Время от времени перед каждым человеком возникает задача определения своего местоположения. Если Вы в родном городе, или в поселке, где с детских лет знакома каждая улица или тропинка, то тут все понятно. Но если Вы попадаете в незнакомый район, где названия улиц и населенных пунктов Вам ни о чем не говорят, а спросить либо не у кого, либо Вы просто не знаете того языка, на котором здесь общаются, как быть тогда? Смею заверить, что зачастую и наличие у Вас подробнейшей карты местности или населенного пункта, не выручает. Вот тут-то и могут пригодиться те устройства, о которых пойдет речь.

О принципах работы GPS написано много, и вряд ли стоит пытаться написать что-то новое. Для упрощения своей задачи, приведу выдержку из одной журнальной статьи, дающую представление об этой системе.

«Созданная министерством обороны США изначально лишь для военных целей, система глобального позиционирования GPS очень скоро перестала быть таковой и нашла применение в различных областях гражданской сферы. Основные принципы системы просты и состоят в определении местоположения путем измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами — спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала посылки от спутника к приемнику. Для определения трехмерных координат приемнику необходимо решить систему из трех уравнений. Для устранения погрешности, вызванной разницей между точными часами на спутнике и намного менее точными в приемнике, вводится четвертое уравнение. Другими словами, для однозначного определения координат приемник должен «видеть» не менее четырех спутников.

Организационная структура системы GPS представляет собой совокупность трех сегментов: космического, пользовательского и сегмента управления. Космический сегмент состоит из 24 основных и нескольких резервных спутников, равномерно распределенных по шести круговым орбитам на высоте 20 200 км от поверхности Земли. Спутники распределены так, что из любой точки Земли в любой момент времени выше 15° над горизонтом находятся от 4 до 8 спутников. Период их обращения равен 11 ч 58 мин. Сегмент управления состоит из сети наземных станций слежения и контроля. В их задачу входит контроль работоспособности системы, уточнение и корректировка текущих параметров орбит и показаний бортовых часов.

Сигналы спутников модулируются псевдослучайными последовательностями (PRN) двух типов: C/A-код и P-код. C/A (Clear access) — общедоступный код — представляет собой PRN с периодом повторения 1023 цикла и частотой следования импульсов 1023 МГц. Именно с этим кодом работают все гражданские GPS-приемники. P (Protected/precise)-код используется в закрытых для общего пользования системах, период его повторения составляет 2*1014 циклов. Сигналы, модулированные P-кодом, передаются на двух частотах: L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,6 МГц. C/A-код передается лишь на частоте L1. Несущая, помимо PRN-кодов модулируется также навигационным сообщением.

В приемнике, на основе корреляционной обработки выделяются составляющие, относящиеся к конкретным спутникам, кодовые последовательности и навигационные сообщения. В составе последних передается два типа информации о параметрах орбит и текущем состоянии спутников: альманах и эфемериды. Альманах содержит приближенные параметры орбит, в то время как данные эфемерид очень точные и действительны лишь несколько часов. В зависимости от того, какой объем этих данных хранится в памяти приемника на момент его включения, различают следующие типы стартов (Time To First Fix): hot-start — известен и альманах, и эфемериды; warm-start — известен только альманах; cold-start — данные отсутствуют или недействительны (приемник был долгое время выключен или перевезен на другое место). При использовании C/A-кода среднеквадратическая ошибка в определении координат составляет порядка 10 м. В некоторых гражданских системах данная точность недостаточна.

Для решения проблемы на практике широко применяются дифференциальные системы, обобщенно обозначаемые DGPS (Differential GPS). Задачей этих систем является передача в короткое время GPS-приемнику корректирующих поправок, для чего используются опорные станции с известными координатами».

Что имеем?

В последнее время мы уже перестаем удивляться достижениям современной электроники. Совсем недавно, например, мобильная связь казалась каким-то чудом, а теперь сотовый телефон стал заурядным аксессуаром, хотя в основе его работы лежат очень непростые алгоритмы и для надежного функционирования развернуты сети базовых станций. Так и с современными приемниками GPS. Глядя на миниатюрную, пластиковую коробочку, трудно представить, что там размещены многоканальный приемник высокой чувствительности, мощный микроконтроллер, интегрированная антенна, приемо-передатчик Bluetooth и Li-ion аккумуляторная батарея. Собственно это малогабаритный специализированный компьютер, основной задачей которого является обработка слабых сигналов, поступающих со спутников, расчет географических координат, и передача результатов обработки на персональный компьютер пользователя.

