Какво е GPS (Глобална система за позициониране) — определение и приложения

Глобалната система за позициониране, известна също като GPS, е система от спътници, предназначена за навигация на Земята, във въздуха и във водата. Система предоставя информация за местоположение (координати), време и навигационни услуги на потребители по целия свят.

GPS приемникът показва къде се намира. Той може да показва също така колко бързо се движи, в каква посока се движи, на каква височина се намира и колко бързо се изкачва или спуска. Много GPS приемници имат информация за места. GPS приемниците за автомобили имат данни за пътувания като пътни карти, хотели, ресторанти и бензиностанции. GPS устройствата за лодки съдържат морски карти на пристанища, яхтени пристанища, плитки води, скали и водни пътища. Други GPS приемници са направени за въздушна навигация, туризъм и раници, колоездене или много други дейности. По-голямата част от тях са в смартфони.

Повечето GPS приемници могат да записват къде са били и да помагат за планиране на пътуването. По време на планираното пътуване той предвижда времето до следващата дестинация и дава указания за маршрут и ETA (очаквано време на пристигане).

Как работи GPS

GPS работи чрез триангулация (по-точно — trilateration) от сигнали, излъчвани от множество спътници в орбита около Земята. Всеки спътник изпраща сигнал, съдържащ собственото си местоположение и точния времеви печат от атомни часовници. Приемникът измерва времето, което е отнело на сигнала да пристигне, и по това изчислява разстоянието до всеки спътник. Когато приемникът получи сигнали от поне четири спътника, той може да определи триизмерните координати (ширина, дължина и височина) и точното време.

Основни компоненти на системата

• Космически сегмент: мрежа от активни спътници в средно орбитално разстояние (~20 200 km за GPS), които излъчват навигационни сигнали.
• Контролен сегмент: наземни станции и контролни центрове, които следят спътниците, коригират орбити и часовници и разпространяват навигационни данни.
• Потребителски сегмент: GPS приемници — от специализирани устройства за геодезия и авиация до вградени чипове в смартфони и смартчасовници.

Точност и технологии за подобрение

Точността на стандартния GPS за граждански потребители обикновено е в порядъка на няколко метра. Точността се влияе от няколко фактора: атмосферни закъснения (йоносфера и тропосфера), грешки в часовниците, грешки в еферемидите (орбиталните данни), мултипат (отражения на сигнала от сгради или земя) и позицията на спътниците спрямо приемника.

За по-голяма точност се използват допълнителни методи:

• Differential GPS (DGPS) — корекции от наземни референтни станции, които намаляват грешките до под метър.
• RTK (Real-Time Kinematic) — техника за кинематична обработка, която осигурява сантиметрова точност, използвана в геодезията и прецизното земеделие.
• Системи за увеличаване (SBAS) като WAAS или EGNOS, които предоставят корекции и подобряват точността и надеждността за авиацията и гражданските приложения.

Ограничения и проблеми

• GPS сигналите са слаби и изискват пряка видимост към спътниците — в закрити пространства, в тесни улични каньони или под гъста растителност точността намалява или приемникът може да загуби позициониране.
• Мултипат и отражения от сгради намаляват точността.
• Нарушения и интерференция (включително умишлени заглушавания и джаминг) могат да попречат на работата на приемници.
• Проблеми със сигурността и личните данни — проследяване и споделяне на местоположението без съгласието на потребителя.

Приложения на GPS

GPS се използва широко в много области, сред които:

• Автомобилна навигация: за маршрути, трафик, услуги — вече масово в автомобили и смартфони.
• Въздушна навигация: подпомага летателните пътища, приближаването и безопасността на полетите (споменато и за въздушна навигация).
• Морска навигация: използване на GPS за безопасно плаване и допълнени морски карти, както и за навигация към пристанища и яхтени пристанища.
• Геодезия и картография: прецизни измервания на координати и създаване на карти.
• Земеделие: прецизно сеене, торене и управление на техника (precision farming).
• Спешни услуги и проследяване: локализиране на повиквания и управление на ресурси.
• Логистика и управление на флот: проследяване на превозни средства и товари в реално време.
• Точно време: GPS доставя синхронизация на точен времеви сигнал, използван в комуникационни мрежи, финансови транзакции и енергийния сектор.
• Екстремни спортове и хоби: туризъм, колоездене, геокешинг и други активности.

История и други глобални навигационни системи

GPS е разработен и е управляван от Министерството на отбраната на САЩ. Първите спътници са изведени през 1978 г., а системата става напълно оперативна през 1995 г. Важна промяна беше изключването на функцията Selective Availability през 2000 г., което значително подобри достъпната за гражданите точност.

Има и други глобални навигационни спътникови системи (GNSS): руската GLONASS, европейската Galileo и китайската BeiDou. Много съвременни приемници работят с комбинация от тези системи за по-добро покритие и точност.

Поверителност и безопасност

Използването на GPS носи ползи, но и рискове за поверителността. Устройствата и приложенията, които споделят местоположение, могат да позволят проследяване, ако не са правилно конфигурирани. Защита на личните данни включва управление на разрешенията за местоположение на приложенията, изключване на проследяването когато не е нужно и използване на решения за анонимизация там, където е възможно.

GPS остава ключова инфраструктура за модерното общество — от навигация и безопасност до прецизно време и индустриални приложения. Развитието на допълнителни системи и технологии продължава да подобрява надеждността и точността на глобалното позициониране.

Как работи

Устройството GPS приема радиосигнали от спътници в космоса, които са в орбита около Земята. Има 31 спътника на височина 20 200 км над Земята. Периодът на обиколка е 11 часа и 58 минути. Всеки кръг е с радиус 26 600 километра (16 500 мили) поради радиуса на Земята. Далеч от Северния и Южния полюс, GPS устройството може да приема сигнали от 6 до 12 спътника едновременно. Всеки спътник съдържа атомен часовник, който се настройва внимателно от NORAD няколко пъти всеки ден.

Радиосигналите съдържат информация за времето и позицията на спътника, включително неговите ефемериди. GPS приемникът изважда текущото време от времето, когато е изпратен сигналът. Разликата е колко отдавна е изпратен сигналът. Разликата във времето, умножена по скоростта на светлината, е разстоянието до спътника. GPS устройството използва тригонометрия, за да изчисли къде се намира от позицията и разстоянието на всеки спътник. Обикновено трябва да има поне четири спътника, за да се решат геометричните уравнения. GPS приемникът може да изчисли позицията си много пъти за една секунда.

Много евтини потребителски приемници са с точност до 20 метра (66 фута) почти навсякъде на Земята.

Обикновено GPS устройството може да изчисли и текущата си скорост. Евтините устройства, като тези в мобилните телефони, правят това, като сравняват текущата позиция с последната. Скъпите устройства, като тези в самолетите, използват ефекта на Доплер и са много точни.

GPS спътниците обикалят Земята в четири равнини и една група над екватора. Сините спътници тук са видими за GPS приемник на 45° северна ширина. Червените спътници са блокирани от Земята.

Въпроси и отговори

Въпрос: Какво представлява системата за глобално позициониране (GPS)?

В: Какво показва GPS приемникът?

В: Каква информация съдържат GPS устройствата за автомобили?

В: Каква информация съдържат GPS-ите за лодки?

В: За какви други дейности са предназначени GPS приемниците?

В: Къде се намират повечето GPS приемници?

В: Какво могат да правят повечето GPS приемници?

Търсене по буква