GPS — Что это, как работает и альтернативные системы навигации

Путешествие в незнакомые места, будь то дальняя страна или незнакомая часть вашего родного города, может вызывать нервозность.

Как ориентироваться?

Куда повернуть?

Как найти кратчайший путь?

В эпоху технологий на помощь путешественникам пришли надежные спутники — системы навигации. Главным представителем этого семейства является Глобальная система позиционирования (GPS), которая уже доказала свою эффективность и популярность. Но помимо GPS существуют и другие альтернативные системы, каждая со своими уникальными возможностями и применением.

Определение местоположения: GPS и его соперники

Современные способы ориентации в пространстве вышли далеко за пределы традиционных методов, применявшихся на протяжении веков. Сегодня нашими товарищами в путешествиях и повседневных передвижениях выступают новейшие технологии, которые значительно облегчают задачу поиска верного пути.

Среди них особое место занимает глобальная система позиционирования – GPS. Эта система, опираясь на спутниковую сеть, определяет наше местоположение с высокой точностью в любой точке земного шара. Для ориентации используются специальные приемники, которые улавливают сигналы со спутников и вычисляют расстояние до них. Однако, несмотря на популярность и эффективность GPS, существуют альтернативные методы навигации, предлагающие свои преимущества.

Компасы, звездные карты и даже хорошо знакомая местность – это лишь некоторые из традиционных методов, которые до сих пор используются для определения местоположения. Они могут быть менее точными и требовать определенных навыков, но зато оказываются доступными в тех случаях, когда современные технологии не справляются.

Принципы работы Глобальной системы позиционирования

Она работает путем измерения времени, за которое сигналы передаются от спутников к нашему приемнику.

Чем быстрее сигнал, тем ближе спутник.

Приемник использует эту информацию, чтобы рассчитать свое местоположение с помощью триангуляции.

Триангуляция

Для определения местоположения используется триангуляция – метод, основанный на определении углов между тремя известными точками.

В случае с ГСП этими точками являются спутники, вращающиеся вокруг Земли, а приемником – наше устройство.

Зная свое расстояние до трех спутников, приемник может рассчитать свое местоположение в трехмерном пространстве.

Таблица компонентов ГСП

Компонент	Описание
Спутники	Отправляют сигналы, содержащие информацию о своем местоположении и времени.
Приемники	Получают сигналы со спутников и рассчитывают местоположение.
Наземные станции	Отслеживают спутники и обеспечивают точность системы.

Преимущества и слабые стороны GPS

Положительным качеством GPS является ее доступность. Пользоваться ей может любой обладатель устройства с поддержкой системы, причем бесплатно.

Логичность и понятность интерфейса приложения GPS позволяет разобраться в нем даже новичку. А актуальность данных гарантирует, что пользователь получит достоверную информацию о своем местоположении.

Недостатки GPS связаны с отсутствием сигнала в закрытых помещениях или местах с плохим покрытием.

При этом в некоторых случаях устройства с GPS не способны справиться с определения координат достаточно быстро, что приводит к задержкам.

Системы дополнения GPS

В мире навигационных технологий не всегда все идет по плану. Чтобы повысить точность и надежность спутниковых систем позиционирования, были разработаны специальные системы, дополняющие GPS. Они используют различные технологии для корректировки сигналов, уменьшения помех и обеспечения непрерывного отслеживания даже в сложных условиях.

Системы дополнения GPS позволяют увеличить точность позиционирования до нескольких сантиметров. Они используют наземные станции, которые принимают сигналы со спутников GPS и транслируют их с более высокой точностью. Это особенно полезно в городских районах с высокими зданиями или в труднодоступных местах.

Кроме того, системы дополнения GPS обеспечивают непрерывное отслеживание даже в условиях плохой видимости спутников. Они используют инерционные датчики или методы, основанные на измерениях расстояний, чтобы отслеживать движение объекта, когда сигналы GPS ненадежны. Это повышает безопасность и точность в таких областях, как беспилотный транспорт и точное земледелие.

Инерциальная навигация

Метод, позволяющий определять текущие координаты и траекторию движения объекта без внешней связи.

