GPS – Часть 4. Почему люди не летают, как птицы?

- Хорошая выдалась прогулка, в озере искупались и о GPS теперь всё знаем.
Драйвер Модемович закашлял, подавившись травинкой, которую пожёвывал до весьма самонадеянного высказывания друга.
- Вообще-то многих аспектов, связанных с работой GPS, я ещё не касался.
Незнайкин приподнял голову. Слово «ещё» его насторожило.



- А те, о которых я назвал, освещены лишь обзорно. К примеру, взять такой момент. Я сказал, что расстояние от приёмника до спутника определятся всем известной формулой «время, умноженное на скорость». А тебе ничего не показалось странным?
- Не знаю.
- Около космические расстояние свет проходит за доли секунды. И как ты в таких условиях будешь достаточно точно измерять скорость?
- Ну, атомные часы…
- Атомные часы находятся на спутнике, в GPS-приёмник их не впихнёшь. А время получения сигнала для проведения дальнейших расчетов необходимо измерить приёмнику.
- Действительно, - появился отошедший в кусты Антон. – Часы на спутнике, а измерять время надо на Земле.
- Для решения этой проблемы разработчики придумали «Псевдослучайный код». Я как-то упоминал о нём. Спутник и приёмник одновременно генерируют идентичный код. И всё что остаётся приёмнику это сравнить пришедшую из космоса последовательность импульсов со своей. По результатам сравнения определяется временной сдвиг, который и является искомой величиной из уравнения. Всё понятно?
- Полностью, - поспешил заверить Иван Иванович.
- А тебе Антон? - спросил Драйвер, увидев, что мальчик замялся.
- Понятно в общем, но… меня смутило слово «одновременно». Как это получится, если точные часы на спутнике?
- Молодец, сразу видно человека, который слушает внимательно, – Драйвер с укоризной посмотрел на Незнайкина-старшего.
- Подумаешь, - буркнул тот.



- Часы на GPS-приёмнике не такие точные, как на спутнике, но это на самом деле не имеет значения, если осуществить совершенную временную привязку. Чтобы понять, как это происходит, рассмотрим упрощенный пример с двумя вместо трёх координат. Предположим часы на нашем устройстве отстают на секунду. При этом мы находимся в пяти секундах от спутника I, и в семи от спутника II. На плоскости мы получим пересечение двух окружностей – две точки, одну из которых можно исключить логическим путём. Но наши часы врут, и на самом деле мы получим точку на пересечении окружностей для спутников I и II – шесть и восемь секунд соответственно, которая не совпадает с реальной.

Теперь смотрите, что получается, если для измерения взять ещё один спутник. В случае идентичного хода часов на спутнике и наших все три окружности пересекутся в одной точке. В противном случае мы получим три точки, которые образуют треугольник наших возможных положений. Тут появляется работка для вычислительной системы GPS-приёмника. Она добавляет к каждому измерению вероятную погрешность хода внутренних часов и путём простого перебора получает такое значение, которое «сводит» окружности в одну точку. В системе GPS проделывается то же самое, но только для трёх координат, поэтому используется информация с четырёх спутников. Уф.

Драйвер Модемович победоносно осмотрел свою немногочисленную аудиторию и скривился. Иван даже не делал вид, что слушает, очищая грязь из-под ногтей, а Антон буквально глядел в рот говорившему, но в его затуманенных глазах даже на секунду не промелькнула искра разума.

- Возможно, я немного переборщил с теорией, – вздохнул про себя оратор.
- Жарковато сегодня.
- Хорошо, дождь кончился, а то вертолет мог задержаться, - потягиваясь на мягкой хвое, пробормотал Незнайкин-старший, с удивлением констатируя исчезновение боязни полётов.
- Дождь винтокрылой машине не помеха, - заверил Драйвер. - Другое дело сильный ветер, но это должен быть действительно СИЛЬНЫЙ ветер, так что мы можем быть спокойны.

Через три часа.

