Технологии GPS и A-GPS - принципы действия, преимущества и недостатки. Самое главное о GPS-навигации: что такое GPS и зачем он нужен

Технологией GPS пользуются не только автолюбители и таксисты. Она также популярна среди любителей попутешествовать на природе, рыбаков и просто людей, ведущих активный образ жизни и постоянно ходящих/ездящих туда-сюда. Если кому-то нужно узнать, где он находится, где расположена нужная ему локация, с какой скоростью он движетесь и как скоро достигнет цели, GPS придет на помощь.

Причина широкой популярности этой технологии кроется в следующем:

• зона действия покрывает весь земной шар;
• технология используется не только в дорогих защищенных GPS-трекерах, но и в сравнительно дешевых GPS-навигаторах для автомобилей и даже в смартфонах;
• за пользование GPS не нужно платить.

Подробнее о том что такое GPS

GPS - сокращение от английского понятия Global Positioning System, которое на русский переводится как «глобальная система позиционирования». Этот проект был задуман и реализован военным ведомством США исключительно в военных целях, но позже стал широко использоваться и для гражданских нужд.

Основой системы GPS являются 24 навигационных спутника NAVSTAR, составляющие единую сеть и расположенные на орбите Земли таким образом, чтобы из любой точки земного шара можно было получить доступ как минимум к 4 спутникам.

Работоспособность глобальной системы позиционирования контролируется с Земли станциями наблюдения, находящимися на Гавайских островах, в городе Колорадо-Спрингс (штат Колорадо), в атолле Кваджалейн и на островах Вознесения и Диего-Гарсия. Вся информация, собранная этими станциями, записывается, а затем передается на командный пункт, который расположен на военной базе ВВС США «Шрайвер» (штат Колорадо). Здесь производится корректировка навигационной информации и орбит спутников.

Вычисление координат GPS-трекера происходит по следующему принципу. От каждого навигационного спутника к находящемуся в их зоне доступа приемнику проходит радиосигнал. Задержка прохождения этого сигнала измеряется, и на основе этих измерений вычисляется расстояние до каждого спутника. Местонахождение приемника вычисляется на основе измерения расстояния от него до всех доступных спутников (в геодезии этот метод именуется триангуляцией), координаты которых известны и содержатся в передаваемых ими сигналах.

GPS-приемник способен не только определять свое местоположение, но и вычислять скорость движения, время, которое нужно затратить, чтобы достичь назначенного места, и показывать направление. Но это уже относится к возможностям не столько самой системы GPS, сколько программного обеспечения навигатора.

Об истории GPS и навигационных спутниках

Идеей создания системы спутниковой навигации американцы загорелись в далеких 1950-х, когда в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли. В 1973-м была запущена программа DNSS, которая позже была переименована в Navstar-GPS, а затем - просто в GPS. Первый спутник (тестовый) на орбиту был выведен в 1974 году.

После выведения на орбиту первого советского навигационного спутника ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) в 1982 году конгресс США выделил американским военным средства, чтобы ускорить работу. Первый рабочий спутник GPS был запущен в феврале 1978 года, а функционировать в полную силу система начала в конце 1993-го, когда свои места на орбите Земли заняли все 24 спутника.

Каждый навигационный спутник весит порядка 900-1000 кг, а в длину с раскрытыми солнечными батареями достигает 5 метров. Средний срок службы спутника - 10 лет. По истечении этого срока на смену выработавшему свой ресурс спутнику выводится новый.

О GPS-приемниках

Скорость вычисления координат при включении приемника, его чувствительность и точность позиционирования определяются чипсетом, которым он оснащен. Чипсеты для GPS-устройств изготавливают несколько производителей, но наиболее распространенным является SiRFstarIII от компании SiRf Technology.

Приемники с чипсетом SiRfstarIII отличаются коротким временем холодного старта (несколько секунд) и могут принимать сигналы одновременно от 20 спутников. Они очень чувствительны и позволяют определять координаты с высокой точностью.

В чем разница между GPS и A-GPS

В списке характеристик одних смартфонов указывается наличие GPS-модуля, других - A-GPS. Чем же отличаются эти модули?

Устройство с обычным GPS-приемником при холодном старте (когда системой навигации долго не пользовались) спутники может искать долго - время ожидания порою достигает 10 и более минут. Это объясняется тем, что GPS-приемник ищет спутники, не имея информации об их местоположении.

