GPS: определение, принцип работы, виды устройств с GPS

Глобальная система позиционирования – Global Positioning System – появилась в 50-е благодаря запуску спутника. Когда первый советский спутник вышел на орбиту, американцы обратили внимание: при отдалении он равномерно меняет частоту сигнала. Ученые проанализировали данные и поняли, что спутниковый сигнал позволяет точно определить координаты объектов на земле, а также скорость их передвижения. Первыми систему GPS взяли на вооружение военные: Министерство обороны запустило спутниковую навигацию в своих целях, но уже через несколько лет она стала доступна гражданским.

Сейчас на околоземной орбите находятся 24 спутника, которые передают сигналы привязки. Число спутников периодически меняется, но всегда остается достаточным, чтобы поддерживать бесперебойную работу Global Positioning System. На случай форс-мажора предусмотрены запасные спутники, и каждое десятилетие на орбиту выходят новые, модернизированные космические аппараты, потому что ничто не должно нарушить режим работы GPS.

Спутники вращаются по шести орбитам, образуя взаимосвязанную сеть. Ею управляют специальные станции GPS, которые расположены в тропиках, но связаны с координационным центром в Соединенных Штатах. Благодаря этой сети вы можете узнать точные координаты человека, машины или самолета со скоростью прохождения сигнала от спутников, то есть практически мгновенно, а точность показаний не зависит от погодных условий и времени суток. При этом само по себе использование Global Positioning System – бесплатное, и единственное, что нужно, чтобы пользоваться этой навигационной системой, – навигатор или другое устройство, поддерживающее функцию джипиэс.

Принцип работы GPS

В основе технологии – простой навигационный принцип маркерных объектов, который использовался задолго до появления GPS. Маркерный объект – это ориентир, координаты которого точно известны. Для определения координат объекта нужно знать также расстояние от него до маркерного объекта, тогда можно провести на карте линии в сторону маркеров от возможного местоположения: точка пересечения этих линий и будет координатами.

Спутники на околоземной орбите играют в GPS роль маркерных объектов. Они быстро вращаются, но их местоположение постоянно отслеживается, а в каждом навигаторе есть приемник, настроенный на нужную частоту. Спутники посылают сигналы, в которых закодирован большой объем информации, включая точное время. Данные точного времени – одни из самых важных для определения географических координат: ориентируясь на разницу между отдачей и приемом радиосигнала, спутники вычисляют расстояние между собой и навигатором.

Как работает GPS в смартфонах

Навигаторы – один из самых востребованных товаров на рынке гаджетов, по популярности их обгоняют только смартфоны. Но и в смартфоны производители встраивают чипы GPS, чтобы устройство могло выполнять функции навигатора. Однако здесь пользователя может подстерегать ловушка, потому что в погоне за прибылью производители допускают умышленные или случайные неточности в описании своего товара, позволяя покупателям перепутать технологии GPS и AGPS.

Джипиэс – бесплатная навигационная система высокой точности. Подписки на нее нет и быть не может, потому что американцы позволяют пользоваться своими спутниками для навигации безвозмездно. Владельцы смартфонов если и оплачивают, то только приложения или карты. У приемников GPS есть небольшие минусы: они работают только на улице, а из-за плохой погоды могут возникнуть проблемы с приемом сигнала от спутника, но эти недостатки решили с помощью технологии A-GPS (не путать с AGPS). Суть в том, что сигнал от приемника перенаправляют на сервер, на котором содержится вся информация о положении спутников, поэтому трудностей с приемом сигнала не существует. A-GPS используют все современные автомобильные навигаторы.

Но существует также сотовая навигация AGPS – она работает только в зоне покрытия сотовой сети и определяет местоположение с точностью до 500 м. Она менее точная в сравнении с GPS, дает общее представление о месте, где вы находитесь, зато предлагает спутниковую карту окрестностей. Важно, чтобы была подключена услуга мобильного интернета, а на счету оставались деньги. С сервисом AGPS работают Google Maps. Зачастую возможностей сотовой навигации достаточно, но ее все равно не стоит путать с точной и бесплатной системой GPS.

Виды GPS-устройств

Самое простое навигационное устройство – внешний приемник. Он обращается к спутникам и принимает от них сигнал, но чтобы вы могли воспользоваться информацией, приемник нужно подключить к другому устройству – например, смартфону или ноутбуку, благо, он совместим со всеми востребованными гаджетами и программами. В крайнем случае вам потребуется карта. Приемники GPS используют пешеходные туристы: устройство недорогое, а для расшифровки информации, которую оно принимает, можно пользоваться даже обычной туристической картой местности. Нужно лишь, чтобы на нее была наложена навигационная сетка.

