Спутниковая система навигации

Для того, чтобы выйти к месту, обозначенному  путевой точкой, необходимо отыскать соответствующую точку в памяти прибора и выбрать функцию  GoTo (Идти к). Навигатор будет указывать направление движения, расстояние до цели и расчетное время прибытия.

Траектория - это последовательность точек, которая автоматически записывается в память прибора при движении. Этим точкам нельзя присвоить имя. Однако из них формируется линия, траектория движения, которую впоследствии при помощи компьютера можно наложить на карту и увидеть маршрут своего путешествия.

Частота записи GPS-навигатором точек траектории зависит от настроек. К примеру, можно поручить прибору отмечать точку каждые 5 секунд движения, либо через каждые 5 метров пути.

Маршрут - заданная последовательность движения от одной путевой точки к другой. Подобная функция удобна тогда, когда вам требуется посетить значительное количество путевых точек. В этом случае, вы передвигаетесь от одной точке к другой. При достижении следующей путевой точки, прибор автоматически начинает поиски следующей.

Если  ваш навигатор поддерживает загрузку карт, а карта поддерживает автопрокладку  маршрута, то маршрут будет прокладываться в автоматическом режиме.

Реверсивный маршрут - маршрут, по которому GPS-навигатор может провести в прямом и обратном направлении, в зависимости от желания пользователя.

Альманах - навигационная информация, которая  передается каждым из спутников. Альманах представляет собой постоянно обновляемый  справочник состояние спутникового созвездия, из которого становится известным, где будет находиться каждый из космических аппаратов в определенный момент времени. Это дает возможность GPS-навигатору не тратить много времени на поиски спутников и быстро начать принимать с них сигналы.

Эфимерис - данные точной корректировки элементов орбит и поправки часов каждого спутника. Каждый из навигационных спутников передает собственный эфимерис. Можно говорить о том, что альманах позволяет навигатору получить общее представление о положении спутников в пространстве, а эфимерис дает точную информацию о каждом из космических аппаратов.

Холодный  старт - процесс первого запуска  GPS-навигатора. При этом прибор не знает ничего о спутниках (т.е. в его память не загружен "альманах"), поэтому он вынужден искать их самостоятельно. Данная процедура достаточно продолжительная, может понадобиться до 10 минут времени, прежде чем прибор поймает спутники и сможет определить свое местоположение.

Теплый  старт - процесс запуска GPS-навигатора, который был выключен больше получаса. В это время производится сбор еще более точных, чем альманах, данных (альманах уже есть), называемых эфимерисом. Когда эфимерис от каждого спутника получен, данные, полученные от спутника, считаются пригодными для навигации.

Горячий старт - процесс запуска GPS-навигатора, который был выключен меньше получаса. В данном случае инициализация навигатора после включения происходит весьма быстро, сбор данных эфимериса не требуется, приемник сразу приступает к поиску спутников по альманаху.

1.4 Основные функции GPS.

      Важной  функцией у всех портативных навигаторов является функция передвижения к указанной путевой точке при помощи азимута. Выбрав в меню навигатора заранее отмеченную путевую точку, вы в любой момент сможете к ней вернуться. GPS-навигатор способен правильно показывать направление только в движении. При этом чем быстрее движется прибор, тем точнее и стабильнее обозначается направление на интересующую путевую точку.

Любой навигатор имеет путевой компьютер, производящий множество различных  вычислений и измерений: текущая и средняя скорость движения, пройденный путь, время в пути, время остановок и т.п. Всего может быть до нескольких десятков параметров. Путевые вычисления возможны лишь в условиях приема спутникового сигнала. Если навигатор имеет встроенный магнитный компас и барометрический высотомер, он может помочь сориентироваться по сторонам горизонта и указать высоту над уровнем моря, при этом спутниковый сигнал может отсутствовать. Данная функция весьма полезна, поскольку позволяет использовать прибор даже в условиях густого леса, глубоких оврагов и скал. Прежде чем использовать альтиметр и датчик магнитного компаса, их необходимо откалибровать. Как производить калибровку, можно прочитать в инструкции. Отправляясь в путешествие, пользователь может создать маршрут из нескольких путевых точек. После того, как навигатор достигает места, обозначенного путевой точкой, он автоматически переключается на поиск следующей точки. При этом может звучать сигнал звуковой сигнализации.

