"Пойди туда, не знаю куда..."
Предисловие: тут меня народ на www.it-ru.de похаял слегка, обвинив в плагиате.
Попытаюсь внести ясность: с известных сайтов были взяты такие материалы, как
картинка расположения спутников на орбите, места базирования станций на земле,
технические характеристики орбит и приемников. Безусловно, невозможно сказать
что-то принципиально новое о системе, о которой уже написаны тысячи страниц,
я и не претендовал на это, основной целью был беглый обзор и собственные
впечатления от эксплуатации.
Заголовок выше выбран не случайно. Даже в России, где русский язык - родной,
вопрос как пройти к... иногда вызывает определенные трудности у отвечающего,
не говоря уже о том, что спросить иногда просто не у кого. Покупая машину, я
осознавал, что в Германии, даже утыканной дорожными указателями, этот вопрос
встанет с гораздо большей остротой, посему и возник вот этот раздел, в котором
я попытаюсь рассказать о вещах вроде бы как более или менее известных.
С другой стороны мои друзья задавали и задают мне вопросы на эту тему, посему
возникла мысль собрать все вопросы и ответы здесь.
История вопроса.
Навигационная система GPS (Global Positioning System, или Глобальная
Система Позиционирования) - детище Министерства обороны Соединенных Штатов
Америки. Система предназначена для определения (двух или трехмерных) координат
объектов на поверхности Земли и в атмосфере (для летательных аппаратов).
Из каких составляющих состоит система GPS и как она работает?
1. Спутники
24 спутника, высота орбиты - примерно 20000 километров, скорость -
около 7000 миль в час, период обращения - примерно 12 часов. Спутники вращаются
в шести плоскостях, в каждой из которых находится соответственно по четыре
спутника. (см. картинку). Таким образом в идеале из каждой точки земной
поверхности видно от трех до 6-8 спутников. Средний срок службы спутника около
15-ти лет, первый спутник системы был запущен в 1978 году, с 1989 года запуски
были поставленны на поток, и система, собственно, ожила, о чем официально
было объявленно в 1990 году. Стоимость системы - около 12-ти миллиардов
долларов
2. Наземные службы
К наземным службам относятся станции мониторинга, находящиеся на Гавайях,
острове Вознесения, Диего-Гарсия, и атолле Кваджалейн. Управление всем этим
добром централизованное, осуществляется с авиабазы ВВС США в Шривере, штат
Колорадо.
3. Собственно, приемники
Разновидностей и модификаций приемников - великое множество. Ниже речь пойдет
о коммерческих гражданских приемниках, использующих стандартный сервис,
(Standard Positioning Service). Сервис повышенной точности (Precise Positioning
Service) для нас интереса не представляет, потому как может быть использован
только армией США.
Теория вопроса, или как это работает.
Для нормальной работы спутниковый навигатор (в дальнейшем - приемник) должен
"видеть" небо и принимать сигнал минимум с 3-х спутников для навигации на
поверхности Земли, и минимум с 4-х для навигации в воздухе. Почему именно так -
рассказывать долго и неинтересно, это задача стереометрии.
При включении любой приемник первым делом начинает "слушать" эфир, оценивая,
с каких именно спутников идет сигнал, где они находятся относительно приемника.
Чем больше спутников в состояни увидеть приемник, тем точнее навигация. Зная
точное местоположение спутника и расстояние до него (по задержке радиосигнала),
приемник рассчитывает свое местоположение на поверхности. Существует, как я
писал выше, два режима работы - стандартный сервис,(Standard Positioning
Service), общедоступный для всех и сервис повышенной точности
(Precise Positioning Service), доступный только для вояк.
При использовании
Standard Positioning Service в систему вводится ошибка, снижающая точность
навигации на плоскости до 100 метров. Ко всеобщей радости херр Клинтон объявил
о том, что начиная с 2000 года эта искуственная ошибка, именуемая в переводе
на русский язык "Режимом селективного доступа" отключена, и теперь точность
позиционирования гражданских и военных систем одинакова, и составляет примерно
около 5 метров при хорошей видимости спутников. Я проверял сей факт на
практике, действительно, приемник сообщает о том, что вы попали в контрольную
точку в случае, если Вы оказались примерно в радиусе 5 метров от нее.