Но самое востребованное сегодня GPS-устройство – это автомобильный навигатор. Он намного сложнее и функциональнее приемника: навигатор больше похож на уменьшенную версию компьютера. Весь необходимый софт уже установлен производителем, операционная система закрытая. К навигации прибавляют много дополнительных функций, включая выход в интернет.

Отдельный класс устройств – смартфоны со встроенными приемниками GPS. Не путайте их с моделями, использующими сотовую навигацию! Система работает на смартфонах не так гладко, как на самостоятельных устройствах. Не все модели позволяют поставить полноценный навигационный софт, а если пользоваться онлайн-решениями, то функция станет недоступна при отключении интернета, и тогда исчезнет одно из преимуществ технологии: постоянный доступ. Однако смартфоны со спутниковой навигацией подходят для пешеходов – ориентироваться удобно и данные точные, поэтому вы не заблудитесь даже в непроходимой чаще.

Оборудование ГЛОНАСС мониторинга: Спутниковый мониторинг транспорта

GPS, ГЛОНАСС и другие ГНСС

Многие мобильные приложения и программное обеспечение используют GPS, ГЛОНАСС и другие системы глобальной спутниковой навигации. Первые из них были разработаны еще в середине прошлого века — и с тех пор каждый день в любое время суток и любую погоду помогают пользователям с точностью определять местоположение самых разных объектов.

Что такое современные ГНСС, какие есть системы спутниковой навигации и в чем разница между GPS и ГЛОНАСС? Читайте в формате ответов на вопросы.

Что такое глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС)

Глобальная навигационная спутниковая система или ГНСС (GNSS) — это система наземного и космического оборудования, которая позволяет определять местоположение объектов в пространстве через прием и передачу спутникового сигнала.

Помимо координат современные навигационные системы способны вычислять скорость и направление движения любых объектов, которые могут принимать сигналы от навигационных спутников. Такие объекты называются ГНСС- или GNSS-приемниками.

Первой в мире спутниковой навигационной системой считается Transit. В 1960-х годах, еще до старта известных GPS или ГЛОНАСС, американский военный флот использовал спутники для определения местоположения своих подводных лодок и судов.

Что входит в состав ГНСС

Глобальные навигационные спутниковые системы состоят из трех уровней: космического, наземного и пользовательского.

1. Космический уровень — это множество спутников от разных ГНСС-систем, которые находятся на околоземной орбите и посылают сигналы с определенной частотой.
2. Наземный уровень — это целая сеть следящих (или базовых) станций и антенн, которые отслеживают и корректируют положение навигационных спутников на орбите.
3. Пользовательский уровень — это все наши устройства, которые могут принимать сигналы со спутников GPS, ГЛОНАСС или других систем. Смартфоны, планшеты, ноутбуки, GPS-трекеры, навигаторы, роверы и другая техника, которая может определять свое местоположение, считается ГНСС-приемниками.

Как работает ГНСС

Для определения местоположения объекта как раз необходимы два важнейших сегмента глобальной навигационной спутниковой системы. Это созвездие спутников на орбите, которое отправляет сигнал, и устройства, которые эти сигналы способны принимать.

Принцип определения местоположения основан на измерении расстояния от объекта (ГНСС-приемника) до спутников навигационной системы. Положение и перемещение спутников всегда известно с высокой точностью — они сами отправляют на устройства пакеты данных со своими координатами. Расстояние от спутника до объекта можно определить по задержке между отправкой сигнала с данными и его получением ГНСС-приемником. Задержка во времени вычисляется по высокоточным атомным часам, которые стоят на спутниках.

Для понимания своих координат объекту нужно знать расстояние как минимум до 4 спутников — чтобы вычислить собственную высоту над уровнем моря, долготу и широту.

Чем больше задействовано спутников и чем сложнее геометрическую фигуру они образуют, тем точнее устройство сможет определить свое местоположение. Поэтому все навигационные спутниковые системы имеют от 5 спутников на орбите, а повсеместно используемые глобальные GPS и ГЛОНАСС — свыше 20.

Какие существуют ГНСС

В мировой навигации лидируют глобальные навигационные спутниковые системы второго поколения: американская GPS, российская ГЛОНАСС, европейская Galileo и китайская Beidou. Принцип их действия одинаковый — разница лишь в количестве спутников и их расположении на орбите.

Глобальный охват каждая из ГНСС-систем обеспечивает с помощью спутниковой группы из 18-30 спутников средней околоземной орбиты. Все они расположены между несколькими орбитальными плоскостями. Все системы используют наклоны орбит больше 50°, а их спутники движутся на высоте порядка 20 000 километров и выше.

