Под большим кедром/Работа с GPS-программами

Благодаря внедрению системы GPS получили широкое распространение точные и недорогие навигационные приемники. Каким же образом эти маленькие “умные” помощники узнают точное положение пользователя?

 

Принцип работы

Принцип, лежащий в основе всей системы GPS, прост и давно используется для навигации и ориентирования: если вы точно знаете местоположение какого-либо реперного ориентира и расстояние до него, то можно начертить окружность (в трехмерном случае — сферу), на которой должна быть расположена точка вашего местонахождения. На практике, если вышеуказанное расстояние, т.е. радиус, достаточно велико, то можно заменить дугу окружности отрезком прямой линии. Если провести несколько таких линий, соответствующих разным реперным ориентирам, то точка их пересечения укажет ваше местоположение. В GPS роль таких реперов играют две дюжины спутников, движущихся каждый по своей орбите на высоте около 17 000 км над поверхностью Земли. Скорость их движения весьма велика, однако параметры орбиты и их текущее местонахождение с высокой точностью известны бортовым компьютерам. Важной частью любого GPS-навигатора является обычный радиоприемник, работающий на фиксированной частоте и постоянно “прослушивающий” сигналы, передаваемые этими спутниками. Каждый из спутников постоянно излучает радиосигнал, в котором содержатся данные о параметрах его орбиты, состоянии бортового оборудования и о точном времени. Изо всей этой информации данные о точном бортовом времени являются наиболее важными: GPS-приемник с помощью встроенного процессора вычисляет промежуток времени между посылкой и получением сигнала, затем умножает его на скорость распространения радиоволн и узнает расстояние между спутником и приемником. Результатом последующих вычислений являются координаты места.

Определить расстояние до нужной точки и направление на нее

Допустим, тропа уходит в лес, в глуши которого находится озеро, а на берегу озера — наша цель. Ведет ли данная тропа к озеру, неизвестно. Может, да, а может, нет.

Идти в густом лесу по компасу, строго придерживаясь одного и того же направления, тяжело (иногда просто невозможно). Возьмем карту, по ней измерим расстояние и азимут до озера от той точки, в которой находимся сейчас. Введем эти данные в GPS, создадим точку (waypoint) “Озеро” и включим функцию движения к заданной точке (Goto). Теперь, как далеко мы бы ни отклонились от курса, GPS будет показывать направление на точку “Озеро” и расстояние до нее.

Частный случай: не удается “привязаться” к карте. Тогда в качестве отправной точки можно выбрать любую другую, привязанную к карте, и уже от нее измерять расстояние и азимут.

Нестабильность часов GPS-приемника

Для определения местоположения достаточно поймать сигналы от двух спутников и построить две пересекающиеся прямые. Однако на практике точность такого метода была бы недостаточной из-за наличия ошибки часов приемника. Дело в том, что на борту орбитальных спутников находятся очень точные и, естественно, дорогостоящие атомные часы. Что же касается GPS-приемников, особенно бытовых, то использование подобных часов было бы неоправданно в смысле габаритов и стоимости. Это было одной из серьезных проблем, с которыми столкнулись разработчики, — ведь неточность хода часов всего в одну тысячную секунды приводила бы к ошибке более чем в 250 км! Для решения этой проблемы и для возможности применения в GPS-приемниках обычных кварцевых часов (аналогичных обычным бытовым) было предложено использовать не два, а три реперных ориентира, т.е. три пересекающиеся прямые. Как же это работает? Предположим, что часы GPS-приемника немного спешат, т.е. измеренное время прохождения радиоволн будет больше реального. Это означает, что обе рассчитанные линии и, следовательно, точка их пересечения будут находиться на большем расстоянии от ориентиров (спутников), чем на самом деле. Если же часы отстают, то точка пересечения переместится ближе к спутникам. Возьмем теперь третий ориентир (спутник). Легко видеть, что пересечение трех линий даст нам треугольник, размеры и положение которого могут меняться в зависимости от хода часов. Если же в качестве искомого местоположения взять геометрический центр треугольника, то его смещение будет достаточно мало, особенно если третий спутник расположен в противоположном от наблюдателя направлении. Более того, учитывая, что неточность часов для всех трех сигналов будет практически одинаковой, можно автоматически подобрать такую величину коррекции, которая обеспечит пересечение всех трех линий в одной искомой точке. Определить свое местоположение на местности

Вы находитесь на тропе, видимых ориентиров нет, но есть предыдущие координаты, измеренные по GPS и привязанные к карте (например, место ночевки у слияния двух рек). Нужно определить, сколько вы прошли и где находитесь. Для этого с помощью GPS определите текущие координаты, создайте точку и примените функцию Goto от этой точки к точке, соответствующей месту ночевки. GPS покажет расстояние и азимут. Вам остается отложить на карте расстояние в обратном направлении от места ночевки, и задача решена.

