Мониторинг транспорта в Москве от разработки и монтажа систем до аналитики
Пн-Пт 9.00-18.00

GPS: принципы работы системы и точность определения координат.

Назначение

GPS (Global Positioning System - система глобального позиционирования), позволяет точно определять трехмерные координаты объекта, оснащенного GPS приемником: широту, долготу, высоту над уровнем моря, а также его скорость, направление движения и текущее время.

Краткая история

Система GPS разработана Министерством обороны США. Работы над этим проектом, именуемым NAVSTAR (NAVigation System with Ttiming and Ranging - навигационная система определения времени и дальности), начались еще в 70-х годах. Первый спутник системы был выведен на орбиту в 1974 г, а последний из 24 необходимых для покрытия всей Земли только в 1993 г. Первоначально GPS предназначалась для эксплуатации военными США (навигация, наведение ракет и пр.), однако с 1983 года, когда был сбит самолет Корейских авиалиний, случайно вторгшийся на территорию СССР, использование GPS было разрешено и для гражданских. При этом, точность передаваемого сигнала загрублялась с помощью специального алгоритма, но в 2000 году и это ограничение было снято. Министерство обороны США продолжает обслуживать и модернизировать систему GPS. Именно эта полная зависимость работоспособности системы от правительства одной страны (например, во время первой войны в Персидском заливе, гражданский сектор GPS был отключён) побудило другие страны развивать альтернативные системы навигации (российская - ГЛОНАСС, европейская - GALILEO, китайская - Beidou).

Принципы определения координат

Принцип определения координат объекта в системе GPS основан на вычислении расстояния от него до нескольких спутников, точные координаты которых известны. Информация о расстоянии минимум до 3 спутников позволяет определять координаты объекта как точку пересечения сфер, центр которых спутники, а радиус измеренное расстояние.

На самом деле точек пересечения сфер две, но одну из них можно отбросить т.к. она находится либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Расстояние до каждого из спутников определяется как время прохождения радиосигнала от спутника до приемника умноженное на скорость света. Возникает задача точного определения времени прохождения радиосигнала. Она решается за счет генерации и передачи со спутника сигнала, модулируемого с помощью специальной последовательности. Точно такой же сигнал генерируется в GPS приемнике, а анализ отставания принятого сигнала от внутреннего позволяет определить время его прохождения.

Для точного определения времени прохождения сигнала часы GPS приемника и спутника должны быть максимально синхронизированы, отклонение даже на несколько микросекунд приводит к погрешности измерения в десятки километров. На спутнике для этих целей имеются высокоточные атомные часы. Установить аналогичные часы в GPS приемник невозможно (используются обычные кварцевые часы), поэтому для синхронизации времени используются дополнительные сигналы, как минимум с еще одного спутника. Предполагается, что если время в GPS приемнике синхронизировано точно, то окружность с радиусом равным расстоянию от четвертого спутника пересечет туже точку, что и окружности от остальных трех спутников. GPS приемник корректирует свои часы, до тех пор пока это условие не выполнится. Таким образом, для точного определения положения объекта в трехмерном пространстве (3D) необходимы сигналы минимум от 4 спутников (от 3 спутников без определения высоты над поверхностью земли - 2D). На практике при хорошей видимости небосвода GPS приемники получают сигналы сразу от множества спутников (до 10-12), что позволяет им синхронизировать часы и определять координаты с достаточно высокой точностью.

Наряду с последовательностью, по которой определяется время распространения сигнала, каждый спутник передает двоичную информацию - альманах и эфемериды. Альманах содержит информацию о текущем состоянии и расчетную орбиту всех спутников (получив информацию от одного спутника, появляется возможность сузить секторы поиска сигналов других спутников). Эфемериды - уточненную информацию об орбите конкретного спутника, передающего сигнал (реальная орбита спутника может отличаться от расчетной). Именно точные данные о текущем положении спутников позволяют GPS приемнику рассчитывать относительно них собственное местоположение.

Точность GPS

Типичная точность определения координат GPS приемниками в горизонтальной плоскости составляет примерно 1-2 метра (при условии хорошей видимости небосвода). Точность определения высоты над уровнем моря обычно в 2-5 раз ниже, чем точность определения координат в тех же условиях (т.е. в идеальных условиях 2-10 метра).

Уровень приёма сигнала от спутников, а как следствие и точность определения координат, ухудшается под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Также нормальному приёму сигналов GPS могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников. Однако, главным фактором, влияющим на снижение точности GPS, является неполная видимость небосвода. Особенно ярко это проявляется при нахождении GPS приемника в условиях плотной городской застройки, когда значительная часть небосвода скрыта рядом расположенными строениями, навесами и прочими препятствиями. Точность определения координат при этом может падать до 20-30 метров, а иногда и более. Препятствия не пропускают сигналы от части потенциально доступных в данной точке Земли спутников. Это приводит к тому, что расчеты ведутся по меньшему числу сигналов от спутников, находящихся преимущественно в одном секторе небосвода. Смещение при этом возникает обычно в перпендикулярной плоскости относительно препятствия.

Вообще, если говорить о точности GPS в условиях города, на основе накопленных статистических данных и собственного опыта можно сделать следующие выводы. Точность определения координат при нахождении транспортного средства на открытой местности (парковки, площади и пр.) и при движении по крупным автомагистралям, многополосным дорогам будет составлять 1-2 метра. При движении по узким улицам, особенно, когда вдоль них имеются близко расположенные дома, точность составит 4-10 метров. При нахождении автомобиля в "дворовых колодцах", очень близко к высотным домам и т.п. точность может падать вплоть до 20-30 метров.

Конечно, точность определения координат очень зависит и от качества самого приемника GPS, а также используемых антенн и их правильного размещения на транспортном средстве