Спутниковая навигация развивается. В последнее время распространение получила функция автопрокладки маршрутов. Это значит, что пользователю

достаточно  только указать точку назначения, а прибор автоматически создаст  самый оптимальный маршрут.

  1.5 Карты для GPS

По мере развития технологии GPS появилась необходимость в создании специализированных электронных карт. В навигации применяются карты двух видов: векторные и растровые электронные карты.

Векторные изображения описываются математическими  уравнениями (векторами), содержащими  полную информацию об их размере, цвете, форме и местоположении. Достаточно эффективный способ использования топографического материала, потому что файлы выходят весьма небольших размеров даже при работе с подробными картами. преимуществом является то, что изображение можно быть приближено либо удалено без потери качества. Но существует предел увеличения, при достижении которого на экране больше не будут появляться новые объекты. В результате дальнейшего увеличения мы получим лишь рост физических размеров самого изображения, но не степени его детализации.

Векторные карты загружаются в память GPS-приемника, кроме того, они могут использоваться в связке компьютер + навигатор. Карты, которые закачиваются в приемники Garmin, имеют особый "гарминовский" векторный формат. В большинстве случаев хорошие карты защищаются разработчиком. Производится "привязка" карты ко внутреннему номеру прибора (Unit ID), почле чего она не может быть закачена в GPS-навигатор с иным внутренним номером.

Растровые изображения формируются по другому  принципу. По большому счету, любое изображение растровой карты состоит из конечного набора точек (пикселов) разного цвета. Изображение, можно сказать, "монолитно" и не состоит из отдельных элементов, как в случае с векторными картами.

Растровые карты можно использовать только на персональном или карманном компьютере, к которому подключен GPS-приемник. Для использования в GPS карту необходимо не только отсканировать, но и "привязать" к координатной сетке (это значит определить для отдельных точек карты геограически координаты).

Привязка  карты к координатной сетке можно  выполнить при помощи специальных  программ: Ozi Explorer (для Windows-компьютеров) или PathAway (для Palm-компьютеров). После  того, как произведена "привязка" карты, приемник может отображать на ней свои координаты, а вы сможете видеть свое местонахождение.

Чаще в навигации используются именно векторные карты, потому что они обладают рядом существенных преимуществ, в сравнении с растровыми:

• автоматическая прокладка маршрутов;
• автоматическое измерение расстояний;
• автоматический поиск объектов по адресу, типу, расстоянию от определенного пользователем места;
• возможность автоматически сигнализировать о приближении к определенным объектам или опасным местам;
• функция изменения ориентации карты исходя из текущих пожеланий пользователя;
• легкость в редактировании картографического материала;
• изменяемый масштаб.

Загрузка  векторных карт в память навигатора выполняется с персонального  компьютера, с которым прибор своединяется через USB-или СОМ-соединение. Для  этого, к примеру, у приемников компании Garmin имеется программа Map Source, а у приемников Magellan - Map Send.

1.6 Погрешности GPS

      Система глобального позиционирования, как  и любая другая техническая система, не может быть абсолютно точной. При использовании системы GPS следует помнить о тех погрешностях, которые не позволяют определить координаты абсолютно точно. Рассмотрим каждую из них.

