в какой системе координат работает gps
Система GPS. Взгляд изнутри и снаружи
Немного истории.
Первые шаги по развертыванию навигационной сети были предприняты в середине семидесятых, коммерческая же эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась с 1995 года. В настоящий момент в работе находятся 28 спутников, равномерно распределенных по орбитам с высотой 20350 км (для полнофункциональной работы достаточно 24 спутников).
Попробуем разобраться в общих чертах, как устроена система глобального позиционирования, а потом коснемся ряда пользовательских аспектов. Рассмотрение же начнем с принципа определения дальности, лежащего в основе работы космической навигационной системы.
Алгоритм измерения расстояния от точки наблюдения до спутника.
Дальнометрия основана на вычислении расстояния по временной задержке распространения радиосигнала от спутника к приемнику. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить, просто умножив время на скорость света.
Период повторения кода довольно велик (например, для P-кода он равен 267 дням). Каждый GPS-приемник имеет собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, по времени задержки между одинаковыми участками кода, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние до спутника.
Одной из основных технических сложностей описанного выше метода является синхронизация часов на спутнике и в приемнике. Даже мизерная по обычным меркам погрешность может привести к огромной ошибке в определении расстояния. Каждый спутник несет на борту высокоточные атомные часы. Понятно, что устанавливать подобную штуку в каждый приемник невозможно. Поэтому для коррекции ошибок в определении координат из-за погрешностей встроенных в приемник часов используется некоторая избыточность в данных, необходимых для однозначной привязки к местности (подробней об этом чуть позже).
Кроме самих навигационных сигналов, спутник непрерывно передает разного рода служебную информацию. Приемник получает, например, эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере (так как скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), а также сведения о работоспособности спутника (так называемых «альманах», содержащий обновляемые каждые 12.5 минут сведения о состоянии и орбитах всех спутников). Эти данные передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.
Общие принципы определения координат с помощью GPS.
Основой идеи определения координат GPS-приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным (эти данные содержатся в принятом со спутника альманахе). В геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами называется трилатерацией. 
Рис2.
Однако в жизни все не так просто. Приведенные выше рассуждения были сделаны для случая, когда расстояния от точки наблюдения до спутников известны с абсолютной точностью. Разумеется, как бы ни изощрялись инженеры, некоторая погрешность всегда имеет место (хотя бы по указанной в предыдущем разделе неточной синхронизации часов приемника и спутника, зависимости скорости света от состояния атмосферы и т.п.). Поэтому для определения трехмерных координат приемника привлекаются не три, а минимум четыре спутника.
Получив сигнал от четырех (или больше) спутников, приемник ищет точку пересечения соответствующих сфер. Если такой точки нет, процессор приемника начинает методом последовательных приближений корректировать свои часы до тех пор, пока не добьется пересечения всех сфер в одной точке.
Следует отметить, что точность определения координат связана не только с прецизионным расчетом расстояния от приемника до спутников, но и с величиной погрешности задания местоположения самих спутников. Для контроля орбит и координат спутников существуют четыре наземных станции слежения, системы связи и центр управления, подконтрольные Министерству Обороны США. Станции слежения постоянно ведут наблюдения за всеми спутниками системы и передают данные об их орбитах в центр управления, где вычисляются уточнённые элементы траекторий и поправки спутниковых часов. Указанные параметры вносятся в альманах и передаются на спутники, а те, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим приемникам.
После отмены описанного выше режима селективного доступа гражданские приемники «привязываются к местности» с погрешностью 3-5 метров (высота определяется с точностью около 10 метров). Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников (большинство современных аппаратов имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников).
В заключение части, повествующей о «теоретических» аспектах функционирования GPS, скажу, что Россия и в случае с космической навигацией пошла своим путем и развивает собственную систему ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Но из-за отсутствия должных инвестиций в настоящее время на орбите находятся лишь семь спутников из двадцати четырех, необходимых для нормального функционирования системы…
Краткие субъективные заметки пользователя GPS.
