История развития системы GPS (Global Positioning System).

Навигационная система Global Positioning System (GPS) является частью комплекса NAVSTAR, который разработан, реализован и эксплуатируется Министерством обороны США. Разработка комплекса NAVSTAR (NAVigation Satellites providing Time And Range – навигационная система определения времени и дальности) была начата ещё в 1973 году, а уже 22 февраля 1978 года был произведён первый тестовый запуск комплекса, а в марте 1978 года комплекс NAVSTAR начали эксплуатировать. Первый тестовый спутник был выведен на орбиту 14 июля 1974 года, а последний из 24 необходимых спутников для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 году. Гражданский сегмент военной спутниковой сети NAVSTAR  принято называть аббревиатурой GPS,  коммерческая эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась в 1995 году.

Спустя более 20-ти лет с момента тестового запуска системы GPS и 5-ти лет с момента начала коммерческой эксплуатации Глобальной системы позиционирования GPS, 1 мая 2000 года министерство обороны США отменило особые условия пользования системой GPS, существовавшие до тех пор. Американские военные выключили помеху (SA – selective availability), искусственно снижающую точность гражданских GPS приёмников, после чего точность определения координат с помощью бытовых навигаторов возросла как минимум в 5 раз. После отмены американцами режима селективного доступа точность определения координат с помощью простейшего гражданского GPS навигатора составляет от 5 до 20 метров (высота определяется с точностью до 10 метров) и зависит от условий приема сигналов в конкретной точке, количества видимых спутников и ряда других причин. Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников. Большинство современных GPS приёмников имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников. Военное применение навигации на базе NAVSTAR обеспечивает точность на порядок выше (до нескольких миллиметров) и обеспечивается зашифрованным P(Y) кодом. Информация в C/A коде (стандартной точности), передаваемая с помощью L1, распространяется свободно, бесплатно, без ограничений на использование.

Основой системы GPS являются навигационные спутники, движущиеся вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), на высоте 20180 км. Спутники GPS обращаются вокруг Земли за 12 часов, их вес на орбите составляет около 840 кг, размеры – 1.52 м. в ширину и 5.33 м. в длину, включая солнечные панели, вырабатывающие мощность 800 Ватт. 24 спутника обеспечивают 100 % работоспособность системы навигации GPS в любой точке земного шара. Максимальное возможное число одновременно работающих спутников в системе NAVSTAR ограничено числом 37. В настоящий момент на орбите находится 32 спутника, 24 основных и 8 резервных на случай сбоев.

Слежение за орбитальной группировкой осуществляется с главной управляющей станции (Master Control Station – MCS), которая находится на базе ВВС Шривер, шт. Колорадо, США. С нее осуществляется управление системой навигации GPS в мировом масштабе. База ВВС Шривер (Schriever) является местом размещения 50-го космического соединения США – подразделения командования воздушно-космических сил.

Наземная часть системы GPS состоит из десяти станций слежения, которые находятся на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесения, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане, а также в Колорадо-Спрингс, в мысе Канаверел, шт. Флорида и т.д.. Количество наземных станций непрерывно растет, на всех станциях слежения используются приемники GPS для пассивного слежения за навигационными сигналами всех спутников. Информация со станций наблюдения обрабатывается на главной управляющей станции MCS и используется для обновления эфемерид спутников. Загрузка навигационных данных, состоящих из прогнозированных орбит и поправок часов, производится для каждого спутника каждые 24 часа.

Определение координат и GPS навигация.

Основой идеи определения координат GPS-приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным. Определение местоположения GPS-приёмника в пространстве осуществляется на базе алгоритма измерения расстояния от точки наблюдения до спутника. Дальнометрия основана на вычислении расстояния по временной задержке распространения радиосигнала от спутника к приемнику. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить. Приёмники работают в пассивном режиме и вычисляют свои координаты, но это совсем не означает, что координаты GPS-приёмника будут известны кому либо, кроме его владельца. Каждый спутник системы GPS непрерывно генерирует радиоволны двух частот – L1=1575.42МГц и L2=1227.60МГц. Каждый GPS-приемник имеет 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.

