 17 миллионов IP-адресов (потому что рядом было несколько крупных центров обработки данных). Недавний анализ показывает, что существуют тысячи таких «стандартных» сопоставлений.

Таким образом, помимо намеренно навязчивого использования информации о местоположении, также практически нет защиты от ошибок, небрежности или преднамеренного злоупотребления.

Сигналы системы GPS.

Все частоты в системе GPS кратны основной тактовой частоте часов спутника — 10,23 МГц. Спутник передает кодированные сигналы в диапазонах L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,6 МГц. Модуляция фазовая, так называемая псевдослучайная. Сигналы содержат два вида информации : навигационные сообщения и дальномерный псевдослучайный код. Код представляет собой последовательность единиц и нулей, на первый взгляд случайную, но изменяющуюся по сложному закону. Псевдослучайный код содержит номер спутника (PRN). Существуют два вида кода. Гражданские GPS используют С/А (Coarse Acquisition) — код, ныне передаваемый только на частоте L1. Этот код также используется для первоначального (грубого) определения позиции в PPS. Один цикл передачи кода состоит из 1023 бит и повторяется 1000 раз/сек.

Военные GPS высокой точности используют Р-код (Precise), который передается на обеих частотах, L1 и L2. В случае военной опасности Р-код может заменяться на зашифрованный Y-код. В будущем, в дополнение к отмене режима SA, для высокоответственных гражданских приложений, связанных с безопасностью жизни, например авиации, будет введен двухчастотный гражданский сервис : с 2008 года С/А-код на частоте L2, в 2012-2014 годах третья гражданская частота L5 = 1176,45 МГц. Для военных появится М-код, лучше защищенный от помех.

Навигационные сообщения GPS-навигация передает со скоростью 50 бит/сек и кодирует также псевдослучайным кодом. Каждое сообщение состоит из 25 кадров (страниц) по 1500 бит. Полный цикл передачи всего сообщения занимает 12,5 минут. Навигационное сообщение включает в себя эфемеридные данные и данные альманаха, данные о времени в системе GPS и коэффициенты для его пересчета во всемирное время, ключевые слова к Р-коду и специальные сообщения, об исправности аппаратуры и другие.

Эфемериды — это параметры орбиты спутника и некоторые коэффициенты, с помощью которых приемник вычисляет текущее и будущее положение спутника, используя математическую кеплеровскую модель. Кроме того, навигационные сообщения содержат поправки к спутниковым часам и к задержке распространения сигнала в ионосфере для пользователей С/А-кода. Альманах это данные об эфемеридах и состоянии всех остальных спутников в системе, хранятся в памяти GPS-приемника. Благодаря этим данным приемник всегда знает, где находятся все спутники системы, даже когда он их не видит, и какие спутники лучше использовать для определения координат.

Персональный GPS мониторинг[править]

Сферы применения персонального GPS мониторинга:

Наблюдение за выездными работниками компаний: страховые, рекламные агенты, мерчендайзеры, торговые агенты, курьеры и др;
Слежение за ценным багажом, грузом;
Наблюдение за детьми, пожилыми родственниками;
Слежение за животными;
Туризм, активный отдых.

В состав программно-аппаратного комплекса входят персональный трекер, сервер со специальным программным обеспечением и устройства конечных пользователей — персональные компьютеры, подключенные к сети Интернет и / или мобильные телефоны, способные выходить в Интернет

Также в комплекс входят навигационные спутники системы GPS, сеть сотовой связи GSM и всемирная информационная сеть Интернет. Вследствие общедоступности и глобальности этих составляющих комплекс может быть применен везде, где есть:

возможность для трекеров принимать сигналы навигационных спутников GPS;
наличие GSM-покрытия;
выход в Интернет.

Пользователь может осуществлять мониторинг лиц (животных, объектов), оснащенных персональными трекерами, практически по всей территории земного шара. Кроме того, пользователь сам может находиться при этом на значительном расстоянии от своего обычного местоположения — при условии, что выполняются вышеуказанные условия.