На помощь глобальным системам, в первую очередь GPS и ГЛОНАСС, приходят региональные. Отдельные страны также разворачивают собственные навигационные системы для точности определения координат объектов на своей территории.

• DORIS — Франция,
• QZSS — Япония,
• NAVIC — Индия.

Не только GPS и ГЛОНАСС: что мы знаем о Beidou, Galileo, QZNSS и NavIC

В настоящий момент полностью задействованными по всему миру считаются такие ГНСС, как GPS и ГЛОНАСС. Работа их спутников развернута на территорию всей нашей планеты. Оставшиеся навигационные системы работают только в своем регионе или же в процессе развития своей глобальной спутниковой группировки.

Мы вкратце сравним Beidou, Galileo, QZSS и NAVIC.

Beidou: Китай

• Первый запуск: 2000 год.
• Покрытие: глобальное. После запуска системы Beidou 3-го поколения в 2020 году.
• Состав спутников: 48 аппаратов, в работе — 35.
• Типы орбит: средняя круговая, геостационарная, геосинхронная наклонная высокая.
• Высота: 21 500 километров.
• Время полного оборота: 12 ч 53 мин 24 с.

Galileo: Евросоюз

• Первый запуск: 2011 год.
• Покрытие: глобальное.
• Состав спутников: 23 аппарата, 1 в стадии запуска.
• Типы орбит: средневысокая.
• Высота: 23 222 км.
• Время полного оборота: 14 ч 4 мин 42 с.

QZSS: Япония

• Первый запуск: 2010 год.
• Покрытие: Тихоокеанско-Азиатский регион.
• Состав спутников: 5 аппаратов, в работе — 5.
• Типы орбит: геосинхронная высокая эллиптическая, геостационарная.
• Высота: 35 786 км.

NAVIC: Индия

• Первый запуск: 2013 год.
• Покрытие: Индия.
• Состав спутников: 8 аппаратов, в работе — 7.
• Типы орбит: геосинхронная.
• Высота: 36 000 км.

Какая спутниковая система используется в России

ГЛОНАСС — российская глобальная навигационная спутниковая система. Отечественная система считается одной из двух существующих в мире, которые приняты в эксплуатацию повсеместно. Поэтому большинство устройств, которые могут определять свое местоположение, оснащены навигационными чипами GPS/ГЛОНАСС — а не только GPS.

Спутниковая система России позволяет определять местоположение и скорость объектов в практически любой точке нашей планеты, а также в космическом пространстве вблизи Земного шара.

Первый запуск космического аппарата ГЛОНАСС успешно прошел в 1982 году. Исследования применения спутников для навигации начались в 1957 году.

Основу орбитальной группировки ГНСС в трёх орбитальных плоскостях составляют космические аппараты «Глонасс-М» и космические аппараты нового поколения «Глонасс-К». Всего для работы требуется 24 аппарата, на данный момент на орбите находятся 26 спутников на высоте 19 100 километров.

Система спутников ГЛОНАСС

Штатная спутниковая группировка ГЛОНАСС состоит из 24 спутников. Все они находятся на средневысотных околокруговых орбитах на высоте 19 100 километров. Угол наклона осей по орбитам составляет 64,8°, а полный оборот вокруг Земли каждый спутник совершает за 11 часов 15 минут и 44 секунды.

Такие характеристики оптимальны для использования в высоких широтах (северных и южных полярных регионах), где сигнал системы американской GPS ощутимо слабее.

В штате космических аппаратов ГЛОНАСС числятся следующие спутники:

• «ГЛОНАСС» — использовались до 2005 года, выведены из эксплуатации,
• «ГЛОНАСС-М» — в эксплуатации,
• «ГЛОНАСС-К» — в эксплуатации,
• «ГЛОНАСС-К2» — в разработке.

Что такое ГЛОНАСС-К2

ГЛОНАСС-К2 — это серия космических аппаратов российской глобальной навигационной системы третьего поколения.

От спутников предыдущих М-серий они отличаются в первую очередь более продолжительным сроком активной работы — 10 лет вместо 7.

Аппаратура новых спутников может работать в условиях открытого космоса, поэтому разработчики смогли отказаться от использования герметичного контейнера и уменьшить массу спутника. Представители К-серии весят всего 935 килограмм против предыдущих 1415.

Запуск первого спутника ГЛОНАСС-К2 запланирован на конец 2022 года.

Сравнение ГЛОНАСС и GPS

Две глобальные навигационные спутниковые системы GPS и ГЛОНАСС начали разрабатываться практически одновременно — в 1970-х годах. США и Советский Союз изначально вели исследования и запуски в военных целях, но когда спутниковая навигация нашла свое применение в гражданских целях, то развитие американской и советской системы пошло по одинаковому сценарию.