Тем не менее, правительство США объявило о том, что оставляет за собой право
в любой момент понизить точность ситемы для гражданских лиц, если будет
сочтено, что это необходимо для обеспечения национальной безопасности. Кроме
того, было объявлено, что режим селективного доступа может включаться выборочно,
для различных регионов. Подозреваю, что где-нить в районе Ирака мой приемник
будет работать отнюдь не с 5-ти метровой точностью. :)
Да, к приятной особенности приемника относится еще тот факт, что он в курсе,
что такое допплеровское смещение, посему умеет оценивать не только координаты
объекта, но и его скорость, причем значительно точнее автомобильного спидометра.
Есть ли альтернативные системы? И да и нет. Есть российский GLONASS, приемников
которого в свободной продаже не существует, это чисто военная система, есть
система европейского космического агенства "Галлилей", правда, пока в зачаточном
состоянии, ни одного навигационного спутника оного агенства на орбите не
болтается, по слухам финансирование системы периодически то оживает, то умирает.
Как и что выбирать
Самый дешевый GPS-навигатор, который я видел, стоил 99 долларов, самый дорогой -
несколько десятков тысяч тех же самых долларов. Самый маленький - на фото справа,
вмонтирован в наручные часы Casio, самый большой - дура весом в несколько десятков
килограмм и размером с теодолит.
Вышеприведенный пассаж написан к тому, что моделей навигаторов - тьма-тьмущая,
на самые разные случаи жизни, для самых разных целей и по самым разным ценам.
Поначалу, когда встал вопрос, что собственно покупать, я слегка ошалел, в
России мало того, что этот агрегат не совсем законен (об этом чуть ниже),
так еще и цена примерно в 3-4 раза выше штатовской.
Приемники системы GPS можно условно классифицировать на две большие группы:
первая группа - это приемники с поддержкой картографии, когда вы видите свое
местоположение не только в виде цифр, но и в виде точки на электронной карте.
Вторая группа - это приемники без оной поддержки, когда для того, чтобы понять,
что означает цифирь типа: "N 47°49.217 EO 12°23.210" необходимо все-таки в этом
разбираться.
Казалось бы, очевидный ответ - покупай приемник с картографическими функциями,
и на фига нужны какие-то другие варианты? Не все так просто.
Дело в том, что во-первых, я не знаю о существовании карт России для наиболее
популярных коммерческих приемников.
Нет их в природе, не считая отдельных попыток некоторых энтузиастов создать
таковые, поняв путем хака формат карт Garmin. Для Европы, Штатов, Японии -
пожалуйста, но так как знать где ты находишься, для советского человека
приравнивается к попытке шпионажа, нормальных карт России - просто нет,
никак низзя.
Второе соображение заключается в том, что практически все приемники GPS
имеют интерфейс сопряжения с IBM PC, и существует немало программ, умеющих
отображать местоположение и движение объекта прямо на экране ноутбука.
Третье соображение состоит в том, что вам часто карта, как таковая, не нужна,
вам необходимо знать, в какую сторону надо двигаться если необходимо выйти в
определенную точку, например, к железнодорожной станции, или к месту установки
сетей на озере, к своей палатке. Если вы заядлый турист, рыбак, водник, то
собственно схемы улиц и городов для вас представляют интерес весьма
умозрительный, а стоимость приемника без функций картографии - в разы меньше.
Кратко суммируя вышесказанное, попытаюсь сформулировать те вопросы, которыми
должен задаться любой любитель, возжелавший купить себе спуниковый навигатор:
1. Где я собираюсь его эксплуатировать? В какой стране? Можно ли купить
(стянуть в И-нете) карты этой страны? Они вообще существуют в открытом доступе?
2. Как именно я собираюсь это делать? В автомобиле? На катере? Пешком?
3. Что я хочу от навигатора? Видеть свое местоположение на карте, или
мне достаточно видеть свое местоположение относительно каких-то известных
точек?
4. Нужна ли мне водонепроницаемая модель? Нужна ли мне плавающая модель? (Magellan трехсотой серии, к примеру?)
5. Если я буду работать с картами, какое количество карт я буду
использовать, сколько памяти в устройство мне понадобится купить? Смогу ли
я ее в последствии расширить?
6. Нужны ли мне "навороты" типа голосовых подсказок, возможности
прокладки навигатором трассы от точки А до точки Б с учетом наличия дорог,
дорожных знаков, и пр?
7. Сколько я за это могу позволить себе заплатить?
