GPS, Систе́ма глоба́льного позиціюва́ння () — сукупність радіоелектронних засобів, що дозволяє визначати положення та швидкість руху об'єкта на поверхні Землі або в атмосфері. Положення об'єкта обчислюється завдяки використанню розміщеного на ньому GPS-приймача, який приймає та обробляє сигнали супутників космічного сегмента GPS-системи глобального позиціонування. Для визначення точних параметрів орбіт супутників та керування GPS-системою вона в своєму складі має наземні центри управління.
Коли мова йде про GPS, найчастіше мається на увазі система NAVSTAR, розроблена на замовлення військового відомства — Міністерства оборони США, але зараз існують або розробляються також інші системи глобального позиціонування (ГЛОНАСС, Galileo та інші).
Принцип дії
Станом на сьогодні основою системи NAVSTAR (Navigation Satellite Time and Ranging) є 31 супутник (всього наявно 32), що працюють у єдиній мережі й обертаються на шести різних кругових орбітах, розташованих під кутом 60° одна до одної. На кожній орбіті розміщено по 4 супутники, висота орбіт приблизно дорівнює 20 200 км а період обертання кожного супутника навколо землі дорівнює 12 годинам. Таким чином, із будь-якої точки земної поверхні зазвичай одночасно видно від чотирьох до дванадцяти таких супутників.
Супутники перебувають під контролем станцій, які розташовані на Землі. Розміщуються такі станції на Колорадо-Спрінгз, Дієго-Гарсія, острові Вознесіння, атолі Кваджелейн і на Гаваях. Вся інформація, що проходить через ці станції, записується ними та передається на головну станцію на військовій базі Falcon (штат Колорадо).
GPS-приймач обчислює власне місцезнаходження, вимірюючи час проходження сигналу від GPS-супутників. Кожен супутник постійно надсилає повідомлення, в якому міститься інформація про час, точку орбіти супутника, з якої було надіслано повідомлення (ефемерида), та загальний стан системи й приблизні дані орбіт усіх інших супутників системи GPS (альманах). Ці сигнали розповсюджуються зі швидкістю світла в космосі (і з трохи меншою швидкістю — в атмосфері). Приймач визначає час затримки в надходженні сигналу та обчислює відстань до супутників, виходячи з якої, застосувавши метод трилатерації, визначає своє місце. Отримані координати перетворюються в наочну форму (широта та довгота чи положення на карті) та відображаються користувачеві.
Теоретично для визначення власних координат достатньо визначити відстань до трьох супутників. Однак для обчислення положення необхідно знати час із високою точністю. Щоб усунути потребу в високоточному годиннику, отримують інформацію з 4-х чи більше супутників, тобто, GPS-приймач використовує чотири параметри для обчислення чотирьох невідомих: x, y, z та t.
У деяких окремих випадках можна обійтися меншою кількістю супутників. Якщо заздалегідь відома одна змінна (наприклад, висота над рівнем моря човна в океані дорівнює 0), приймач може обчислити положення, використовуючи дані з трьох супутників. Також на практиці приймачі використовують різну допоміжну інформацію для обчислення положення з меншою точністю в умовах відсутності одразу чотирьох супутників.
Технічні характеристики
У системі NAVSTAR передача сигналу з супутника відбувається на частоті 1575,42 МГц (канал загального призначення). Цей сигнал має двійкову фазову маніпуляцію сумою за модулем 2 псевдовипадкової послідовності з 1023 біт, що передаються за 1 мс і використовуються для ідентифікації супутника та як далекомірна шкала, а також навігаційних повідомлень (ефемерида, альманах, умови поширення сигналу в атмосфері), що передаються зі швидкістю 50 біт/с. Система використовує час UTC (USNO) і систему геодезичних координат WGS84.