При использовании A-GPS устройство сразу же получает часть необходимой информации с помощью сети GPRS/3G (трафик не более 10 КБ). Таким образом, A-GPS представляет собою программную надстройку над GPS-приемником, которая значительно уменьшает время поиска спутников при холодном старте. Кроме того, эта надстройка позволяет увеличить точность определения местонахождения в зонах со слабым сигналом от спутников.

Есть, однако, у A-GPS один небольшой минус. В отличие от GPS, пользоваться которой можно абсолютно бесплатно, A-GPS приходится оплачивать согласно установленному вашим провайдером тарифу, поскольку она потребляет интернет-трафик (пусть и незначительный).

Просматривая разного рода GPS оборудование, наверняка Вы встречали аббревиатуру A-GPS (чаще всего встречается на смартфонах). Что же такое A-GPS и почему было бы хорошо иметь данную функцию?
Следует отметить, что начиная с 2012 года все GPS трекеры компании Интелли имеют данную функцию.

A-GPS расшифровывается как Assisted GPS (сопровождаемый GPS), функция помогает GPS модулю установить спутниковый сигнал. Так называемое «время холодного старта» - время необходимое для определения координат с момента включения GPS у полностью выключенного устройства. Существует, так называемый параметр TTFF (время определения координат), этот период значительно увеличивается в сложных условиях, когда нет прямой видимости всех спутников. Чаще всего такое происходит в условиях плотной городской застройки, когда спутниковые сигналы отражаются от все близлежащий зданий.

Необходимо сказать, что функция AGPS работает только при условии подключения к мобильному интернету. Это может быть GPRS передача данных или WCDMA (3g-мобильный интернет). Передавая и получая данные из интернета, связанные с местоположением, технология позволяет ускорить процесс определения своих координат. О том, какие данные передаются через интернет будет сказано ниже.

Первый старт устройства GPS - называется холодным стартом или заводским стартом. В это время в устройство подгружаются три типа данных: спутниковые сигналы, данные альманаха и эфемерид данных), для определения своего местоположения. Холодный старт происходит, после продолжительного выключенного состояния, перемещения на большие дистанции или при сбросе данных кеша (сохранённые данные о последнем местоположении модуля.

Для автономных GPS приемников, холодный старт может занять до 10 минут. Однако, в случае если сигнал неуверенный и прерывается во время запуска определения координат, (из-за низкого уровня сигнала, погодных условий, зданий, прочее), холодный старт может занять и больше времени.

A-GPS помогает ускорить определение координат, подключаясь через интернет к веб-серверу (называемый Assisted-сервер), который уже содержит актуальную информацию о всех спутниках. Эта информация передаются через GPRS на телефон.

Кроме того, было показано, что даже теплый старт происходит быстрее используя А-GPS, в среднем на минуту.

Что технология А-GPS не делает

Не смотря на то, что описанная функция замечательно улучшая показатели работы спутникового модуля, есть определенные ограничения. Спутниковый сигнал не будет обнаружен внутри больших и железобетонных зданий (далеко от окон). Также, GPS сигнал не будет работать под водой и, даже, под землей. Кстати, в отсутствии мобильной связи (интернета), данная функция тоже не работает.

Кроме того, не нужно путать функцию А-GPS с WI-Fi позиционированием или методом «триангуляции» для сотовых телефонов, когда определение координат по GPS невозможно.

Некоторые устройства совмещают указанные методы позиционирования. Такие способы определения местоположения называются: гибридные системы позиционирования.

К чему движется компания ООО «Интелли» своих разработках? В первую очередь это интегрированные системы позиционирования.

В идеальных условиях GPS или Глонасс является самым быстрым и точным способом определения местоположения объекта. Вместе с тем, существуют определенные ограничения позиционирования: внутри зданий, под землей (подземный паркинг, например), под водой, прочее. Технология позиционирования, к которой мы пришли, заключается в предоставлении нашим клиентам комплексного решения.

В 2010 году на конгрессе FIG, основным трендом являлось повсеместное позиционирование используя все доступные технологии: GPS/Glonass, WI-Fi позиционирование и метод триангуляции для сотовых телефонов.

Объединение преимуществ указанных технологий позволит улучшить не только точность и стабильность работы систем GPS мониторинга, но и будет использоваться повсеместно во всех популярных мобильных устройствах.

• Назад

Начнем, пожалуй, с объяснения, что такое A-GPS и чем он отличается от GPS . В большинстве случаев сотовые телефоны не имеют достаточно хорошего приемника, который бы смог обеспечить увереный прием сигнала в помещение или между высотками. Именно тут приходит на помошь так называемый A-GPS , что в большинстве других мобильных телефонах называется просто GPS .

