Глобальная система позиционирования.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт природных ресурсов

Кафедра ГРПИ

Глобальная система позиционирования. Использование GPS-приемников для координатной привязки точек наблюдений. Проблемы использования GPS-приемников и способы их решения. Программное обеспечение для передачи данных с GPS-навигаторов в компьютер.

Реферат

по курсу « Основы компьютерных технологий решения геологических задач»

Выполнил: студент гр. 2А590

Тельнова А. В.

Проверил: старший преподаватель кафедры ГРПИ

Янкович Е. П.

Томск – 2013

СОДЕРЖАНИЕ

1. Глобальная система позиционирования………………………………............3

2. GPS-приемник и его классификация…………………………………….........4

3. Использование GPS-приемников......................................................................
.6

4.     Проблемы использования GPS-приемников и способы их решения............8

5.     Программное обеспечение для передачи данных с GPS-навигаторов в компьютер.......................................................................
.................................9

1.     Глобальная система позиционирования

GPS (англ. Global Positioning System — система глобального позиционирования, читается Джи Пи Эс) — спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение. Позволяет в любом месте Земли (не включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США.

Основной принцип использования системы — определение местоположения путём измерения моментов времени приема синхронизированного сигнала от навигационных спутников до потребителя. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно иметь четыре уравнения: «расстояние равно произведению скорости света на разность моментов приема сигнала потребителя и момента его синхронного излучения от спутников»:

. Здесь:  — местоположение -го спутника,  — момент времени приема сигнала от -го спутника по часам потребителя,  — неизвестный момент времени синхронного излучения сигнала всеми спутниками по часам потребителя,  — скорость света,  — неизвестное трехмерное положение потребителя.

Рис 1.Спутник системы GPS на орбите

2.     GPS-приемник и его классификация

GPS-приёмник — радиоприёмное устройство для определения географических координат текущего местоположения антенны приёмника, на основе данных о временных задержках прихода радиосигналов, излучаемых спутниками группы NAVSTAR. В России с развитием системы ГЛОНАСС начался серийный выпуск ГЛОНАСС-приёмников рядом конструкторских бюро и организаций.

Максимальная точность измерения составляет 3—5 м, а при наличии корректирующего сигнала от наземной станции — до 1 мм (обычно 5—10 мм) на 1 км расстояния между станциями (дифференциальный метод). Точность коммерческих GPS-навигаторов составляет от 150 метров (у старых моделей при плохой видимости спутников) до 3 метров (у новых моделей на открытом месте). Кроме того, при использовании систем SBAS и местных систем передачи поправок точность может быть повышена до 1—2 метров по горизонтали. До 1 мая 2000 года точность искусственно занижалась путем внесения в передаваемые спутником данные помех.

Рис 2. GPS-навигатор Magellan Blazer 12

Классификация

Профессиональное GPS оборудование отличается качеством изготовления компонентов (особенно антенн), используемым программным обеспечением (ПО), поддерживаемыми режимами работы (например RTK, binary data output), рабочими частотами (L1 + L2), алгоритмами подавления интерференционных зависимостей, солнечной активности (влияние ионосферы), поддерживаемыми системами навигации (например NAVSTAR GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Beidou), увеличенным запасом электропитания и разумеется, ценой.

Основа любого GPS-приемника — это чипсет, на котором он работает. Долгое время все приёмники выпускались с 12-канальными чипсетами. Кроме того, что 12 каналов не достаточно для быстрого «Холодного старта» — первоначального определения своего местоположения, такие приёмники нуждались в открытом небе, так как работали только с прямой видимостью спутников (минимум 3; чем больше, тем точнее). На сегодняшний день все подобные приёмники считаются устаревшими и сняты с производства.

GPS приёмники для широкого круга пользователей можно классифицировать следующим образом:

• портативные устройства — автомобильные (отдельное портативное устройство или встроенное в транспортное средство в качестве бортового компьютера (онбордера)), туристические, спортивные;
• встроенные как функциональный узел в другие устройства — в КПК, ноутбук или мобильный телефон;
• GPS-трекеры, GPS-логгеры, которые ведут запись и передачу координат на серверный центр и используются для спутникового мониторинга автомобилей, людей, других объектов.

Первые имеют собственный процессор для выполнения навигационных функций, а вторые, даже будучи оснащёнными собственными GPS чипсетами, используют для своей работы навигационные приложения, предназначенные для конкретной операционной системы основного устройства. Как правило GPS-трекеры и GPS-логгеры не оснащаются собственными дисплеями для отображения информации, и служат исключительно для сбора, передачи и хранения данных, которые впоследствии могут быть обработаны и использованы в самых разных целях, например для спутникового мониторинга автомобилей.

3.     Использование GPS-приемников

Несмотря на то, что изначально проект GPS был направлен на военные цели, сегодня GPS широко используются в гражданских целях. GPS-приёмники продают во многих магазинах, торгующих электроникой, их встраивают в мобильные телефоны, смартфоны, КПК и онбордеры. Потребителям также предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть своё местонахождение на электронной карте; имеющие возможность прокладывать маршруты с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже пробок; искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие объекты инфраструктуры.