Личный опыт, покупка, практика использования, выводы
Ответив в свое время на все вышеперечисленные вопросы, я остановился на
навигаторе фирмы Garmin, модель Emap. Машинка поддерживает картографические
функции, имеет расширяемую до 128 Мб память на сменном чипе, подключение
внешней антенны, крепеж для автомобиля, велосипеда, мотоцикла, большой и
довольно удобный экран, удобную и понятную систему меню, довольно быстрый
поиск спутников, хороший набор аксессуаров, типа чехла на брючной ремень и
кабеля питания от автомобильного прикуривателя.
Оговорю сразу: это НЕ автомобильная модель, скорее, универсал с претензией на
компромисс, до машинок типа Garmin V она явно не дотягивает, но и стоит
примерно в 4-7 раз меньше оных, да и работает от батарей не 2 часа, а 12.
С ценами на эти устройства вообще творятся довольно странные дела: я свой
приемник покупал через друга в Штатах (Саныч, привет!) он встал мне со всеми
прибамбасами (максимальный объем памяти, крепеж в авто, внешняя антенна,
универсальный кабель "питание-данные") приблизительно в 300 долларов, не
считая доставки, та же самая модель в "голом" варианте, без каких-либо
дополнительных вкусностей в Европе стоит ни много ни мало те же 300 долларов,
а в полной комплектации цена улетает за 500.
В чем отличие приемника, купленного в США от такого же, но купленного в Европе?
Только в одном - "штатовский" приемник имеет прошитую в нем базовую карту США,
европейский - базовую карту Европы.
Насколько это удобная вещь? Других эпитетов кроме "великолепно" и "отлично" я
подобрать не могу, достаточно сказать, что попасть в абслютно незнакомое место,
не плутая и не спрашивая дороги, не является больше проблемой.
Как с ним работать? Есть отличный пакет MapSource, с очень подробной
картой Европы, самый простой способ - прокладывается на карте путь до нужной
точки, подключается к PC приемник, трек (путь) заливается в приемник, и вы во
всеоружии. Сидя в машине достаточно сказать приемнику, что вы желаете проехать
по данному пути, и дальше остается только вести машину, посматривая на экран.
Машинка хранит в своей памяти до 500 точек, и до 50 треков, что за глаза
хватает для самого непоседливого клиента.
Вот несколько примеров использования мной GPS в не очень приятных жизненных
ситуациях:
Пытаюсь выехать на автобан, обнаруживаю пробку, причем такую, что народ уже
заглушил двигатели и стоит, покуривая и кляня судьбу. разворачиваюсь, и
проселками, глядя на экран, выбираюсь в нужную точку, не пользуясь автобаном,
срезая дорогу по местным проселкам, на которых со знаками весьма туго, а вот
с развилками - в изобилии. Выскакиваю к автобану после пробки, спокойно
выезжаю на него, дальше нужды в GPS нет, дорога известна.
Как-то вечером с приятелем едем на его машине, я с приемником, антенна на крыше
машины. Довольно темно, город незнакомый, мало что видно. Приятель говорит: "вот
в тот магазинчик стоит сходить, там неплохой выбор техники". Нажимаю кнопку,
запоминаю координаты точки. Неделю спустя вспоминаю разговор, и решаю, что надо
бы скататься. Прокладывается путь (это можно делать и без MapSource, но чуть
дольше, и требуется некий навык), и я без проблем приезжаю именно в это место
белым днем.
Карта, заливаемая в Гармин, имеет, кроме всего прочего, т.н. POI,
"Points of Interests". Это бензозаправки, музеи, рестораны, автомастерские,
гостиницы, полицейские участки и пр. объекты, могущие пригодиться
путешественнику. Microsoft Autoroute предоставляет еще до кучи информацию о
месположении автоматических полицейских радаров :):):), вам остается только
залить из координаты в приемник, пометить их как "точки опасности" и выставить
дистанцию предупреждения, метров 300-400. Очень удобно, остаетесь
законопослушным гражданином для властей, при этом превышая скорость там, где
это можно сделать безнаказанно.
GPS и Россия
К сожалению, пользование приемником GPS в России является явлением на грани
криминала. Достаточно свеж в памяти случай, когда штатовского инженера,
работавшего в Воронеже, доблестные сотрудники ФСБ заловили с этим устройством в
кармане и долго (примерно пол-года) шили ему шпионаж и попытку определить
координаты стратегических объектов (GPS-приемник является неотъемлемой частью
головок наведения ракет, в частности). Над этим шоу смеялся весь цивилизованный
мир, в котором GPS-приемник можно купить в любом магазине туристического
снаряжения, или просто заказать по почте.