- Мёзим бить спякони, мёзим бить спякони, - наверное, уже в сотый раз передразнил Драйвера Незнайкин, закрываясь от летящей в лицо смеси листьев, пыли, веток и ещё черт знает чего. – Теперь точно можем быть спокойны, никакой вертолёт в такую погоду не прилетит.
- Что же мы будем делать? – Антон кутался в куртку, которая, впрочем, почти не защищала от пронизывающего ветра.
- А ничего, еда у нас кончилась. Помрем, значит. – Иван бросил взгляд на испуганного сына и добавил. – Не бойся, придумаем что-нибудь!
Драйверу Модемовичу, наконец, удалось расправить карту.
- Здесь рядом дорога, если мы на неё выйдем и поймаем попутку, то спокойно доберёмся до города. Глядишь ещё на работу завтра успеем.
- Здорово! – Антон засиял энтузиазмом. – С помощью GPS-приёмника мы вычислим маршрут, скорость движение и точное время, в которое подойдём к дороге.
- Хм, не хотелось бы разрушать твой оптимизм…
- Вот и не разрушай, - буркнул Иван Иванович.
- …но практика немного отличается от теории.
- Просто покажи пальцем, куда идти, умник.
- Так вот, - начал Драйвер, когда друзья опять двинулись в путь. – На точность получаемых с помощью GPS-приёмника данных кроме разсинхронизации влияет ещё несколько факторов. Главный из них - ионосферная задержка сигнала. Он ставит под сомнение один из основных принципов, на которых опирается система GPS, что скорость распространения радиосигнала неизменна. Действительно, на высоте 115-210 км находится так называемая ионосфера, область заряженных частиц, которые оказываю существенное влияние на прохождение радиосигнала.
- Значит, сигнал полученный нашим GPS-приёмником ошибочный.
- Да, но не стоит беспокоиться. Существует два способа с помощью которых приёмник может нивелировать эту ошибку. Первый - не очень точный - заключается в использовании при расчётах усредненного значения ионосферной активности. Другой даёт абсолютно точные значения, но требует применения «двухчастотной» технологии. Одновременно со спутника идёт два сигнала идентичных, но с разной несущей частотой. Сквозь слой они проходят с разной задержкой, которую учитывает приёмник и вычисляет поправку, которую нужно внести в расчёты.



- Ух ты, чего только не придумают. Любую проблему щёлкают.
- Ну, не совсем так, ещё есть атмосферные задержки сигналов, в частности своё влияние на сигнал оказывают и водяные поры, но к счастью это влияние незначительно. Кроме того, существуют электрические помехи внутри самого устройства. Атомные часы то же, как бы не были точны, могут вносить погрешность. Сигнал спутника, многократно отражаясь от поверхности и объектов, вносит ошибку «многолучевости». Для этих и многих других задач весьма сложно найти тривиальное решение. Полностью исключить эти погрешности нельзя, но можно уменьшить их влияние.

Драйвер остановился, вытащил из-за шиворота ветку и недовольно глянул на улыбающегося во весь рот Незнайкина-старшего.

- Иван, иди впереди. Всё равно ты слушаешь недостаточно внимательно, а так у тебя будут поводы обращать на меня внимание, - зловеще пообещал он другу. – Чтобы получить желаемую точность в GPS-приёмнике, используется GDOP "Geometric Dilution of Precision - GDOP" (геометрический фактор снижения точности). Суть в том, что взаимное расположение используемых при расчётах спутников может многократно увеличить или уменьшить точность работы прибора.




- Как это?
- В нашем примере мы рассматривали окружности, но из-за погрешностей границы этих окружностей будут размыты, и на их пересечении вместо точки мы получим некую область, содержащую все возможные положения. Эта область может представлять собой куб или растянутый параллелепипед в зависимости от того, какие спутники использовались. Для точного местоопределения необходимо брать сигнал спутников с наибольшим углом между направлениями. Хороший приёмники умеет выбирать из всех доступных для него источников сигнала те, которые обеспечат достаточную точность. И, предвосхищая твой вопрос, отвечу: да у нас именно такой, хороший, GPS-приёмник.
- Не знаю, насколько он хороший, - проворчал Иван Иванович, вытаскивая из-за шиворота, под смешки товарищей, ворох сухих листьев, - но к дороге мы вышли.

Ветер внезапно стих, и в опустившейся на путников тишине стало отчётливо слышно далёкое стрекотание вертолёта. Незнайкин с тоской посмотрел назад и, плюнув под ноги, пошёл ловить попутку.

В следующей части вы узнаете, добрались ли путешественники вовремя домой, какое хобби есть у Незнайкина-старшего и что об этом думает его начальник, а также зачем в автомобиле нужен GPS-приёмник.


© Андрей Мочков, Mobiset.ru
Дата публикации статьи - 10 апреля 2009 г.

Твитнуть

Наша группа ВКонтакте - присоединяйся!

Оперативная и эксклюзивная информация - в 140 знаках! Подписывайтесь на наш канал:
Читать @Mobiset

comments powered by Disqus

Смотрите также:

GPS – часть 5. Зачем GPS в автомобиле?

GPS - наш рулевой. По долинам и по взгорьям. Часть 3

GPS - наш рулевой. По долинам и по взгорьям. Часть 2

Что такое GPS, или большая прогулка. Часть 1