С первого взгляда GPS II+ можно принять за мобильный телефон, выпущенный пару лет назад. Лишь только присмотревшись, замечаешь необычно толстую антенну, огромный дисплей (56х38 мм!) и малое, по телефонным меркам, количество клавиш.
Интерфейс GPS II+ построен по принципу «перелистываемых» страниц (для этого даже есть специальная кнопка PAGE). Выше была описана «страница спутников», а кроме нее, есть «страница навигации», «карта», «страница возврата», «страница меню» и ряд других. Следует заметить, что описываемый аппарат не русифицирован, однако даже с плохим знанием английского можно понять его работу.
Заключение.
Но в любой бочке меда есть ложка дегтя. В данном случае в роли последнего выступают российские законы. Я не буду подробно рассуждать о юридических аспектах использования GPS-навигаторов в России (кое-что об этом можно найти здесь ), замечу лишь, что теоретически высокоточные навигационные приборы (коими, без сомнения являются даже любительские GPS-приемники) у нас запрещены, а их владельцев ждет конфискация аппарата и немалый штраф.
Основы GPS навигации (Часть 1)
В последние годы системы спутниковой навигации (GPS) стоят почти в каждом автомобиле и уже мало кто отваживается поехать по незнакомому маршруту без такого устройства, вооружившись лишь атласом. Сами устройства и программное обеспечение сделали большой рывок в сторону доступности и понятности, но вместе с тем есть несколько базовых понятий, без знания которых поездка с навигатором может значительно затянуться. В первой части статьи мы рассмотрим, что представляет из себя спутниковая навигация и GPS, какие бывают GPS приемники и навигаторы, чем они отличаются и как работают. Во второй части статьи перейдем к практике, рассмотрим ряд вопросов, связанных с GPS навигацией и типичными ошибками, которые допускают новички.
В последнее время очень часто приходится слышать от разных людей весьма суровый бред (по-другому это назвать не могу) относительно принципов работы и возможностей GPS. Сразу приведу опровержение нескольких распространенных ошибочных тезисов: Прибор GPS ничего не передает и не запрашивает; отследить Ваше местоположение по прибору нельзя; прибор не излучает никаких специфических электромагнитных волн; никаких сильных помех не создает; не опасен для человека и его можно безопасно носить в кармане (прием только ухудшится). Нельзя отключить какой-то конкретный прибор, если один прибор показывает координаты, а другой нет — значит, он неисправен. Если возникают проблемы на спутниках, то перестают работать все приборы сразу.
На самом деле, GPS — это приемник и принимает он радиосигналы со спутников и не более того! Эти радиосигналы представляют собой сигналы точного времени. Поскольку радиосигнал в пространстве распространяется не мгновенно, то благодаря разнице в этих сигналах, приходящих со спутников, он вычисляет расстояние до них и потом вычисляет Ваше положение в пространстве относительно этих спутников.
От чего зависит точность координат
В первую очередь, конечно, от качества приема сигнала со спутников. Чем больше спутников «видит» (принимает и расшифровывает с них сигнал) Ваш GPS-приемник, тем больше входных данных для определения положения. Но это еще не все, поскольку положение вычисляется математическим способом, то все еще зависит от программы: насколько точно будет рассчитано положение. GPS приемники, как правило, выпускаются в виде модулей, которых не так много на самом деле. Из наиболее известных Sirf Star и Atlas. Если первый — это проверенный временем, надежный элемент, то второй — его более дешевый аналог. Разница весьма существенна, погрешность Atlas’a может доходить до десятков метров, когда Sirf Star выдает точность до нескольких метров. Другие производители чипов, как правило, еще хуже и приобретать приборы, собранные на их базе, надо очень осторожно, прочитав отзывы других покупателей.
Классический GPS. Как правило, это весьма громоздкое устройство, в прорезиненном корпусе из ударопрочного пластика. Наиболее распространены устройства фирмы Garmin различных моделей, от самых простых с черно-белым дисплеем, без встроенных карт, до самых сложных, с цветными дисплеями, встроенными картами. Работают такие приборы, как правило, на батарейках стандартных форматов. Никаких дополнительных сервисов типа «Пробки» не существует, и даже зачастую маршрут по дорогам они прокладывать не умеют. Но зато это очень надежные приборы, предназначенные для автономной работы в сложных условиях. Ими обычно пользуются охотники, рыбаки или люди, которым по долгу службы приходится проводить много время вне цивилизации — например, геологи. Также они пользуются популярностью у спортсменов и туристов.