Самое грустное это то, что
правовой основы для запрета вроде бы как нет, есть какое-то маловразумительное
постановление о запрете пользования приборами, умеющими определять координаты
в пространстве с точностью от 30 метров и менее. Такое положение вещей создает
ситуацию, при которой GPS у вас могут просто отнять сотрудники
правоохранительных органов, или вы можете оказаться за решеткой по
подозрению в шпионаже. О временах, когда вы сможете достать из кармана GPS и
увидеть на карте свой дом, видимо, остается только мечтать. Положение несколько
облегчается тем, что ретивые стражи порядка с трудом отличают GPS-приемник от
сотового телефона (благо, на рынке уже появились сотовые телефоны с
GPS-приемником) или "Тетриса", так что вроде бы пользоваться им и можно, но
не особо демонстрируя окружающим.
Да, как я уже говорил, фирменных карт России для GPS-навигаторов в природе не
существует, мы ж государственную тайну блюдем. Это тем более смешно, что здесь,
в Германии, можно совершенно свободно
заказать по каталогу карты русского
производства практически любой страны, в том числе и России, со скромной пометкой
в углу на русском языке: "Генштаб России. Совершенно секретно". Нехило, правда?
Цена листа - примерно 20 евро. Немцы, кстати, очень хвалят именно русские
военные карты, например, все мало-мальски приличные карты Африки, Узбекистана,
Таджикистана, Ирана - это военные карты русского производства. Степень
детализации - вплоть до проселочных дорог и отдельно стоящих деревьев.
FAQ, или наиболее часто задаваемые вопросы и ответы
Q Сервис является бесплатным?
A Полностью. Вы платите один раз, только за оборудование
Q Где добыть карты?
A Либо купить у фирмы Garmin, либо спереть в Интернете
Q Что, для России совсем нет никакой возможности пользоваться навигатором с картой?
A Есть. Но надо иметь растровую карту, правильно ее отсканировать,
привязать ее к координатам приемника
(откалибровать), иметь компьютер, на котором все это добро будет выводиться
(подходит как вариант, Pocket PC). Необходимо так же иметь некие
теоретические знания по геометрии Земли, типам карт и т.д. и т.п.
Q Как узнать, с какой именно точностью работает мой конкретный приемник?
A У любого приемника есть меню, в нем наверняка есть страница типа
Satellite info, на которой показывается, сколько спутников видит приемник в
данный момент, какие именно, с каким качеством принимается сигнал, и какова
точность измерений. Эту функцию вы как раз можете видеть на фотографии,
приемник в момент фотографирования видит 10 спуников, чем выше высота черного
столбика - тем лучше качество приема, в окошке Accuracy стоит точность 15 футов.
Q От чего зависит качество приема?
A Самое главное - от того, какой % неба вы видите в данный момент.
Кроме того, наличие или отсутствие крупных зданий рядом, листвы над головой
(для примеру). Собственно погодные условия приему не мешают, в сильный дождь
или снегопад приемник с внешней антенной работает примерно так же.
Q Насколько хороши часы с GPS-приемником фирмы Casio? Это ведь так
удобно - постоянно имеешь навигатор на руке!
A Как часы - судить не берусь, как навигатор - полный отстой,
внутренней батареи хватает на 80 измерений согласно данным
фирмы-производителя.
Q Насколько навигатор неприхотлив к условиям эксплуатации?
A По-разному. Garmin Emap выдерживает падение на бетонный пол с
высоты чуть больше метра без последствий для здоровья, заявлено, что
брызгозащитен (и только). Garmin-12 как-то был помещен внутрь аквариума
в витрине магазина. Работал. Аквариум был ессно, залит водой. Некоторые
модели Magellan'овских приемников специально обладают положительной
плавучестью
Q Что еще, кроме определения координат и показа их на карте,
умеет навигатор?
A До фига. Emap имеет встроенный одометр, который показывает
скорость, максимальную скорость, время стоянки, время движения, пробег
транспортного средства. Кроме того - возможность измерять расстояние между
любыми двумя точками, режим "следовать по маршруту", режим "вернуться по
маршруту", режим "следовать к точке", морские модели навигаторов имеют массу
дополнительных функций, типа сигнала тревоги, если вас снесло с якорной
стоянки или функцию "человек за бортом". Практически на всех навигаторах можно
вручную или автоматически проложить курс. Кроме того, есть звуковые сообщения
"прибыл в точку", "отклонился от маршрута", и тому подобный сервис.
Q Что из себя представляет автомобильная антенна к навигатору?
Как она крепится?
