Немного об истоках GPS-навигации

Время специализированных GPS-устройств, предназначенных для массового рынка, уходит. Современные навигационные чипы компактны и недороги, что позволяет оснащать функцией глобального позиционирования даже мобильные телефоны.

Вначале был шпионаж

Идея использовать космические аппараты для навигации начала развиваться в Америке после того, как СССР в 1957 году запустил первый искусственный спутник Земли. США поставили задачу слежения за советскими спутниками посредством приема их сигналов на наземном пункте с известными координатами, определения доплеровского сдвига несущей частоты и дальнейшего расчета параметров их движения. Следом вполне естественно возникла и возможность решения обратной задачи: расчета координат наземного приемника на основе обработки принятого сигнала от спутника с известной орбитой и скоростью движения.

Затем военные стали развивать идею: для пуска баллистических ракет с подводных лодок в 1964 году была создана доплеровская спутниковая радионавигационная система первого поколения Transit. Впрочем, она уже в 1967 году была рассекречена и приспособлена для коммерческого использования, причем число гражданских потребителей вскоре существенно превысило количество военных.

После того, как в 1960 году были разработаны атомные часы, стало возможным использовать для навигации сеть точно синхронизированных передатчиков, где координаты расчитывались по временным задержкам.

В 1973 году все программы ВВС и ВМФ Соединенных Штатов были объединены в общую Навигационную технологическую программу, позднее превратившуюся в Navstar-GPS. Первая штатная орбитальная группировка современной системы разворачивалась с июня 1989 по март 1994 года. При этом на орбиту были выведены 24 навигационных спутника Block II. Полностью GPS-система была запущена в эксплуатацию в 1995 году. В настоящее время она обслуживается Министерством обороны США. В самом конце прошлого века к системе было добавлено еще четыре спутника следующего поколения.

Принцип работы приемника

Как уже говорилось, в основе определения координат GPS-приемника лежит вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным.

С учетом неизбежных искажений, вносимых влиянием атмосферы, несовершенства аппаратуры и т. п., приемник должен «видеть» одновременно не менее четырех спутников. Большинство GPS-устройств оснащено как минимум 12-канальными приемниками. Более современные устройства имеют 20 каналов, что позволяет одновременно обрабатывать информацию с 20 спутников, то есть отслеживать все навигационные спутники, находящиеся в зоне радиовидимости объекта. Для Украины такое количество каналов излишне, так как столько спутников можно одновременно насчитать лишь на экваторе.

Навигационный приемник сигналов для GPS-системы состоит из собственно приемного модуля и малогабаритной антенны с малошумным усилителем. Приемный модуль может представлять собой как автономное устройство со встроенными источниками питания, так и печатную плату, встраиваемую в наладонник, коммуникатор, мобильный телефон или компьютер (как правило, ноутбук).

Определение навигационных параметров может производиться в двух режимах — 2D (двумерном) и 3D (пространственном). В режиме 2D определяются широта и долгота (высота считается известной). При этом нужно, чтобы в зоне радиовидимости находилось хотя бы три спутника. Время определения координат в режиме 2D не превышает двух минут. Для определения пространственных координат абонента (режим 3D) требуется, чтобы в соответствующей зоне находилось не менее четырех спутников. Тогда время обнаружения составит не более трех минут, а погрешность — не более 50 метров. Это предельные цифры, на практике приемник обычно находит всю необходимую информацию менее чем за минуту, а погрешность составляет лишь 10 метров (эти цифры соответствуют одновременному приему сигнала от шести-восьми GPS-спутников).

Путеводная звезда

«Сердцем» любого навигационного модуля, как автономного, так и встроенного, является GPS-чип. Его задача — обработка сигналов, принимаемых со спутников, и определение на их основе местоположения принимающего GPS-устройства. В подавляющем большинстве современных устройств это SiRF Star III производства американской компании SiRF Technology. Значительным преимуществом SiRF Star III по сравнению с другими потребительскими решениями является быстродействие, а также возможность вычисления параметров слабого (и, что особенно важно, отраженного) сигнала в условиях плотной застройки большого города или в густом лесу. Более мощный аппарат обсчета позволяет учитывать даже те сигналы, которые отбраковывались чипами предыдущих поколений. Поэтому, если раньше для сносной работы GPS-приемника в лесу или в городе требовалась приличная антенна большого размера (причем лучше всего выносная), то теперь даже с небольшой встроенной антенной портативного устройства можно ориентироваться достаточно стабильно. Конечно, антенна по-прежнему важна, но при прочих равных условиях SiRF Star III работает, как правило, лучше конкурентов. К тому же ему свойственно пониженное энергопотребление и он может поддерживать сразу 20 параллельных каналов.

Просто добавь ПК

Даже исполненный как отдельное устройство, GPS-приемник для рядового пользователя не может быть самодостаточным. Он выдает координаты в виде трех цифр: географическая широта, долгота и высота над уровнем моря. Также указывается точное местное время. Понятно, что рядовой пользователь едва ли сможет каждый раз самостоятельно соотносить эти данные с картой. Для этого надо владеть хотя бы начальной картографической грамотой и иметь массу свободного времени.

Совершенно естественно переложить эту неблагодарную работу на программное обеспечение, которое и координаты к карте привяжет, и кратчайший путь проложит, а заодно и обеспечит дополнительные сервисы: подскажет прогноз погоды по пути следования, сообщит о пробках и POI (Points of Interest — гостиницы, кафе, заправочные станции, туристические достопримечательности и другие точки, представляющие интерес для путешественника).

Поэтому все GPS-приемники оснащены средствами связи с компьютером. Современные устройства, как правило, используют USB и Bluetooth. Некоторые приемники выпускаются в специальных форм-факторах для установки в соответствующие устройства: в виде PCMCIA-карт для ноутбуков или SDIO — для мобильных устройств.

Встречается и экзотика. Так, компания GlobalSat представила GPS-приемник, выполненный в виде наручных часов. Он дает пользователю возможность определять координаты и сохранять их в памяти устройства. Приемник можно подключить к ноутбуку, КПК или коммуникатору. Другая американская компания, AVID Identification Systems, разработала GPS-микрочип (размером с рисовое зернышко), который вживляется в холку собаки, чтобы можно было быстро найти потерявшегося домашнего любимца.

Однако автономные GPS-приемники постепенно вытесняются мобильными устройствами с GPS-модулем — прежде всего коммуникаторами. Это понятно: потребитель получает навигацию, связь (и голосовую, и передачу данных, что важно для дополнительных навигационных сервисов) и карманный ПК в одном устройстве.

Кроме того, интеграция GPS-модуля уже приблизилась к той черте, когда сама технология почти ничего не стоит, и навигационную функцию можно включить в устройство без существенного повышения цены. Стоимость встраиваемой GPS-системы сегодня составляет около $10, то есть она сопоставима со встроенной фотокамерой или модулем Bluetooth.