В настоящее время каждая из ГНСС имеет на орбите полноценную орбитальную группировку, которая обеспечивает покрытие в глобальном масштабе.

Несмотря на схожесть в процессе разработки можно выделить следующие ключевые отличия систем GPS/ГЛОНАСС друг от друга.

Численность спутников на орбите.
GPS насчитывает 32 аппарата, а ГЛОНАСС — 26. Каждая ГНСС постоянно работает с 24.

Расположение спутников на орбите.
В системе GPS спутники занимают 6 плоскостей по 4 аппарата в каждой, в ГЛОНАСС — 8 спутников в трех плоскостях.

Синхронизация с Землей и корректировка точности.
Спутники GPS синхронизированы с вращением Земли. Поэтому для обеспечения точности GPS необходима целая цепочка геостационарных станций, которые отслеживают и корректируют неизбежные отклонения.

Спутники ГЛОНАСС движутся по орбите независимо от вращения Земли — для них проблема корректировки отсутствует.

Погрешность определения координат
Погрешность ГЛОНАСС выше, чем у GPS. Для отечественной системы эти значения колеблются от 3 до 6 метров, а для американской ГНСС — от 2 до 4 метров. Одновременное использование GPS/ГЛОНАСС сокращает погрешность до 1,5-3 метров.

Глобальное покрытие ГНСС
Ключевое преимущество GPS перед ГЛОНАСС — это 100% покрытие Земли, в то время как навигационный сигнал ГЛОНАСС доступен не во всех точках мира. Это также нивелируется совместным использованием GPS/ГЛОНАСС.

Покрытие в северных регионах
В северных регионах точность ГЛОНАСС ощутимо выше, чем у GPS. Это можно объяснить военным фактором — механика ГЛОНАСС рассчитывалась в первую очередь под войсковые группировки, которые находились на севере СССР.

Совместная обработка GPS/ГЛОНАСС позволяет увеличить точность определения местоположения в 2 раза. Это учитывают крупнейшие производители и оснащают свои устройства двухсистемной навигацией. Например, те же айфоны работают в обязательном порядке и с GPS, и с ГЛОНАСС.

Как работают GPS и ГЛОНАСС

Системы GPS/ГЛОНАСС работают по такому же принципу, как и другие глобальные навигационные спутниковые системы. Мы подробно рассказывали об их работе на примере использования GPS-трекеров.

Работает ли GPS в России: насколько вероятно отключение

GPS продолжает работу по всему миру, включая территорию России. Но в текущих условиях все больше пользователей задают вопрос: отключат ли GPS в России и как это отразится на пользователях. Короткий ответ: отключение GPS возможно, но крайне маловероятно.

• GPS — в первую очередь глобальная навигационная спутниковая система. Исключить из неё одну страну, при этом не затронув другие, кажется очень сложным, долгим и баснословно дорогим процессом. Для этого потребуется менять траекторию всех спутников на орбите. Напоминаем, это как минимум 24 аппарата.
• Россия не останется без спутниковой навигации даже в случае отключения GPS или отсутствия обновлений его метрик. Все современные устройства, которые выступают в качестве ГНСС-приемников, синхронизированы с другими глобальными спутниковыми системами — ГЛОНАСС, Beidou и Galileo.

GPS или ГЛОНАСС — какое устройство выбрать

На сегодняшний день все производители техники и разработчики программного обеспечения оснащают свои продукты возможностью единовременной работы с системами GPS/ГЛОНАСС, а также с другими ГНСС.

Двухсистемная навигация позволяет нивелировать недостатки каждой из ГНСС, а пользователям получать точный и качественный результат. Поэтому выбор GPS или ГЛОНАСС очевиден — это синергия.

Наша система мониторинга, фирменная линейка трекеров и мобильные приложения поддерживают работу с обеими спутниковыми системами. С помощью GPS/ГЛОНАСС мы ежедневно помогаем нашим клиентам с точностью отслеживать транспорт, сотрудников, грузы и работать с этими данными.

Узнайте больше о возможностях сервиса ГдеМои на нашем сайте.

GPS: Глобальная система позиционирования

GPS: Глобальная система позиционирования

Глобальная государственная служба предоставлено вам правительством США

Информация для широкой публики

Как исправить свой адрес в устройствах GPS, приложениях и онлайн-картах

Устройства GPS показывают ваш дом или бизнес не в том месте? Проблема не в GPS! Это картографическая программа.