PND (Персональное Навигационное Устройство). Наиболее распространенный вид, чаще всего его называют GPS-Навигатор. Представляет собой плоское устройство с дисплеем на всю площадь. Хоть и имеет встроенный аккумулятор, но держит он недолго, поскольку предназначен в основном для работы в автомобиле. Они умеют прокладывать кратчайший маршрут из точки А в точку Б, знают где находятся больницы, АЗС, магазины, автосервисы. Многие имеют сервис «Пробки». На таком устройстве стоит стороннее программное обеспечение в зависимости от страны и региона, где оно продается. В нашем регионе это, как правило, CityGuide или Навител-Навигатор, также популярна программа iGo. Недостатком таких приборов, кроме маленького времени автономной работы и физической уязвимости, является очень низкий уровень детализации карт вне населенных пунктов. В лучшем случае прорисованы крупные дороги между населенными пунктами. Особняком в этом ряду стоят навигаторы фирмы Garmin: у них свое программное обеспечение, оно не совместимо с другими устройствами, и другое ПО на эти навигаторы поставить нельзя. Но надо отдать должное: ПО и карты фирмы Garmin очень хороши для тех, кто путешествует вне городских просторов.
GPS-Приемник. Маленькая коробочка без дисплея, обычно снабжена светодиодом (одним или несколькими), отображающими режим работы. Предназначена для подключения к ноутбукам и ПК через порт USB или беспроводному интерфейсу Bluetooth (в этом случае снабжена аккумулятором, позволяющим работать, как правило, в течение нескольких десятков часов.). На ноутбуке или ПК, к которому подсоединен такой приемник, может стоять различное программное обеспечение для работы. Помимо узкоспециализированных программ, таких как OziExplorer, с такими приемниками умеют работать большинство простых картографических программ и сервисов, например Google Earth. Также на ноутбук можно поставить ПО фирмы Garmin. Преимуществом таких систем является гибкость, возможность использования нескольких программ одновременно, большой дисплей удобен для отображения детализированных карт. Недостаток: громоздкость — без помощника (штурмана) не обойтись.
Какой навигатор выбрать
Классический GPS — отлично подойдет, если Вы путешествуете не только на автомобиле, но и регулярно покидаете его. Грибникам, рыбакам, туристам.
Устройства PND — для тех, кто ездит исключительно по городу.
PND от фирмы Garmin — для тех, кто город знает в совершенстве, а путешествует по необъятным просторам нашей планеты, но только по дорогам общего пользования и хорошим грунтовкам.
Навигатор на базе ноутбука — для тех, кому дороги не нужны. Если Вы путешествуете на подготовленном внедорожнике, то без множества специальных программ, позволяющих работать с различными типами карт — не обойтись.
Форматы GPS координат
Многие любители отдыха на природе, а также автомобилисты и мотоциклисты активно пользуются GPS-навигаторами. Это могут быть как отдельные устройства, так и обычные смартфоны и планшеты со встроенным GPS-модулем и навигационным программным обеспечением. Пользоваться этими устройствами несложно, достаточно небольших навыков. Но когда речь заходит о системе координат GPS может возникнуть путаница из-за того, что нет общепринятого единого формата записи этих самых координат.
Типы координат GPS
Рядовому пользователю навигационной системы редко приходится сталкиваться с чтением и записью географических координат. Обычно достаточно вбить в навигатор нужный адрес или точку (POI), и устройство отобразит на карте нужное место и, при необходимости, проложит до него маршрут. Но более продвинутые пользователи GPS, например туристы и кладоискатели, нередко сталкиваются с необходимостью ручного ввода координат. И тут из-за отсутствия единого формата записи координат могут возникнуть трудности.