A Очень похожа на обычную мышь от компьютера,
только раза в три поменьше. Крепится на магнитной основе к крыше
автомобиля, изображена рядом с навигатором на фото. Для понимания масштаба
рядом положен металлический доллар.
Q Какое максимальное количество спутников способен видеть навигатор?
A Современные коммерческие навигаторы - 12-ти канальные.
Q насколько удобно одновременно вести машину и пользоваться навигатором?
A Если вы вчера сели за руль, то не стоит проводить подобных экспериментов,
если есть определенные навыки - то никаких проблем.
Еще точнее, или DGPS.
В принципе, точности в 5-10 метров хватает почти всегда. Но вот "почти"...
Сущестсвуют ситуации, когда желаемая точность составляет около метра по
координате и около 100 метров в час по скорости, причем
хочется, чтобы она не зависела от активности режима селективного доступа и
была гарантированной. Из примеров навскидку - посадка самолета в сложных
погодных условиях, например, или проводка судна по сложному фарватеру. В
последнее время появились проекты такой экзотики, как навешивание GPS-приемников
на исполнительные механизмы оборудования для прокладки трубопроводов и передача
данных в реальном времени на центральный компьютер. Каков выход из положения?
Выход из положения выглядит, как Дифференциальные системы GPS. Что это такое?
Обычный приемник GPS объединяется с блоком, который вводит поправки к каждой
координате, полученной со спутника. Как это работает?
Есть фирмы, поставщики сигналов коррекции GPS. Сигналы посылаются либо с
радиомаяков, координаты которых известны с точностью до метра, либо со спутников
коррекции на геостационарной орбите, координаты которых так же известны с большой
точностью. Вы получаете с приемника GPS-приемника координаты с ошибкой в 5-15
метров, после чего с корректирующего маяка - точное расстояние до него, остальное -
чистая математика.
Поставщики сигналов коррекции делятся на две группы - коммерческие и
государственные поставщики. Ко вторым, к примеру, относится служба береговой
охраны США, Канадская береговая охрана, Инженерный корпус армии США,
чьи сигналы бесплатны, в первой группе наиболее известны фирмы
Racal (и даже в России, чудны дела твои..)
и
Omnistar
которые предоставляют сигнал платный, с, как уже говорилось, геостационарных
спутников. Кроме того, обе конторы поставляют готовые технические решения для
своих клиентов.
Зачем нужены платные поставщики сигнала коррекции, если есть бесплатные?
Дело в том, что точность DGPS зависит в том числе, и от такого фактора, как
расстояние до мачты излучателя сигнала. Если мы завязаны на передатчики береговой
охраны США или Канады, то это - 150-200 миль от передатчика, что если глянуть на карту, весьма
немного, и представляет интерес только для весьма специфической и ограниченной
группы потребителей.
Кроме того, сигнал с мачт подвержен таким вещам, как отражения, задержки,
зависит от солнечной активности и состояния иноносферы, но основной недостаток -
небольшое требуемое расстояние от мачты, падение точности может составлять
до 1 метра на каждые 100 километров расстояния от мачты.
Хотя Omnistar, в частности, заявляет, что сервис wordwide, следует обратить
внимание на их карту покрытия, на Сибирь, Дальний Восток и северный Китай их
услуги не распространяются. К плюсам следует отнести тот факт, что подписаться
на услугу можно даже на пару часов, если есть такая необходимость. Чего я на их
сайте не мог найти - так это цену вопроса, после звонка девочка обещала
прислать факс в течение пары часов. Ждем-с.
Противопоказания для получения корректирующих сигналов с геостационарных
спутников такие же, как и для обычного GPS - горы, высотные здания, ущелья,
очень интенсивные осадки.
Краткое резюме:
1. Можно получить свои координаты и точнее метра.
2. Это либо стоит денег, либо Вы живете в Штатах. :)
3. Требуется дополнительное оборудование.
4. В каждый конкретный момент времени Вы можете пользоваться поправками либо
со спутника, либо с мачты, если таковая есть, но не одновременно обеими видами
поправок.
Заключение
Конечно, я рассказал весьма небольшую часть о системе позиционирования.
здесь , например, есть отличный форум, где
собрана масса аналитической информации о различных моделях приемников, практике
их использования, поломках, методике выбора GPS. Я лишь попытался в популярной
и предельно доступной форме рассказать о системе глобального позиционирования
и собственном опыте ее использования.
Всего наилучшего.
Юстас.
Германия, январь 2003 года.