• Геодезия: с помощью GPS определяются точные координаты точек и границы земельных участков
• Картография: GPS используется в гражданской и военной картографии
• Навигация: с применением GPS осуществляется как морская, так и дорожная навигация
• Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью GPS ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением
• Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах, например США это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В России в 2010 году начата реализация аналогичного проекта — Эра-глонасс.
• Тектоника, Тектоника плит: с помощью GPS ведутся наблюдения движений и колебаний плит^[4]
• Активный отдых: есть разные игры, где применяется GPS, например, Геокэшинг и др.
• Геотегинг: информация, например фотографии «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам

Помимо собственно широты, долготы и высоты современный GPS-приёмник способен сообщить:

·         точное время (некоторые приёмники имеют выход PPS);

·         ориентацию по сторонам света (в моделях без встроенного компаса — только направление скорости при движении);

·         высоту над уровнем моря (при условии приёма сигнала более четырёх спутников или при наличии встроенного баровысотомера);

·         направление на точку с координатами, заданными пользователем;

·         текущую скорость, пройденное расстояние, среднюю скорость;

·         данные с информацией о состоянии дороги — пробки, дорожные работы и т. д. (в моделях, оснащённых TMC-приёмником и при наличии службы Канал автодорожных сообщений);

·         текущее положение на электронной карте местности (модели, оснащённые картами);

·         текущее положение относительно трека (маршрута).

Информация о пути перемещения (трек) может быть скопирована в файл, а затем передана (в частности, через Интернет) другим пользователям GPS, желающим двигаться тем же маршрутом.

При использовании GPS-приставки информация может быть выведена на КПК, сотовый телефон или компьютер, к которому подключена эта приставка с помощью навигационного программного обеспечения. Физически соединение, как правило, осуществляется через последовательный порт (RS-232, USB, Bluetooth). Для связи GPS-приёмника с компьютером может использоваться двоичный (текстовый) протокол производителя приёмника (Garmin, Magellan и другие), либо производителя GPS-чипсета (Magellan, Sirf, Trimble и другие), при этом абсолютное большинство GPS-приёмников поддерживают обмен информацией с помощью текстового протокола NMEA.

4.     Проблемы использования GPS-приемников и способы их решения

Global Positioning System (GPS) – широко используемая во всем мире система определения координат местонахождения объекта на суше, воде или в воздухе, которая используется как в военных, так и в мирных целях. Система существует с конца 70-х годов прошлого столетия, и успела себя зарекомендовать как очень надежная и стабильная. Но, тем не менее, есть определенные проблемы её использования.

Одна из них состоит в том, что в первые годы своего появления GPS была закрыта для свободного применения. После того как было разрешено её гражданское использование, в определение координат умышленно вносилась ошибка, которая позволяла определять местонахождение с точностью лишь до 100 метров. С 2000 года данное ограничение было снято, и сейчас с помощью GPS-навигатора можно определять координаты с точностью в среднем до 10-15 метров. На точность работы системы оказывает влияние количество «видимых» в данный момент спутников, помехи от находящихся рядом объектов, качество проходимости радиоволн в атмосфере. Современные устройства используют методы коррекции ошибок на основе сигналов от 6-8 (а более продвинутые и от 12) спутников, что позволяет снизить погрешность в определении координат до 3-5 метров.

Другая проблема состоит в том, что система GPS является собственностью военного ведомства США, которое полностью и всецело её контролирует. Данная зависимость не может устраивать другие страны, поэтому в настоящий момент идет развертывание таких систем как ГЛОНАСС (Россия) и Galileo (Европа), которые смогут составить альтернативу американской спутниковой системе навигации. Вполне вероятно, что в будущем появятся устройства, которые будут использовать для позиционирования все три системы, тем самым, исключая зависимость от одной из них и сводя до минимума погрешности определения координат.

5.     Программное обеспечение для передачи данных с GPS-навигаторов в компьютер

Навител Навигатор — платная проприетарная программа для спутниковой навигации, выпускаемая российской компанией ЗАО «Центр Навигационных Технологий». По итогам 2011 года, на российском рынке навигационных систем доля «Навитела» составляет 80,1 %.

Кроме того, навигационная программа «Навител Навигатор» реализуется на российском, украинском, казахстанском и белорусском рынках. Выпускается для КПК и коммуникаторов с GPS-приемником на базе iPhone OS, Windows Mobile, Android, Symbian, Bada, Java, а также для автомобильных навигаторов на базе Windows CE.

Системные требования

Перационная система: Windows Mobile (включая коммуникаторы с сенсорным экраном), поддерживается Windows CE, Android OS и Symbian OS. Оперативная память: от 14 Мб (в зависимости от объёма загруженной карты). Разрешение: поддерживаются все стандартные разрешения экранов, включая квадратные. Портретный и ландшафтный режимы. Интерфейсы: внешний GPS-приёмник может подключаться через COM-порт, USB, Bluetooth, а также CompactFlash, SD

Возможности

Поддержка протоколов обмена навигационной информацией NMEA, SiRF binary и Garmin. Поддержка работы с треками (хотя отмечаются недостатки). Поддержка сменных скинов (визуальных оболочек программы). Настраиваемый фильтр отображения POI (точек интереса — объектов различных типов, например, заправок, кафе, передвижными и стационарными камерами слежения и т. д.). Возможность загружать сторонние базы Speedcam (радары, передвижные и стационарные камеры слежения за скоростью, ограничения скорости, предупреждения о плохом дорожном покрытии, прочее).

Поиск по адресам и объектам на карте

Возможность построения маршрута с неограниченным количеством промежуточных точек. Настраиваемый интерфейс (можно отключать или включать кнопки управления в программе). Поддержка сторонних пакетов голосовых подсказок, возможность создавать собственные.

Поддержка трехмерных развязок

Возможность подключения сервиса информации о пробках. Поддерживается только собственный сервис Навител (маркетинговое название: Навител. Пробки). Другие службы, например, Яндекс.Пробки, Пробковорот, не поддерживаются. Сервис Навител. Пробки является бесплатным для всех лицензионных пользователе. Сервис Навител. Пробки работает на территории всего официального картографического покрытия ЗАО «ЦНТ», включая всю Россию, Украину, Республику Беларусь и Казахстан.