Существует 3 основных формата записи географических координат:
В качестве примера указаны координаты одного и того же места в г. Омске. Существуют и другие форматы, но они почти не используются в гражданских навигационных устройствах. Как видим, первые числа в координатах, т.е. целые части градусов, неизменны независимо от формата записи. А вот дробная часть градусов и минуты с секундами различны для одного и того же места. Т.е. если ввести координаты формата с минутами и секундами в навигатор, настроенный на формат градусов с дробью, то устройство отобразит место, которое может находиться в нескольких километрах от искомого. Либо выдаст ошибку о несоответствии типа координат.
Из-за этого и может возникнуть путаница: искали одно место, а пришли к другому. Чтобы этого не случилось, стоит понимать разницу между разными форматами записи координат и правильно настроить свое устройство. Большинство навигационных устройств и приложений для телефона поддерживают несколько форматов отображения координат, которые можно менять в настройках.
Выбор формата в приложении Статус GPS 
GPS Тест 
и RMaps
Наиболее распространен в настоящее время и формат градусов в виде десятичной дроби. Нередко к значениям координат могут добавляться буквы (N, S, E, W) или знаки («+», «-»), обозначающие тип широты (северная (N, «+»), южная (S, «-»)) и долготы (восточная (E, «+»), западная (W, «-»)). Знак «+» обычно не пишется. Иногда координаты могут записываться наоборот: сначала долгота, потом широта. Но такой тип записи используется редко.
Вывод
При необходимости можно всегда перевести координаты из одного вида в другой. Для этого достаточно помнить, что 1 градус равен 60 минутам, в каждой из которых по 60 секунд. Существуют специальные GPS конвертеры для телефона и онлайн сервисы для решения этой задачи. Но если пользоваться только одним форматом, желательно самым простым и распространенным (градусы с дробью, «54.97158, 73.38318»), то необходимость в конвертации координат возникает редко.
Читайте также:
Форматы GPS координат: 6 комментариев
Координаты вполне успешно гуглятся. Формат обычный, десятичный, но с меньшим количеством знаков после точки
Может быть 40-45 метров, а не километров? Давайте посчитаем: в 1 градусе широты примерно 111 км на любой долготе. В долготе это значение уменьшается при приближении к полюсам. Для простоты посчитаем на широте, а для еще большей простоты примем это значение за 100 км. Итак, в одном градусе — 100 км, в одном десятом градуса (1 знак после точки) — 10 км, в 1/100 градуса (2 знака) — 1 км, 3 знака — 100 м, 4 знака (как в вашем случае) — 10 метров. Возможно что-то напутал в расчетах, но не о каких 40-45 км речи даже близко не идет. Откуда вы это взяли? Просто введите свои координаты (N55.1374 E37.5728) в строку поиска Гугла, место отобразится на карте. Честно говоря, не понимаю, в чем проблема…
При необходимости можно всегда перевести координаты из одного вида в другой. Для этого достаточно помнить, что 1 градус равен 60 минутам, в каждой из которых по 60 секунд
И. …что это даёт без онлайн калькулятора?
То, что путем несложных вычислений можно перевести координаты из одной системы в другую без использования калькулятора
Система спутниковой навигации GPS – принцип, схема, применение
Спутниковая навигация GPS давно уже является стандартом для создания систем позиционирования и активно применяется в различных трекерах и навигаторах. В проектах Arduino GPS интегрируется с помощью различных модулей, не требующих знания теоретических основ. Но настоящему инженеру должно быть интересно разобраться со принципом и схемой работы GPS, чтобы лучше понимать возможности и ограничения этой технологии.
Схема работы GPS
GPS – это спутниковая навигационная система, разработанная Министерством обороны США, которая определяет точные координаты и время. Работает в любой точке Земли в любых погодных условиях. GPS состоит из трех частей – спутников, станций на Земле и приемников сигнала.
Идея создания спутниковой навигационной системы зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. Американская группа ученых, наблюдающая за запуском советских спутников, заметила, что при приближении спутника частота сигнала увеличивается и уменьшается при его отдалении. Это позволило понять, что возможно измерить положение и скорость спутника, зная свои координаты на Земле, и наоборот. Огромную роль в развитии навигационной системы сыграл запуск спутников на низкую околоземную орбиту. А в 1973 году была создана программа «DNSS» («NavStar»), по этой программе спутники запускались на среднюю околоземную орбиту. Название GPS программа получила в том же 1973 году.