      1. Ионосферные и атмосферные задержки  сигналов. Когда мы используем  спутниковую систему навигации,  то предполагаем, что скорость распространения сигналов от спутников всегда постоянна и равна скорости света. Но на самом деле это справедливо только для вакуума. В реальности радиосигналу приходится проходить через ионосферу Земли - слой заряженных частиц на высоте примерно 120-200 км. При этом возникают задержки, которые снижают точность определения расстояния до спутников, а следовательно, не позволяют точно вычислить координаты. Эти задержки могут давать ошибки определения местоположения порядка 20-30 м днем и 3-6 м ночью.Существует два метода коррекции погрешностей, вносимых ионосферой.

      Первый  заключается в том, что можно, зная типичную ошибку при обычном  состоянии ионосферы, ввести соответствующую  поправку. Однако, к сожалению, не всякий день является нормальным.

      Второй метод заключается в сравнении скорости распространения систем на двух разных частотах. Этот метод доступен только военным и авторизованным гражданским пользователям, потому что второй сигнал, передаваемый на частоте L2, является закодированным. Отсутствие доступа к P-коду не дает возможности двухчастотному приемнику расшифровать сигнал и определить ионосферную задержку в реальном времени.

Преодолев ионосферу, спутниковые сигналы попадают в плотные слои атмосферы. В атмосфере, особенно в ее нижней части - тропосфере также происходят задержки и искажения, связанные с различной концентрацией водяных паров. К счастью, этими погрешностями можно пренебречь, т.к. они малы по величине.

      2. Ошибки атомных часов и прочие  погрешности. Атомные часы, установленные  на спутниках, являются очень  точными. Однако они все равно  являются источниками некоторых  погрешностей. Наземные станции  слежения постоянно следят за  точностью хода часов и могут его корректировать, если в этом возникнет необходимость.

      3. S/A режим - Selective Availability (Избирательный Доступ). Несколько лет назад Министерство Обороны США специально занималось внесением искусственных ошибок в навигационные данные, передаваемые со спутников. При активированном S/A режиме величина среднеквадратического отклонения определения местоположения составляла около 30 м. 1 мая 2000 года S/A режим был отключен, согласно указу Билла Клинтона.

      4. Отражение и экранирование спутникового  сигнала. Если мы попытаемся использовать GPS-навигатор в таких сложных условиях, как горная местность, глубокие ущелья, высотные здания, то можем столкнуться с ухудшением точности позиционирования. В случае, если сигналы от нескольких спутников будет экранированы, то точность определения координат будет зависеть от тех спутников, которые находятся в прямой видимости GPS-приемника. Если таких неэкранированных спутников останется меньше трех, то определение местоположения станет невозможным. Сигнал также может отражаться от высотных зданий. Отраженному сигналу потребуется больше времени, чтобы достичь приемника. Приемник будет "думать", что спутник находится на более далеком расстоянии, чем в реальности.

      5. Эфемеридная погрешность. Эти  ошибки возникают в результате расхождения между фактическим положением GPS-спутника и его расчетным положением, которое определяется по данным эфемерид, передаваемых с борта спутника. Как правило, значение этой погрешности не превышает 3 м. Наземные станции слежения круглосуточно наблюдают за всеми спутниками и уточняют элементы их местоположение. Плученные данные пересылаются в центр управления, где производят вычисление новых элементов орбиты и поправки атомных часов. Уточненные параметры сводятся в альманах, почле чего пересылаются на спутники. GPS-спутники, в свою очередь, пересылают эти данные GPS-приемникам.

      6. Статистическая погрешность определения  расстояния до спутников. Она  вычисляется для каждого конкретного  спутника и заданного интервала  времени. Ошибка не связана  с другими видами погрешностей. Величина ошибки не превышает  10 м.

      7. Геометрический фактор. Измерение расстояния до навигационных спутников всегда связано с целым с рядом погрешностей Поэтому воображаемые сферы и окружности получаются не геометрически точными, а размытыми.

В зависимости  от угла между направлениями на спутники область пересечения размытых окружностей (область неопределенности местоположения) принимает вид от небольшого квадрата до весьма вытянутого четырехугольника. Таким образом, чем больше угол между направлениями на различные спутники, тем точнее происходят измерения.