A-GPS (англ. Assisted GPS) система, ускоряющая определение координат GPS-приёмником

Самой большой проблемой для GPS приемника является так называемый «холодный старт». Именно в этот момент происходит поиск спутников. В зависимости от внешних факторов процесс старта может затянуться, что не только вызывает дискомфорт, но и приводит к повышенному потреблению энергии. Технология A-GPS помогает справиться не только с данной проблемой, но несколько упростить жизнь GPS приёмнику.

В случае с iPhone это означает, что текущая позиция будет определяться при помощи GPS , Wi-Fi и станций сотовых операторов (умельцы из Apple умудрились для всего этого использовать всего лишь 2 антены, которые расположены в неожиданных местах — кольцо вокруг камеры, аудио-jack, металический ободок вокруг экрана и т.д. Все эти данные будет обрабатывать вспомогательный сервер. Именно в этом и заключается преимущество A-GPS перед GPS : первый работает намного быстрее, а второй «тормозит» во время «холодного старта», когда ищет спутники. С обычным GPS приемником для позиционирования вам нужно несколько сильных сигналов и некоторое количество времени для получения координат. При A-GPS вспомогательный сервер сам сообщает вашему телефону, где находятся ближайщие спутники, тем самым сокращая время на поиски. К тому же такой подход экономит еще батарею.

В отличие от многих других телефонов, A-GPS в iPhone будет работать без связи с сетью, что позволит вам использовать его на природе, да и вообще любой точке мира, где ловится сигнал спутника (однако не забывайте, что вам нужна будет Google Maps , придется ее подгрузить заранее).

На текущий момент не известно, насколько быстро A-GPS будет сажать аккумулятор: iPhone будет сам автоматически включать и выключать систему позиционирования по надобности, что сохранит заряд. Предпологается, что при активной его работе (постояный трекиг позиции и т.д.) потреблять он будет все же достаточно много.

Осознав, какой же хороший все-таки GPS будет в iPhone , мы переходим к самому интересному — к навигации. Вот тут то Apple как всегда в своем репертуаре. Текущая версия SDK запрещает использование его для навигации в реальном времени («Real-Time Route Guidance»). Но не все так плохо, гигант GPS индустрии TomTom заявил, что они уже ведут работу над навигатором для iPhone. Видимо, крупным компаниям приходиться каким-то образом получать разрешение на использование SDK в индивидуальном порядке. Таким образом, нас ждут дополнительные траты, чтобы превратить iPhone в приемлимый для использования навигатор . Но нам, видимо, не привыкать:-).

«GPS» в списке технических характеристик планшетов уже воспринимается как данность. Да и ни одна современная модель без него не обходится. Вот только GPS-модули могут быть разных видов, а потому и функции предлагают разные. В чём отличия и что лучше выбирать?

Итак, A-GPS (assisted global positioning system), технология, модернизировавшая обычную GPS, в некотором плане её улучшив. A-GPS позволяет быстрее определять местоположение девайса, затрачивая вместе с тем и меньше энергии аккумулятора. Плюс, с A-GPS сигнал можно словить в труднодоступных зонах – например, в помещениях, многолюдных улицах мегаполиса и даже в тоннелях. Каким образом?

Технологии

То, сколько времени потребуется на определение вашего местоположения зависит от того, насколько актуален альманах, хранящийся в данном приёмнике, и эфемерид. Альманах передаётся посредством GPS-сигнала и представляет собой совокупную информацию о параметрах спутниковых орбит. Второй тип данных (эфемериды) – корректировка параметров часов, а также спутниковых орбит, без чего вообще невозможно было бы определить координаты. Эфемерид передаётся циклично – каждые 30 секунд спутники посылают данные на приёмники.

При работе обычного GPS-приёмника скорость определения местоположения будет зависеть от того, как долго он был отключён: чем дольше вас не было на связи, тем больше информации должен будет собрать модуль, чтобы не ошибиться в расчётах. Таким образом, 6 часов без активности заставят вас ждать около минуты, а несколько дней «вне сети» затребуют вплоть до 12 минут.

Различают «холодный», «тёплый» и «горячий» старт GPS – в зависимости от того, насколько актуальны альманах и эфемериды.

Обычный GPS-модуль эти данные получает напрямую от спутников, A-GPS работает через «посредников».