Сообщите о своей проблеме поставщикам программного обеспечения

• Как добавить или исправить свой адрес в GPS-устройствах, приложениях и картах?
• Что делать с грузовиками, проезжающими по моему району?
• Как сообщить об отключении службы GPS?
• Может ли GPS помочь мне найти потерянный телефон?
• Как работает GPS?
• Насколько точен GPS?
• Насколько GPS уязвим для злонамеренных помех?

Избранный контент

• Что такое GPS?
• Как работает GPS
• Дальнобойщики: не используйте бытовые устройства GPS!
• Блокировка сигналов GPS незаконна

Для профессионалов GPS

Что нового для профессионалов

• Последние презентации
  • Консультативный совет PNT, 16-17 ноября
  • CGSIC Денвер, 19-20 сентября
• Сети Лигадо и GPS
  • Отчет Национальной академии, 9 сентября
  • Выписка EXCOM
• Техническая документация
  • Открытая ICWG, 26 октября
  • Диаграммы направленности антенн GPS III (USCG. gov)
  • 2022 Обновления МКБ
  • 2022 Уведомления о пересмотре интерфейса
  • Анализ производительности GPS SPS
• Финансирование и законодательство
  • Запрос бюджета GPS на 23 финансовый год
  • Финансирование GPS в 22 финансовом году и NDAA
• Политика США в отношении PNT космического базирования на 2021 год

• 17 октября: Консультативный совет PNT соберется 16-17 ноября в Редондо-Бич, Калифорния
• 9 сентября: Заявление Национального исполнительного комитета по космическому позиционированию, навигации и синхронизации
• 26 июля: Опубликован Федеральный план радионавигации на 2021 год
• 14 июля: Совещание открытой ICWG 28 сентября 2022 г.

• 6 марта: Октябрь 2022 Протокол ICWG (PDF)
• 17 февраля: Ноябрь 2022 г. Протокол консультативного совета (PDF)
• 27 января: Сводный отчет консультативного совета за ноябрь 2022 г. (PDF)
• 14 ноября: Ноябрь 2022 г. Повестка дня консультативного совета PNT

Информация и ресурсы для повышения устойчивости к позиционированию, навигации и синхронизации, особенно в критической инфраструктуре

Другие аудитории

• для законодательного персонала
• для студентов и учителей

• английский
• Эспаньол

• GPS.gov: Обзор GPS

  Что такое GPS?

  Глобальная система позиционирования (GPS) — это утилита, принадлежащая США, которая предоставляет пользователям услуги позиционирования, навигации и синхронизации (PNT). Эта система состоит из трех сегментов: космического сегмента, сегмента управления и пользовательского сегмента. Космические силы США разрабатывают, обслуживают и эксплуатируют космический и управляющий сегменты.

  • Космический сегмент
    
    Космический сегмент состоит из номинальной группировки из 24 действующих спутников, которые передают односторонние сигналы, сообщающие текущее положение и время спутника GPS. Узнать больше
  • Сегмент управления
    Сегмент управления состоит из всемирных станций мониторинга и управления, которые поддерживают спутники на их надлежащих орбитах с помощью периодических командных маневров и настраивают часы спутников. Он отслеживает спутники GPS, загружает обновленные навигационные данные и поддерживает работоспособность и статус группировки спутников. Узнать больше
  • Пользовательский сегмент
    Пользовательский сегмент состоит из приемного оборудования GPS, которое принимает сигналы от спутников GPS и использует переданную информацию для расчета трехмерного положения и времени пользователя. Узнайте, как используется GPS

  GPS-услуги

  Спутники GPS обслуживают гражданских и военных пользователей. Гражданская служба находится в свободном доступе для всех пользователей на постоянной основе по всему миру. Военная служба доступна для вооруженных сил США и союзников, а также для утвержденных государственных учреждений.

  • Дополнения
    Доступны различные системы и методы дополнений GPS для повышения производительности системы в соответствии с конкретными требованиями пользователя. Они улучшают доступность, точность и целостность сигнала, обеспечивая даже более высокую производительность, чем это возможно при использовании базовой гражданской службы GPS. Узнать больше
  • Производительность
    Выдающаяся производительность GPS за многие годы завоевала доверие миллионов гражданских пользователей по всему миру. Он доказал свою надежность в прошлом и обещает приносить пользу пользователям по всему миру в далеком будущем. Узнать больше

  Будущее GPS

  • Модернизация
    Соединенные Штаты привержены обширной программе модернизации, включая внедрение второго и третьего гражданских сигналов на спутниках GPS. Второй гражданский сигнал повысит точность гражданской службы и поддержит некоторые приложения, связанные с безопасностью жизни.