Основная проблема при вычислении расстояния до спутника системы GPS связанна с синхронизацией часов на спутнике и в приемнике. Даже мизерная погрешность может привести к огромной ошибке в определении расстояния. Каждый спутник несет на борту высокоточные атомные часы, которые встроить в обычный GPS-приёмник невозможно. Чтобы скоррелировать временное рассогласование и избежать огромных ошибок в позиционировании, в систему GPS введен принцип избыточности для определения трехмерных координат на поверхности Земли.  GPS-приёмник использует сигналы не трех, а как минимум четырех спутников  и на основании вспомогательных сигналов вносит все необходимые коррективы в работу своих часов. Кроме навигационных сигналов, спутник непрерывно передает различную служебную информацию. GPS-приёмник получает, например, эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере, а также сведения о работоспособности спутника (так называемых “альманах”, содержащий обновляемые каждые 12.5 минут сведения о состоянии и орбитах всех спутников). Эти данные передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.

Для справки. Стоит отметить, что сервис A-GPS облегчает работу GPS-приёмника и ускоряет загрузку вспомогательных данных (альманах и т.п.). Сама GPS навигация абсолютно бесплатна. Сервис A-GPS в большинстве случаев тоже бесплатен, но так как данные передаются через Интернет, то возможно придётся платить за трафик. Использование A-GPS вовсе не обязательно и GPS навигация возможна и без использования сервиса A-GPS. Не стоит путать GPS навигацию и картографические сервисы. Система GPS отдаёт вам ваши точные координаты и только, а вот нанесение данных на карту и другие удобства это уже дело стороннего программного обеспечения. Программное обеспечение для GPS навигации и карты местности чаще всего стоят денег.

Теперь попробуем наглядно и максимально просто объяснить, каким же образом вычисляются координаты GPS-приёмника. Расстояние до навигационных спутников системы GPS обозначим как А, В и С.  Допустим, что известно расстояние А до одного спутника. В данном случае координаты GPS-приемника определить нельзя, т.к. он может находится в любой точке сферы с радиусом А, описанной вокруг спутника. Если известна удаленность В приемника от второго спутника, то определение координат также не представляется возможным – объект находится где-то на окружности (показана синим цветом), которая является пересечением двух сфер. Известное расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек (обозначены красными точками). Этого уже достаточно для однозначного определения координат GPS-приемника. Не смотря на то, что мы имеем две точки с координатами, только одна находится на поверхности Земли, а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, теоретически для трехмерной GPS навигации достаточно знать расстояния от приемника до трех спутников, но как мы уже говорили GPS-приемник, использует сигналы не трех, а как минимум четырех спутников  и на основании вспомогательных сигналов вносит все необходимые коррективы для повышения точности навигации.

Сегодня область применения системы глобального позиционирования GPS достаточно обширна. Всё чаще GPS-приемники встраивают в мобильные телефоны и коммуникаторы, в автомобили, часы и даже в собачьи ошейники. Люди привыкают к такому благу как GPS навигация, и пройдёт совсем немного времени как они уже не смогут обойтись без неё. Именно поэтому стоит сказать пару слов о недостатках GPS.

Недостатками GPS навигации является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до GPS-приёмника, поэтому практически невозможно определить своё точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле. Рабочая частота GPS находится в дециметровом диапазоне радиоволн, поэтому уровень приёма сигнала от спутников может ухудшиться под плотной листвой деревьев, в районах с плотной городской застройкой или из-за  большой облачности, а это скажется на точности позиционирования. Магнитные бури и наземные радиоисточники тоже способны помешать нормальному приёму сигналов GPS. Карты, предназначенные для GPS навигации, быстро устаревают и могут быть не точными, поэтому нужно верить не только данным GPS-приёмника, но и своим собственным глазам. Особенно стоит отметить, что работа глобальной системы навигации GPS полностью зависима от министерства обороны США и нельзя быть уверенным, что в любой момент времени США не включит помеху (SA – selective availability) или вообще полностью отключит гражданский сектор GPS как в отдельно взятом регионе, так и вообще. Претенденты уже были. Благо, что у GPS есть альтернатива в виде навигационных систем ГЛОНАСС (Россия) и Galileo (ЕС), которые в перспективе должны получить широкое распространение. Так же ведётся работа по разработке чипов навигации поддерживающих сразу три системы позиционирования GPS, Galileo и ГЛОНАСС.

В качестве стандарта вещания для Европы и вышеперечисленных стран выбран DVB-T.  Стандарт DVB-T по сравнению с аналоговым предшественником обеспечивает устойчивый приём сигнала и его невосприимчивость к переотраженным сигналам. Кроме того для повышения помехоустойчивости системы цифрового эфирного вещания и согласования форматов передачи данных кадра OFDM и транспортных пакетов MPEG-2 используется канальное кодирование. Кстати в Украине отказались от вещания с применением  MPEG-2 и решили сразу стартовать в MPEG-4.