Система GPS на данный момент используется не только в военной области, но и в гражданских целях. Сфер применения GPS много:
Тектоника плит – происходит слежение за колебаниями плит;
Определение сейсмической активности;
Спутниковое отслеживание транспорта – можно проводить мониторинг за положением, скоростью транспорта и контролировать их движение;
Геодезия – определение точных границ земельных участков;
Игры, геотегинт и прочие развлекательные области.
Важнейшим недостатком системы можно считать невозможность получения сигнала при определенных условиях. Рабочие частоты GPS лежат в дециметровом диапазоне волн. Это приводит к тому, что уровень сигнала может снизиться из-за высокой облачности, плотной листвы деревьев. Радиоисточники, глушилки, а в редких случаях даже магнитные бури также могут мешать нормальной передаче сигнала. Точность определения данных будет ухудшаться в приполярных районах, так как спутники невысоко поднимаются над Землей.
Основным конкурентом GPS является российская система ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система). Свою полноценную работу система начала с 2010 года, попытки активно использовать ее предпринимались с 1995 года. Существует несколько отличий между двумя системами:
Разные кодировки – американцы используют CDMA, для российской системы используется FDMA;
Разные габариты устройств – ГЛОНАСС использует более сложную модель, поэтому повышается энергопотребление и размеры устройств;
Расстановка и движение спутников на орбите – российская система обеспечивает более широкий охват территории и более точное определение координат и времени.
Срок службы спутников – американские спутники делаются более качественными, поэтому они служат дольше.
Помимо ГЛОНАСС и GPS существуют и другие менее популярные навигационные системы – европейский Galileo и китайский Beidou.
Принцип работы GPS
Работает система GPS следующим образом – приемник сигнала измеряет задержку распространения сигнала от спутника до приемника. Из полученного сигнала приемник получает данные о местонахождении спутника. Для определения расстояния от спутника до приемника задержка сигнала умножается на скорость света.
С точки зрения геометрии работу навигационной системы можно проиллюстрировать так: несколько сфер, в середине которых находятся спутники, пересекаются и в них находится пользователь. Радиус каждой из сфер соответственно равен расстоянию до этого видимого спутника. Сигналы от трех спутников позволяют получить данные о широте и долготе, четвертый спутник дает информацию о высоте объекта над поверхностью. Полученные значения можно свести в систему уравнений, из которых можно найти координату пользователя. Таким образом, для получения точного местоположения необходимо провести 4 измерения дальностей до спутника (если исключить неправдоподобные результаты, достаточно трех измерений).
Поправки в полученные уравнения вносит расхождение между расчетным и фактическим положением спутника. Погрешность, которая возникает в результате этого, называется эфемеридной и составляет от 1 до 5 метров. Также свой вклад вносят интерференция, атмосферное давление, влажность, температура, влияние ионосферы и атмосферы. Суммарно совокупность всех ошибок может довести погрешность до 100 метров. Некоторые ошибки можно устранить математически.
Чтобы уменьшить все погрешности, используют дифференциальный режим GPS. В нем приемник получает по радиоканалу все необходимые поправки к координатам от базовой станции. Итоговая точность измерения достигает 1-5 метров. При дифференциальном режиме существует 2 метода корректировки полученных данных – это коррекция самих координат и коррекция навигационных параметров. Первый метод использовать неудобно, так как все пользователи должны работать по одним и тем же спутникам. Во втором случае значительно увеличивается сложность самой аппаратуры для определения местоположения.
Существует новый класс систем, который увеличивает точность измерения до 1 см. Огромное влияние на точность оказывает угол между направлениями на спутники. При большом угле местоположение будет определяться с большей точностью.
Точность измерения может быть искусственно снижена Министерством обороны США. Для этого на устройствах навигации устанавливается специальный режим S/A – ограниченный доступ. Режим разработан в военных целях, чтобы не дать противнику преимущества в определении точных координат. С мая 2000 года режим ограниченного доступа был отменен.