Устройство записывает полученную информацию с регулярными интервалами, а затем может эти данные записывать или передавать их с помощью радиосвязи, GPRS- или GSM-соединения, спутникового модема на сервер поддержки или другой компьютер (например, в виде SMS или по сети Интернет). При использовании сервера поддержки, он обрабатывает полученные данные и регистрирует их в своей базе данных; затем пользователь трекера может зайти на сервер системы в Интернете под своим именем и паролем, и система отображает местонахождение и географию перемещения на карте. Передвижение трекера можно анализировать или в режиме реального времени, или позже. Функция GPS трекинга есть в некоторых моделях сотовых телефонов.

Спутниковая навигация для гражданских целей

Но рядовому пользователю не очень интересно, что там у военных. Мы хотим, чтобы GPS помогала нам правильно определять наше местоположение, чтобы навигатор правильно прокладывал маршрут походов в горах или утренней пробежки, или во время путешествия на автомобиле. Сейчас уже трудно себе представить жизнь современного человека без этих удобств.

В принципе, можно сказать, что даже если мы не используем GPS непосредственно, то есть не включаем приемник сами, то мы все равно можем им пользоваться. Система самостоятельно работает, она стала привычной, удобной и необходимой частью нашей жизни.

Чем на Марсе будут заниматься Perseverance и Ingenuity?
Что может помешать нам колонизировать Марс?

Что это значит для меня?

Несмотря на простоту схемы, она приводит к тому, что большое количество людей имеет беспрепятственный доступ к чрезвычайно подробной истории ваших передвижений.

Например, компания-производитель фруктовых соков, которые я даю своим детям, знают, что вчера я ушел с работы на час раньше, и что мы с женой были в баре в субботу, и что я был в медицинской клинике в прошлый вторник в течение 4 часов. Компания по производству апельсинового сока знает всё.

Шутки в сторону? Да.

Просто замечая, что я регулярно бываю в другом офисе два вечера в неделю, и что моя жена дома с детьми ровно в те же дни (да, у неё такое же приложение о погоде), можно легко сделать вывод, что я подрабатываю на второй работе.

Хоть это и не запрещено моим работодателем, но всё же, если это станет известно, то может поставить меня в трудное положение, несмотря на то, что это моё личное время.

У моих детей тоже есть смартфоны. Для меня полезно знать где они находятся, но правильно ли, что компании всех видов также знают, по какой улице идет моя дочь в тот или иной момент, или на какой стеллаж с гигиеническими продуктами она сейчас смотрит в аптеке?

Торговые центры также находятся в игре, используя как GPS, так и предположительно бесплатный Wi-Fi, чтобы отслеживать каждый ваш шаг, анализировать, кто вы и что вы покупаете, чтобы заставить вас тратить больше.

У этого списка нет конца…

Пользовательский сегмент

Включает все приемники (роверы, планшеты, туристические навигаторы, военную технику) выполняющие определение своего местоположения.

GPS (global position system) — управление которой осуществляется правительством США;
ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система)- Российская спутниковая система;
GALILEO — европейская спутниковая система;
BEIDOU — спутниковая навигационная система под управления правительства Китая.

Все спутниковые навигационные системы отличаются сигналом, количеством спутников, одновременно находящихся на орбите, орбитальными параметрами полета спутников. Практически все спутники передают сигналы как гражданского (открытые сигналы), так и военного назначения (закрытые сигналы).

Важнейший компонент навигационного спутника — это точнейшие атомные часы, которые не сбиваются со временем. Орбиты навигационных спутников построены так чтобы вне зависимости от времени и места на земле можно было наблюдать как минимум четыре спутника одной из группировок.

Навигационный спутник транслирует данные по обычному радиоканалу на определенных частотах L1, L2, L3, B1, B2.. — правда знакомые буквы, встречающиеся в любой брошюре GNSS приёмника?

Каждый спутник транслирует полный пакет данных примерно 12,5 минут. Спутники систем GPS и ГЛОНАСС передают данные циклически с интервалом 30 секунд.
Спутники системы GPS передают данные альманаха циклически с интервалом 12,5 минут; спутники системы ГЛОНАСС передают данные альманаха циклически с интервалом 2,5 минут.

Но разумеется никто не будет ждать 3-12 минут для того чтобы определить свою координату. Именно поэтому информация «распилена» на маленькие кусочки и минимально необходимое количество информации может прийти за 30-60 секунд в зависимости от фазы, на которую вы попали.