Вещание в стандарте DVB-T ведётся точно так же, как и в случае с аналоговым телевидением, просто технология передачи и формат сигнала другой.  Не стоит путать наземное вещание DVB-T с спутниковым DVB-S или кабельным DVB-C. Из-за разницы в частотных каналах и способах модуляции декодеры для различных стандартов несовместимыми друг с другом. Цифровое телевидение транслируется в дециметровом диапазоне и на качество приёма серьёзно влияет рельеф местности, видимость передатчика и плотность застройки на пути к нему.

Стандарт DVB-T характеризуется высоким разрешением в 625 строк, использует чересстрочную развертку, при этом частота полукадров составляет 50 Гц. DVB-T в состоянии обеспечить удвоенное (по сравнению с базовым) разрешение по горизонтали и вертикали, а также может передавать изображение c соотношением сторон 16:9. DVB-T поддерживает звук в формате Dolby AC-3, используя для передачи аудиосигнала стандарт MUSICAM.

Для просмотра программ цифрового телевидения стандарта DVB-T на аналоговом телеприемнике используются специальные декодеры (сет-топ-боксы), некоторые новейшие модели телевизионных приёмников уже имеет встроенные декодеры DVB-T. Кроме того, бывают и  мобильные телефоны с встроенными DVB-T ТВ приёмниками, например LG-HB620T.

На территории стран бывшего СССР вещание в стандарте DVB-T пока распространено слабо, но оно уже есть. Если в вашем регионе присутствует цифровое вещание DVB-T, то обязательно напишите об этом в комментариях, обязательно указав при этом страну, город, частоту, название канала и условия вещания (платно или бесплатно).

На обычное вещание технология Visual Radio никак не влияет, и вы можете пользоваться своим FM приёмником с поддержкой технологии Visual Radio точно так же как и приемником без вышеуказанной технологии. Visual Radio – это отдельный информационный канал, содержание которого синхронизировано по времени с вещанием самого радио. Обычно за использование технологии Visual Radio плата не взимается, но с учетом того, что данные передаются через Интернет, возможно, придется заплатить за трафик вашему сотовому оператору или провайдеру.

Чтобы воспользоваться услугой A-GPS, нужно, чтобы эта технология поддерживалась сторонней компанией, например оператором сотовой связи, так как обмен данных осуществляется не напрямую со спутником, а через наземные беспроводные сети. В связи с этим, как правило, A-GPS не является бесплатной услугой. Стоимость зависит от конкретного оператора и региона. Например, в некоторых смартфонах компании Nokia с поддержкой A-GPS, приложение Nokia Maps уже имеет прописанную точку доступа для предоставления сервиса A-GPS, по умолчанию это сервер «supl.nokia.com». Таким образом, в данном случае компания Nokia выступает в роли провайдера A-GPS услуг. Сервис пока предоставляется бесплатно, и вы платите только за Интернет трафик в мобильной сети оператора, один сеанс связи примерно 5-6Кб в обе стороны.

Основным плюсом технологии A-GPS является улучшенное время TTFF и более высокая скорость работы GPS-приёмника, т.к. для расчёта координат и загрузки спутниковых данных (альманах, эфемериды и т.п.) требуется гораздо меньше времени. Ещё одно преимущество использования A-GPS это экономия энергии, что увеличивает время автономной работы навигационного устройства.

Терминология.

• Almanac Data (Альманах). Набор данных об орбитах и работоспособности всех спутников созвездия, передаваемый каждым спутником в его навигационном сообщении. Данные альманаха используются в приемнике GPS для быстрого поиска и “захвата” сигналов спутников непосредственно после его включения. Обновленная наземной станцией загрузки версия альманаха действительна в течение 28 суток.

• TTFF (Time To First Fix ). Время до первого местоопределения. Время, которое затрачивается приемником GPS от момента его включения до первой выдачи координат.

• Doppler Shift (Доплеровский сдвиг). Разница между частотами принятого и излученного сигналов, пропорциональная скорости взаимного сближения (удаления) приемника и передатчика.

• Ephemeris (Эфемериды). Предвычисленные координаты спутника на орбите, т.е. прогноз его движения в пространстве и времени. Для текущего момента времени вычисляются пользовательским приемником GPS на основе эфемеридных данных (Ephemeris Data), содержащихся в навигационном сообщении спутника.

• Ephemeris Data (Эфемеридные данные). Информация, передаваемая спутником в его навигационном сообщении и используемая в приемнике GPS для вычисления точных координат спутника. Набор эфемеридных данных действителен в течение нескольких часов.