Все источники ошибок можно разделить на несколько групп:
Погрешность в вычислении орбит;
Ошибки, связанные с приемником;
Ошибки, связанные с многократным отражением сигнала от препятствий;
Ионосфера, тропосферные задержки сигнала;
Геометрия расположения спутников.
В систему GPS входит 24 искусственных спутника Земли, сеть наземных станций слежения и навигационные приемники. Станции наблюдения требуются для определения и контроля параметров орбит, вычисления баллистических характеристик, регулировка отклонения от траекторий движения, контроль аппаратуры на бору космических аппаратов.
Характеристики навигационных систем GPS:
Количество спутников – 26, 21 основной, 5 запасных;
Количество орбитальных плоскостей – 6;
Высота орбиты – 20000 км;
Срок эксплуатации спутников – 7,5 лет;
Рабочие частоты – L1=1575,42 МГц; L2=12275,6МГц, мощность 50 Вт и 8 Вт соответственно;
Надежность навигационного определения – 95%.
Навигационные приемники бывают нескольких типов – портативные, стационарные и авиационные. Приемники также характеризуются рядом параметров:
Количество каналов – в современных приемников используется от 12 до 20 каналов;
Наличие картографической поддержки;
Различные технические характеристики – материалы, прочность, защита от влаги, чувствительность, объем памяти и другие.
Принцип действия самого навигатора – в первую очередь устройство пытается связаться с навигационным спутником. Как только связь будет установлена, происходит передача альманаха, то есть информации об орбитах спутников, находящихся в рамках одной навигационной системы. Связи с одним только спутником недостаточно для получения точного местоположения, поэтому оставшиеся спутники передают навигатору свои эфемериды, необходимые для определения отклонений, коэффициентов возмущения и других параметров.
Холодный, теплый и горячий старт GPS навигатора
Включив навигатор впервые или после долгого перерыва, начинается долгое ожидание для получения данных. Долгое время ожидания связано с тем, что в памяти навигатора отсутствуют либо устарели альманах и эфемериды, поэтому устройство должно выполнить ряд действий по получению или обновлению данных. Время ожидания, или так называемое время холодного старта, зависит от различных показателей – качество приемника, состояние атмосферы, шумы, количество спутников в зоне видимости.
Чтобы начать свою работу, навигатор должен:
Найти спутник и установить с ним связь;
Получить альманах и сохранить его в памяти;
Получить эфемериды от спутника и сохранить их;
Найти еще три спутника и установить с ними связь, получить от них эфемериды;
Вычислить координаты при помощи эфемерид и местоположения спутников.
Только пройдя весь этот цикл, устройство начнет работать. Такой запуск и называется холодным стартом.
Горячий старт значительно отличается от холодного. В памяти навигатора уже имеется актуальный на данный момент альманах и эфемериды. Данные для альманаха действительны в течение 30 дней, эфемерид – в течение 30 минут. Из этого следует, что устройство выключалось на непродолжительное время. При горячем старте алгоритм будет проще – устройство устанавливает связь со спутником, при необходимости обновляет эфемериды и вычисляет местоположение.
Существует теплый старт – в этом случае альманах является актуальным, а эфемериды нужно обновить. Времени на это затрачивается немного больше, чем на горячий старт, но значительно меньше, чем на холодный.
Ограничения на покупку и использование самодельных модулей GPS
Российское законодательство требует от производителей уменьшать точность определения приемников. Работать с незагрубленной точностью может производиться только при наличии у пользователя специализированной лицензии.
Под запретом в Российской Федерации находятся специальные технические средства, предназначенные для негласного получения информации (СТС НПИ). К таковым относятся GPS трекеры, которые используются для негласного контроля над перемещением транспорта и прочих объектов. Основной признак незаконного технического средства – его скрытность. Поэтому перед приобретением устройства нужно внимательно изучить его характеристики, внешний вид, на наличие скрытых функций, а также просмотреть необходимые сертификаты соответствия.
Также важно, в каком виде продается устройство. В разобранном виде прибор может не относиться к СТС НПИ. Но при сборе готовое устройство уже может относиться к запрещенным.