Суть изменений

Помимо времени ожидания, обычный GPS также требует и немалый расход энергии. Вот почему, уткнувшись в Google Maps можно и не заметить, как сел аккумулятор. Обе эти проблемы решает A-GPS, но только при одном очень важном условии: если есть доступ к Интернету. Без связи с удалённым сервером, предоставляющим данные для планшета, алгоритмы A-GPS работать, увы, не будут.

Для планшетов с 3G картой и фаблетов с SIM-картой в ход идут базовые операторские станции, благодаря которым точность определения местоположения может достигать 20 м. Чем больше базовых станций в округе (что характерно для крупных городов), тем точнее будут данные навигатора. Именно через них модуль способен так быстро получать данные о нахождении вашего устройства.

Сравнение

По логике вещей, A-GPS лучше обычного GPS модуля: точность определения координат планшета, скорость обработки данных и умеренное потребление заряда аккумулятора должны были сделать эту технологию вездесущей. Однако A-GPS – частое явление именно среди бюджетных планшетов (особенно китайского производства), в то время как флагманские модели оборудованы обычным GPS. В чём подвох?

Как упоминалось выше, технология A-GPS требует подключения к операторской сети – не все планшеты имеют слот для SIM-карт, и далеко не всегда находятся в зоне открытого Wi-Fi. Плюс, вычисление местоположения посредством A-GPS – это всегда использование траффика. Да, он незначителен и некоторые операторы предоставляют необходимые для навигации данные бесплатно, но всегда существует риск заплатить за желание узнать где вы всё-таки находитесь.

Модели и цены

Если вы планируете пользоваться не только Wi-Fi и готовы платить по счетам за 3G, тогда можно спокойно брать модели с A-GPS. Наличие SIM-карты кардинально меняет положение: вам достанется устройство, полное преимуществ. Например, Apple iPad mini 3 Wi-Fi + Cellular : система навигации работает быстро и корректно.

Или другой пример: в некоторых комплектациях тот же Asus MeMO Pad 7 идёт с A-GPS, но слот для SIM-карты не предусмотрен. Модель – одна из самых доступных в своей мощностной категории, однако определить ваше местоположение сможет только при наличии Wi-Fi. Так что, скажем, для авто в качестве навигатора она однозначно не подойдёт.

Обратите внимание, что львиная доля интернет-магазинов не уточняют, какой именно модуль стоит в том или ином планшете: напротив GPS стоит «галочка» – и дело с концом. Если в случае брендовых планшетов переживать не стоит – «GPS» в списке технических характеристик подразумевает именно GPS-модуль. То с «бюджетниками» нужно быть поосторожнее – можно купить абсолютно не то, что вам нужно.

Система глобального позиционирования GPS (Global Positioning System) изначально была запланирована для пользования вооруженными силами США. В дальнейшем стала первой системой спутниковой навигации, применяемой для гражданских целей, и используется в настоящее время для навигации по всему миру.

Принцип работы GPS базируется на использовании группировки из 30 спутников, которая кроме 27 действующих включает еще на случай поломки одного из основных 3 запасных спутника. Рабочая орбита спутников равна примерно 19 000 км, за сутки каждый спутник делает два оборота вокруг Земли. Комплект спутников сконфигурирован таким образом, что обеспечивает круглосуточный прием сигнала из любой точки Земли, как минимум, четырьмя спутниками, то есть тем минимумом, который требуется для определения точного местоположения. GPS-приемник рассчитывает свое местоположение по отношению к видимым спутникам. Чем больше будет количество доступных спутников в зоне и чем сильнее будет уровень сигнала от них, тем точнее будут результаты определения координат.

GPS-приемник по задержке передачи сигнала определяет расстояние до каждого спутника. Далее, имея пространственные координаты 3 точек и 3 расстояния до искомой точки, легко находится место нахождения приемника на плоскости. Поскольку система работает в пространстве, а не на плоскости, требуется наличие четвертого спутника, который позволяет однозначно определить координаты точки в трехмерном пространстве. По сравнению с решением теоретической геометрической задачи, практическое определение отличается наличием погрешностей определения расстояния до спутников, что приводит к тому, что результатом определения может стать не точка, а область определенного радиуса. Однако, увеличение количества видимых спутников приведет к уменьшению этого радиуса и, следовательно, точность определения местоположения возрастет. На практике, система GPS в гражданском исполнении обеспечивает точность с радиусом 30 метров, а военные приемники – до 3 метров. Количество видимых спутников зависит от конкретной модели приемника. Кроме того, для качественной работы системы GPS необходима взаимная точная синхронизация спутника и GPS-приемника, чтобы точно рассчитать задержку от заранее определенного времени посылки сигнала со спутника.