Кстати, это и есть холодный старт — время до получения первого фиксированного значения. Который в различных приемниках составляет от 30 секунд до 1 минуты.

Время это вообще очень важная штука в GNSS

Определение местоположения координат очень плотно завязано на времени.

Вращение Земли постоянно немного замедляется. Для того чтобы среднесуточное время не разнилось на часах больше чем на 1 секунду, Международная служба вращения земли периодически вводит корректировочные високосные секунды. То есть поправки по результатам практических наблюдений. Именно поэтому на часах можно наблюдать 60ю секунду и это не будет ошибкой. Естественно современные ГНСС приемки знают этот факт и выполняют коррекции времени автоматически. Хотя еще пару лет назад было необходимо делать специальную прошивку приемника для сброса времени.

Основы функционирования GPS-системы. Общие сведения

Теория дальнометрии основана на вычислении расстояния распространения радиосигнала от спутника к приемнику по временной задержке.
Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить, просто умножив время распространения радиосигнала на скорость света.

Каждый спутник GPS-системы непрерывно генерирует радиоволны 2 частот (L1=1575.42 МГц и L2=1227.60 МГц).
Навигационный сигнал представляет собой фазоманипулированный псевдослучайный PRN-код (Pseudo Random Number code).
PRN-код бывает 2 типов.
Первый C/A-код (Coarse Acquisition code грубый код) используется в гражданских приемниках.
Он позволяет получать лишь приблизительную оценку местоположения, поэтому и называется грубым кодом.
C/A-код передается на частоте L1 с использованием фазовой манипуляции псевдослучайной последовательности длиной 1023 символа.
Защита от ошибок обеспечивается посредством кода Гоулда.
Период повторения С/А-кода 1 мс.
Другой код P (precision code точный код) обеспечивает более точное вычисление координат, но доступ к нему ограничен.
В основном, P-код предоставляется военным и (иногда) федеральным службам США (например, для решения задач геодезии и картографии).
Этот код передается на частоте L2 с применением сверхдлинной псевдослучайной последовательности с периодом повторения 267 дней.
Этот код доступен в принципе и гражданским лицам.
Но алгоритм его обработки гораздо более сложен, поэтому и аппаратура стоит дороже.
В свою очередь, частота L1 модулируется как С/А, так и Р-кодом.
В сигнале GPS может присутствовать и так называемый Y-код, являющийся зашифрованной версией P-кода (в военное время система шифровки может меняться).

Кроме навигационных сигналов, спутник непрерывно передает различного рода служебную информацию.
Пользователь GPS-приемника информируется о состоянии спутника и его параметрах: системном времени; эфемеридах (точных данных об орбите спутника); прогнозируемом времени задержки распространения радиосигнала в ионосфере (т.
к.
скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), работоспособности спутника (в так называемом альманахе содержатся обновляемые каждые 12.5 мин сведения о состоянии и орбитах всех спутников).
Эти данные (длиной 1500 бит) передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.

У каждого GPS-приемника есть собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника.
Таким образом, по времени задержки между одинаковыми участками кода, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние до спутника.
Одной из основных технических проблем описанного выше метода является синхронизация часов на GPS-спутнике и в GPS-приемнике.
Даже минимальная погрешность может привести к огромной ошибке в определении расстояния.
Следует сказать, что на каждом GPS-спутнике смонтированы высокоточные атомные часы.
Естественно, что в каждом GPS-приемнике такие часы установить невозможно.
Поэтому для коррекции ошибок в определении координат из-за погрешностей часов, встроенных в GPS-приемник, применяется некоторая избыточность в данных, необходимых для однозначной привязки к местности.

Виды

Что касается компьютеров, то в сети можно найти онлайн-GPS сервис. На ПК также загружают бесплатные утилиты для навигации из интернета. Более того, существуют геодезические программы, разработки для планирования маршрутов по воде и воздуху, приложения для пересчета координат – выбор огромен.

Помимо мобильных гаджетов, GPS встраивают в ряд других приборов. Большая их часть производится такими знаменитыми компаниями, как Eplutus, Leica, Navitel, Pioneer, Starline, Xiaomi, Garmin и пр.