Система инерциальной навигации, состоящая из гироскопов и акселерометров, непрерывно отслеживает изменения в положении и скорости объекта.

Эти данные обрабатываются бортовым компьютером, который вычисляет текущую позицию и ориентацию.

Отличие инерциальной навигации от других систем состоит в том, что она не зависит от внешних сигналов и работает полностью автономно.

Значительное преимущество – повышенная надежность в условиях отсутствия спутникового сигнала или блокировки связи.

Принцип действия системы

Инерциальная навигационная система (ИНС) измеряет линейные ускорения и угловые скорости объекта и использует эту информацию для вычисления своего положения и ориентации в течение времени.

Глобальная навигационная спутниковая система

В дополнение к широко известной системе GPS, существует еще и система ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система), разработанная и эксплуатируемая Российской Федерацией. Она также предоставляет надежные геопространственные услуги для определения местоположения, навигации и синхронизации времени.

ГЛОНАСС состоит из 24 оперативных спутников, размещенных на трех орбитальных плоскостях. Система непрерывно передает сигналы, которые могут приниматься специальными приемниками.

Приемник, имеющий доступ к сигналам от нескольких спутников, может вычислить свое собственное местоположение, используя принцип трилатерации.

ГЛОНАСС изначально была создана как военная система, но в настоящее время ее услуги доступны для гражданского использования.

ГЛОНАСС и GPS являются независимыми, но взаимодополняющими системами. Они предоставляют более надежное и точное позиционирование, когда используются совместно.

Радиомаячная система

Радиомаячная система представляет собой сеть станций, которые непрерывно передают радиосигналы. Эти станции расположены на известных позициях, что позволяет использовать их для определения местоположения.

Устройства, принимающие эти сигналы, например, навигаторы или авиационные системы, могут рассчитать свое собственное положение, измеряя время прибытия сигналов от разных станций.

Радиомаячные системы могут быть односторонними или двусторонними. В односторонних системах приемник измеряет только время прибытия сигнала, что делает их менее точными. Двусторонние системы используют дополнительный сигнал, отправляемый приемником, для более точных измерений.

Радиомаячные системы имеют свои ограничения, такие как уязвимость к помехам и атмосферным условиям, которые могут влиять на точность определения местоположения. Тем не менее, они остаются важным компонентом современной навигации и используются в различных приложениях, включая морскую навигацию, авиацию и наземный транспорт.

Совместимость GPS с другими системами

Мультисистемная навигация объединяет различные технологии определения местоположения, повышая точность и надежность.

GPS часто совмещают с другими системами, такими как ГЛОНАСС в России или Galileo в Европе. Это расширяет покрытие, особенно в городских каньонах, повышая доступность сигнала.

Для оптимальной производительности в приемники интегрируют данные от нескольких спутниковых созвездий.

Квазизенитные спутники, передающие сигналы поближе к горизонту, улучшают прием в сложных условиях, таких как плотный городской трафик.

Инжекционная система дополнительно повышает точность, вставляя коррекционные данные с наземных станций.

Развитие системы

Первоначальные концепции положили основу для современных спутниковых систем. Изменение военно-политической ситуации привело к появлению гражданского сегмента GPS.

В настоящее время GPS широко используется во многих сферах жизни. Использование системы привело к трансформации в области транспорта, логистики, геодезии и многом другом.

Постоянное усовершенствование технологий, связанных с GPS, способствует повышению точности, надежности и доступности системы.

Кроме того, ведутся разработки по созданию альтернативных систем, таких как ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou, для обеспечения глобальной навигационной инфраструктуры.

Этапы развития GPS

В таблице представлены основные этапы развития GPS:

Этапы развития GPS

Период	Событие
1960-е	Разработка военных спутниковых систем
1973	Запуск первого спутника GPS
1994	Полное развертывание системы GPS
2000-е	Модернизация GPS с использованием нового поколения спутников
2010-е	Разработка альтернативных спутниковых систем навигации
Настоящее время	Постоянное совершенствование GPS и альтернативных систем

Альтернативные вспомогатели путешественника

Когда навигация по спутникам не доступна, для ориентирования в незнакомой местности можно прибегнуть к альтернативным методам. Они не столь удобны и точны, но вполне могут выручить в критической ситуации.