Определить точку возврата

Очень часто в походе необходимо вернуться к нужной точке. Не всегда можно полагаться на память, рюкзаки, оставленные среди крупных камней или в таежной глуши (“под большим кедром”), легко потерять, особенно если вы возвращаетесь не по тому пути, по которому шли вначале. Это особенно актуально в одиночных походах, при плохой видимости, при неустойчивой погоде. Частный случай — запись участка пути (трека, track) во время разведки. Сбившись с пути или сделав кольцо, можно, используя GPS, легко вернуться на тропу. Особенно важно, если тропа малозаметна и/или видимость затруднена. Еще один пример использования GPS — отметка по ходу движения удобных мест для стоянки, если вы собираетесь возвращаться тем же путем.

Точность системы

Для компенсации нестабильности хода часов приемника и определения точного местоположения в двумерном пространстве (т.е. по широте и долготе) необходимо получить сигналы минимум от трех спутников. К счастью, сегодня количество GPS-спутников достаточно велико даже для того, чтобы в любой точке земного шара определить не только двумерные, но и трехмерные координаты — широту, долготу и высоту над уровнем моря. Для этого нужно получать сигналы минимум от четырех спутников. При этом, чем больше спутников “видит” GPS- приемник, тем точнее он может определить координаты местоположения — вплоть до максимального предела, определяемого точностью системы. Из этого, в частности, следует, что точность работы GPS-навигатора снижается, если сигналы от некоторых спутников экранируются местными предметами (рельефом местности, деревьями с плотной кроной, высокими зданиями). Как известно, спутниковая GPS-система находится под контролем Департамента обороны США, который зарезервировал предельную точность для военных целей. Для этого передаваемый спутниками сигнал кодируется с помощью специального Р-кода, который может быть декодирован только военными GPS-приемниками. В дополнение к этому, в сигналы времени от спутниковых атомных часов добавляется случайная ошибка, которая искажает полученные значения координат. В результате точность гражданских GPS-приемников ухудшается более чем в 10 раз по сравнению с военными и составляет около 50 — 150 м. Для того, чтобы в ряде случаев можно было обойти ограничения, наложенные Департаментом обороны США, некоторые специальные службы (например, береговая охрана США) установили сеть фиксированных — “дифференциальных” — радиобуев. Каждый из них постоянно регистрирует сигналы GPS-спутников и сравнивает рассчитанные координаты со своим известным постоянным местоположением. Вычисленная таким образом ошибка передается на фиксированной частоте (обычно в двухметровом диапазоне) в виде специального сигнала. Если этот сигнал поймать с помощью дополнительного приемника, подключенного к GPS-навигатору, то последний может внести соответствующую поправку и определить координаты с точностью около 1 метра. В последнее время такие службы получают все большее распространение в западных странах, однако их услуги часто бывают платными. Все спутники вещают одновременно на одной и той же частоте. Чтобы GPS-приемник мог определить, от какого спутника исходит та или иная информация, бортовые передатчики посылают в составе своего сигнала стандартный идентификационный код, который сравнивается с кодами, находящимися в памяти приемника. Независимо от того, сколько спутников находится в поле зрения приемника и какие они, последний может без труда идентифицировать источники сигналов. Такой подход не только упрощает схему GPS-приемника, но и, несмотря на малый уровень радиосигналов, позволяет использовать малогабаритные, а значит, не очень эффективные приемные антенны. Привязка к карте

Одно из самых перспективных направлений развития GPS-навигации — компьютерные картографические системы (иногда они встраиваются непосредственно в GPS-приемники), в которых информация о текущем местоположении и о расположении нужных ориентиров отображается на детальной карте местности. Это значительно повышает удобство и гибкость системы и открывает широчайшие возможности планирования своего маршрута непосредственно в полевых условиях. Здесь возникает достаточно серьезная проблема наличия карт местности. Если с городами все достаточно просто, то найти карту какого-нибудь захолустья нашей необъятной Родины бывает сложно, а иногда и просто невозможно.

Определение высоты своего положения на местности

Относитесь к этой возможности снисходительно (я не говорю сейчас о моделях приемников с барометрическим альтиметром). Конечно, приятно узнать, на какую высоту вы забрались, и сравнить с предыдущими личными рекордами. Однако расхождение между показаниями GPS и высотами, определяемыми по карте, может составлять добрую сотню метров. К тому же, недорогие GPS определяют высоту с меньшей точностью, чем хотелось бы.

Определение темпа движения

С помощью GPS можно оценить среднюю скорость движения по тропе и прикинуть, сколько времени уйдет, чтобы подойти к месту стоянки. Жаль, что понятие “средняя скорость” весьма условно. Двигаясь вдоль реки, группа может потратить лишние полчаса на обход прижима, образованного недавним обвалом и отсутствующего на самой точной карте. Поэтому особенно полагаться на эту функцию GPS не следует.






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.