Навигация GPS в наше время нашла самое широкое применение. В частности, в навигаторах, где она объединена и привязана к электронным картам. Такая технология позволяет не только определять координаты местонахождения абонента, но и планировать маршрут передвижения в соответствии со способом перемещения и другими исходными требованиями. Многие модели мобильных телефонов оснащаются GPS-навигаторами. Сочетание мобильной связи с системой глобального позиционирования GPS привело к созданию новой вспомогательной технологии – A-GPS (Assisted GPS), которая предполагает использование Интернета для улучшения качества работы базовой системы позиционирования по двум направлениям. Во-первых, GPS-приемник после включения первым делом определяет местоположение спутников. Иногда по причине слабого сигнала процедура может растянуться на несколько минут. При помощи технологии A-GPS информация о месторасположении спутников запрашивается через сеть Интернет в специальных дата центрах. Во-вторых, для вычисления местоположения от большого количества спутников при плохих условиях прохождения сигналов от спутников требуются производительные вычислительные мощности, которые присутствуют далеко не во всех терминалах. Отправка полученных предварительных значений в дата центры и получение готовых координат может существенно ускорить процесс первоначального позиционирования. Кроме этого, доступ к Интернету может использоваться для других целей. Это могут быть, например, синхронизация или получение информации об атмосферном состоянии, что может оказать заметное влияние на расчеты.

В последнее время многие страны проявляют интерес в создании систем глобального позиционирования собственного производства. Примерами могут служить Глонас в России или Галилео в Европе. Такие устремления вызваны желанием получить независимость от Американской системы, так как остается возможность отключения системы по инициативе ее собственника, что может привести к серьезным сбоям в функционировании важных систем внутри государства. В таких ответственных гражданских системах для повышения надежности и точности обычно используются спаренные двойные системы из 2-х и более систем позиционирования.

Недостатки GPS

При эксплуатации системы глобального позиционирования GPS могут возникать следующие проблемы:

• При первом определении координат время зависит от орбитальных данных и от актуальности хранящейся в приемнике истории. Другими словами, чем дольше устройство было отключено, тем больше оно должно получить информации до момента, когда определение позиции станет возможным. Например, если устройство было отключено 2 - 6 часов, то ему понадобится примерно 45 секунд. Если же устройство не работало несколько дней, либо при движении без получения информации более 300 км - до 12,5 минут.
• Существуют сильные ограничения видимости GPS спутников в городских условиях, а в туннелях или закрытых помещениях видимость вообще невозможна.
• Высокое энергопотребление GPS-приемника.

Функции A-GPS

Алгоритмы системы A-GPS требуют канала связи с удаленным сервером, предоставляющего информацию для приемника. Обычно для мобильных устройств таким каналом является сотовая связь. Для осуществления обмена информацией устройство должно располагаться в зоне действия базовой станции оператора мобильной связи и иметь доступ в сеть Интернет.

Существует два режима работы A-GPS:

• Базовый режим On-line, при котором приёмник получает информацию об орбитах спутников через инфраструктуру и вычисляет местоположение по полученным от пользователей данным. Данный режим требует от оператора сотовой связи высокой плотности покрытия.
• Вспомогательный режим Off-line, который ускоряет время холодного и горячего старта приёмника A-GPS, обновляющего альманах, эфемериды и перечень доступных спутников. Причем приём спутниковых сигналов и определение собственного местоположения GPS-приёмник выполняет самостоятельно. Однако некоторые A-GPS приёмники не могут работать в таком режиме.

Преимущества A-GPS

Среди преимуществ A-GPS стоит отметить быстрое получение местоположения сразу после включения и повышенную чувствительность приёма слабых сигналов в проблемных зонах (тоннелях, впадинах, в помещениях, на узких городских улицах, в густом лиственном лесу).

Недостатки A-GPS

A-GPS не может функционировать за пределами действия сотовой сети. Существуют приёмники с модулем A-GPS, объединенным с радиомодулем GSM, которые не могут стартовать при отключенном радиомодуле. Для старта самого модуля A-GPS наличие сети GSM не является обязательным. Модули A-GPS при запуске потребляют небольшой трафик 5-7 кБ, а вот при потере сигнала необходимо выполнение повторной синхронизации, что может увеличить затраты клиента, особенно в роуминге.