Застосування GPS
Попри те, що проєкти побудови GPS-систем впроваджувались військовими відомствами, зараз, окрім приймачів спеціального призначення, випускаються прилади, вмонтовані в різноманітну дрібну техніку: наручні годинники, мобільні телефони, ручні радіостанції, портативні комп'ютери та фотоапарати, за допомогою яких можна орієнтуватися на місцевості або фіксувати місцезнаходження користувача. Їх використовують альпіністи, рятівники, туристи.
Споживачам також пропонуються різні пристрої й програмні продукти, котрі дозволяють: бачити своє місцезнаходження на електронній карті; прокладати маршрути з урахуванням дорожніх знаків, дозволених поворотів і навіть заторів; шукати на карті конкретні будинки й вулиці, визначні пам'ятки, кафе, лікарні, автозаправки та інші об'єкти інфраструктури.
Окремий клас пристроїв, GPS-трекери, призначений для отримання інформації про рух обладнаних ними автомобілів або інших рухомих об'єктів у пункті спостереження. Використання GPS-трекерів дозволяє будувати диспетчерські системи спостереження та управління рухом, системи GPS-моніторингу транспорту.
GPS-системи застосовують також у таких галузях: Геодезія: за допомогою GPS визначаються точні координати точок і межі земельних ділянок. Картографія: GPS використовується в цивільній і військовій картографії. Навігація: із застосуванням GPS здійснюється як морська, так і дорожня навігація. Супутниковий моніторинг транспорту: за допомогою GPS на диспетчерському пункті ведеться спостереження за маршрутом руху, швидкістю та іншими параметрами транспорту. Стільниковий зв'язок: перші мобільні телефони з GPS з'явилися в 90-х роках. У деяких країнах, наприклад США, це використовується для оперативного визначення місцезнаходження людини, що дзвонить на 911. У Росії в 2010 році почата реалізація аналогічного проєкту — Ера-глонасс. Тектоніка, тектоніка плит: за допомогою GPS ведуться спостереження рухів і коливань плит. Активний відпочинок: є різні ігри, де застосовується GPS, наприклад, геокешинг та ін. Геотегинг: «прив'язка» подій, записів, фотознімків до точного місцезнаходження та часу їх створення. Точний відлік часу та синхронізація подій: завдяки використанню GPS-приймачів можливо синхронізувати час рознесених годинників з точністю до десятків наносекунд.
Сфери застосування GPS
1. Міське господарство. GPS є ефективним при зйомці каналізаційних, газових і водяних трубопроводів, а також електричних і телефонних ліній. Аварійні машини й ремонтні бригади можуть використовувати GPS для навігації безпосередньо до місця аварії комунікацій. Час їхнього прибуття та відправлення точно реєструється разом з їх коментарями й планом виконання сервісних робіт.
2. Сільське господарство. Картографічні системи GPS допомагають описувати особливості ділянок полів, які перебувають в інтенсивному сільськогосподарському використанні. Ви можете точно пов'язати такі характеристики як мікроклімат, тип ґрунту, ділянки врожаю, пошкоджені комахами або хворобами, обсяг продукції.
3. Природні ресурси. GPS допомагає зібрати дані про типи ґрунтів, які в комбінації з тривимірними моделями територій дозволяють виділити окремі аспекти для передбачення областей, що потребують спеціального управління. Крім того, GPS можна використовувати для картографування місця розташування колодязів та інших джерел води; запису розмірів озер і їх стану; реєстрації ареалів поширення риби й диких тварин; змін берегової лінії, польових угідь і кліматичних зон.
4. Археологія, історія. Археологи та історики можуть використовувати картографічні GPS-системи для навігації та реєстрації розкопок та історичних місць.
5. Військово-морська навігація. Військове застосування сигналів GPS дозволяє покращувати контроль збройних сил за допомогою точного наведення зброї чи армії на ціль. На океанському дні GPS необхідна для пошуків затонулих кораблів або виконання інших технічних операцій, на суші використання навігаційних пристроїв не менш важливе.
6. Спорт та ігри. Поширення приймачів GPS призвело до появи спортивної супутникової навігації, змагань з орієнтування на автомобілях та ігри «Геокешінг» (пошук скарбів і схованок за відомими координатами).