GPS-приемники

Выглядят как небольшие съемные девайсы для подсоединения к технике – ноутбукам, планшетам и телефонам. Помогают добавить свойств навигации там, где она не запланирована. Существует два вида подключения:

Проводной, по USB. Часто такие ресиверы выглядят как флешка. Некоторые напоминают компьютерную мышь – особенно автомобильные. Предоставляют точную информацию о местонахождении объекта, но сильно разряжают аккумулятор.
Беспроводной, на Bluetooth-канале. Приемник удобен из-за отсутствия подключения. Однако, беспроводной ресивер нужно своевременно заряжать.

GPS Bluetooth приемник CoPilot

Трекеры и маяки

Чаще всего выглядят как небольшие коробочки или брелоки. Используются для слежения за людьми и машинами (и легковыми, и грузовиками). Устройство может как работать постоянно, так и выходить на связь по расписанию.

GPS-трекер TK-102

Снабжается GSM-передатчиком для управления и отправки координат. Таким образом, он уточняет свои координаты даже в условиях плохого сигнала, по вышкам сотовой связи. Часто маяк дополняют возможностью прослушки и тревожной кнопки. Единственный недостаток – такому устройству нужна симка для работы.

Навигаторы

Чаще всего под этим словом подразумевают автомобильное устройство. Ранее были популярны пешеходные гаджеты для путешествий и отдыха на природе. Сейчас им могут быть и обычные мобильные гаджеты.

GPS-навигатор Garmin DriveSmart

Почти всем доступны операционная система Android. Также большая их часть совмещает использование нескольких спутниковых группировок.

Логгеры

Напоминает gps-трекер. Устройство тоже определяет местонахождение объекта и отслеживает его передвижение. Логгер отличается от маяка по двум параметрам:

Наличие внутренней памяти. Записывает все маршруты во встроенную карту.
Отсутствие GSM-передатчика. Вывести данные можно лишь только после получения логгера, по USB или Bluetooth.

Логгер

Картплоттеры-эхолоты

В названии обозначены два его основных свойства. Благодаря эхолоту пользователь может получить информацию о рельефе дна и местах скопления рыбы. А картплоттер поможет нанести все данные на карту для лучшей ориентации на местности.

Картплоттер-эхолот

Таким образом, рыбаки имеют возможность найти «рыбные места» и отметить их на карте.

Принцип действия[править]

Основой системы является 24 спутника NAVSTAR (Navigation Satellite Time and Ranging), работающих в единой сети, находящихся на шести разных круговых орбитах, расположенных под углом 60° друг от друга таким образом, чтобы из любой точки земной поверхности были видны от четырех до двенадцати таких спутников. На каждой орбите находится по 4 спутника, высота орбит примерно равна 20200 км.

Такая система работает не автономно, она под контролем станций, расположенных на Земле. Размещаются такие станции на Колорадо-Спрингс, Диего-Гарсия, острове Вознесения, атолле Кваджелейн и на Гаваях. Вся информация, проходящая через эти станции записывается ими и передается на главную станцию, расположенную на военной базе под названием Falcon в Колорадо.

GPS приемник вычисляет собственное положение, измеряя время прохождения сигнала от GPS спутников. Каждый спутник постоянно присылает сообщение, в котором содержится информация о времени отправки сообщения, точку орбиты спутника, с которого было отправлено сообщение, и общее состояние системы и приблизительные данные орбит всех остальных спутников группировки системы GPS. Эти сигналы распространяются со скоростью света во Вселенной, и с несколько меньшей скоростью через атмосферу. Приемник использует получение сообщения для вычисления расстояния до спутника, исходя из которой, путем применения геометрических и тригонометрических уравнений исчисляется положение приемника. Полученные координаты превращаются в более наглядную форму, такую как широта и долгота, или положения на карте, и отображается пользователю.

Поскольку для вычисления положения необходимо знать время с высокой точностью, необходимо получать информацию из 4-х или более спутников для устранения необходимости в сверхточных часах. Иными словами, GPS-приемник использует четыре параметра для вычисления четырех неизвестных: x, y, z и t .

В некоторых отдельных случаях может потребоваться меньшее количество спутников. Если заранее известна одна переменная (например, высота над уровнем моря лодки в океане равна 0), приемник может вычислить положение используя данные из трех спутников. Также, на практике, приемники используют различную вспомогательную информацию для вычисления положения с меньшей точностью в условиях отсутствия четырех спутников.