Ориентирование по солнцу: самый доступный метод для большинства. В северном полушарии, вставая лицом к восходу, справа будет юг, слева – север, за спиной – запад. В полдень солнце оказывается на юге, в полночь – на севере.

Определение сторон света по луне: в фазе растущей луны рожки смотрят на запад, в фазе убывающей – на восток.

Ориентирование по часам: расположив часы горизонтально, совместив часовую стрелку с направлением солнца, можно найти юг, разделив пополам угол между часовой стрелкой и цифрой 12.

Ориентирование по мху: в северном полушарии мох и лишайники обычно покрывают северную сторону деревьев, камней и других вертикальных поверхностей.

Ориентирование по звездам: яркая звезда Полярная указывает на север. Для ее определения следует найти созвездие Большой Медведицы и мысленно провести через крайние звезды прямой, которая продлится до Полярной звезды.

Альтернативы GPS в транспорте

Сейчас часто навигаторы полагаются только на сигналы со спутников, но есть масса других вариантов, и некоторые из них уже превосходят привычный всем GPS. Использование альтернатив GPS может улучшить точность, надежность и эффективность навигации для всех видов транспорта, от автомобилей до самолетов и кораблей.

Развитие альтернатив GPS привело к появлению таких систем, как инерциальная навигация, локализация в помещении и даже распознавание образов. В сочетании с ГЛОНАСС или BeiDou, эти технологии предоставляют комплексные и точные решения для навигации.

Инерциальная навигационная система (ИНС)

ИНС определяет положение, ориентировку и движение без внешних сигналов. Она измеряет ускорение и угловые скорости с помощью акселерометров и гироскопов, а затем использует эти данные для расчета местоположения и ориентации. ИНС обычно используется совместно с другими навигационными системами, такими как GPS, для обеспечения более точной и отказоустойчивой навигации.

Локализация в помещении

Технологии локализации в помещении позволяют устройствам определять свое местоположение внутри зданий и других закрытых помещений. Эти системы основаны на различных технологиях, таких как Bluetooth, Wi-Fi, сверхширокополосная связь (UWB) и радиомаяки. Локализация в помещении позволяет навигационным приложениям предоставлять поэтажную навигацию и другие услуги в помещении, где GPS-сигналы недоступны или ненадежны.

Распознавание образов

Некоторые навигационные системы используют распознавание образов для определения своего местоположения. Эти системы собирают изображения с камер или датчиков LiDAR, а затем сравнивают их с базами данных известных мест. Распознавание образов особенно полезно в районах, где карты недоступны или неточны, и позволяет системам навигации ориентироваться в незнакомых местах.

Будущее навигации

Квантовые технологии совершают прорыв в области навигации, обеспечивая беспрецедентную точность и помехоустойчивость.

Системы навигации на основе распознавания образов и искусственного интеллекта позволяют автономным транспортным средствам понимать и предвидеть сложные дорожные ситуации с невероятной точностью.

Нанотехнологии применяются для создания миниатюрных навигационных датчиков, которые можно интегрировать в различные устройства, от смартфонов до медицинских имплантатов.

Биоинженерия предлагает новые решения для навигации, такие как имплантаты, которые позволяют животным и людям ориентироваться в незнакомых местах с помощью внутренних биологических сигналов.

Эти передовые технологии обещают революцию в навигации, обеспечивая безопасность, эффективность и совершенно новый уровень понимания нашего физического окружения.

Вопрос-ответ:

Как работает система GPS?

Система GPS (Global Positioning System) представляет собой спутниковую навигационную систему, которая работает благодаря сети из 24 спутников, вращающихся вокруг Земли. Каждый спутник передает радиосигнал, содержащий данные о своем текущем положении и времени. Приемник GPS на вашем устройстве получает эти сигналы и использует их для расчета своего собственного местоположения с помощью триангуляции. При этом используются сигналы как минимум трех спутников, а при наличии сигнала с четвертого спутника повышается точность определения местоположения.

Видео:

Как работают навигационные системы GPS и ГЛОНАСС