Сам по себе GPS-приемник, несмотря на его привлекательность, нам мало что дает для практического применения. Для работы с ним требуется персональный компьютер, оснащенный программой, позволяющей отображать местоположение, вычисленное приемником, на электронной карте. В нашем распоряжении во время проведения испытаний различных GPS-приемников был карманный компьютер HP iPAQ 2210 и программа «ГИС Русса» версии 1.0 (update 25.5).

Характеристики GPS-приемников

В настоящее время существует достаточно много производителей выпускающих на рынок GPS-приемники (Таблица 1). Среди них такие компании как Garmin, Haicom, Holux, Globalset, Emtac, Royaltek. Анализируя рынок предлагаемых в настоящее время GPS-приемников, несложно заметить, что основное их различие заключается в том, на базе какого набора микросхем приемник построен (какой используется чипсет), и каков вариант исполнения. Различий в последнем случае не так много: Bluetooth приемники, работающие с компьютером по радиоканалу, приемники, выполненные в форм-факторе Compact Flash, и, так называемые, G-mouse-GPS, имеющие проводное соединение с компьютером по интерфейсу USB или PS/2. Довольно часто приемники, работающие через Bluetooth, или выполненные в форм-факторе CF, оснащаются также USB или PS/2 интерфейсом, что позволяет их подключать к компьютеру, у которого нет встроенного модуля Bluetooth. Все приемники имеют встроенную антенну, но большинство из них обладает разъемом для подключения внешней антенны. Приемники, работающие через Bluetooth, различаются также продолжительностью автономной работы от аккумулятора в непрерывном режиме. Здесь разброс довольно существенный — от 23 час. 12 мин. у i-Trek M1 фирмы Seamsons, до 2 час. 40 мин. у модели 9553 фирмы Leadtek. Этот параметр зависит от емкости аккумулятора и от потребляемой мощности приемника, в первую очередь от «прожорливости» чипсета, на котором он построен. Средняя же продолжительность работы приемников составляет 7-9 часов, что обычно достаточно для большинства приложений.

Наиболее важными из приведенных характеристик являются чувствительность, количество корреляторов и потребляемая мощность. С чувствительностью все понятно — чем она выше, тем более слабый сигнал со спутника может быть принят, тем больше шансов у приемника точно определить координаты. Если говорить о корреляторах, то, не вдаваясь особенно в детали, можно сказать, что корреляция — это процедура выделения на фоне шумов и анализа сигнала со спутников для вычисления координат. Звучит достаточно просто, но если учесть, что сигналы очень слабы (посланы с высоты более 20 000 км над землей) и довольно сильно искажены, то чем большей мощностью корреляции обладает ваш приемник (чем больше корреляторов), тем выше шансы достоверного и быстрого определения вашего местоположения.

Из приведенных параметров видно, что наиболее интересные характеристики имеют чипсеты фирмы SiRF (особенно их последняя разработка чипсет SiRFStarIII) из-за высокой чувствительности и мощности обработки сигналов. В новом чипсете реализован абсолютно новый подход к использованию сигналов спутников. Обычные приемники используют для расчета сигналы, мощностью от 28 dB и выше. SiRFstarIII использует все принимаемые сигналы, с мощностью от 13 dB. Благодаря наличию 20 каналов, GPS приемник может принимать отраженные сигналы (в условиях плотной городской застройки и, особенно, в помещении) и использовать их при расчете координат. Другими словами, из-за возможности анализа сигналов по большему числу каналов, чем ранее, есть шанс обработки не только прямого сигнала (часть которого может быть искажена помехами), но и отраженного (который может быть слабее, но эта часть поступила без искажений), что позволяет в итоге повысить помехоустойчивость и чувствительность приемника. Вероятно, благодаря таким замечательным свойствам нового чипсета, большинство выпускаемых в настоящее время устройств построено как раз на базе микросхем SiRF Star III. Чипсет фирмы NemeriX обладает высокой чувствительностью и очень низкой потребляемой мощностью, что очень важно при создании устройств с автономным источником питания. Примерно такими же параметрами по потреблению обладает чипсет фирмы Xemics, однако число каналов там не превышает 8, а корреляторов всего лишь 32.