7. GPS-моніторинг рухомих об'єктів. Система GPS дозволяє визначити місце розташування в будь-якій точці на суші, на морі та в навколоземному просторі. Залежно від галузей застосування, діапазон яких досить широкий, а також від вартості, яка може коливатися від сотень до декількох тисяч доларів, види GPS-приймачів також різноманітні. Взагалі весь спектр моделей можна розділити на чотири великі групи:
Персональні GPS-приймачі індивідуального застосування. Ці моделі відрізняються малими габаритами та широким набором сервісних функцій: від базових навігаційних, включаючи можливість формування й розрахунку маршрутів прямування, до функції прийому та передачі електронної пошти.
Автомобільні GPS-приймачі призначені для установки в будь-якому наземному транспортному засобі й мають можливість підключення зовнішнього приймально-передавального обладнання для автоматичної передачі параметрів руху на диспетчерські пункти.
Морські GPS-приймачі, оснащені ультразвуковим ехолотом, а також додатковими змінними картриджами з картографічною й гідрографічною інформацією для конкретних берегових районів.
Авіаційні GPS-приймачі використовують для визначення маршруту літальних апаратів, включаючи комерційну авіацію.
Системи GPS-моніторингу рухомих об'єктів
1. Системи Offline — використовують принцип «чорного ящика», який фіксує події, прив'язуючи кожну з них до географічних координат і реального часу. Після прибуття об'єкта на базу вся інформація з такого «чорного ящика» зчитується, розшифровується й стає доступною для детального аналізу та агрегації.
Переваги підходу: Велика кількість різнорідної інформації, яка збирається пристроєм (обмежена тільки об'ємом власної пам'яті пристрою). Відсутність абонентської плати за передачу даних (передача здійснюється або через фізичне підключення пристрою до комп'ютера диспетчера, або через локальні бездротові мережі).
Недоліки: Інформація доступна тільки після прибуття об'єкта на базу.
2. Системи Online — використовують принцип радіомаяків — інформація про місцезнаходження не фіксується в пам'яті приладів, а передається в реальному часі диспетчеру. Каналами передачі даних в такому разі може виступати GSM, SMS-повідомлення, GPRS, радіозв'язок, мережа бездротових точок доступу.
Переваги системи: Інформація про переміщення та стан об'єкта доступні диспетчеру в реальному часі (можлива затримка обумовлена способом комунікацій). Час відгуку пристрою моніторингу залежить від каналу передачі даних (завжди є можливість підібрати компромісний варіант за співвідношенням ціна/оперативність).
Недоліки: Необхідність оплачувати послуги зв'язку (розмір плати змінюється від кількох центів за SMS-повідомлення в межах мережі свого стільникового оператора до декількох доларів за GPRS-з'єднання в роумінгу).
GPS-моніторинг транспорту
Використовуючи GPS для визначення місця розташування об'єкта і різні канали зв'язку для доставки інформації користувачу, системи моніторингу транспорту дозволяють детально простежити весь маршрут прямування автомобіля, спецтехніки або просто контейнера з важливим вантажем. Наприклад, транспортна інформаційна система Dynafleet, що встановлюється на вантажівках Volvo Truck Corporation, дозволяє відстежувати в режимі реального часу процес пересування вантажу не тільки диспетчерським службам, а й власнику вантажу, навіть через мобільні пристрої, такі як iPhone, iPad чи Android. За користування системою власник автомобіля Volvo сплачує щомісячну абонентську плату.
Сфери застосування GPS-моніторингу транспорту:
Транспортні компанії; Служби екстреної допомоги; Страхові компанії; Автопарки; Охоронні служби; Служби перевезення пасажирів; Служби порятунку; Будівельні компанії; Інкасаторські служби; Сільськогосподарські підприємства; Кур'єрські та поштові служби; Комунальні служби; Торгові компанії; Таксопарк та диспетчерські служби таксі; Особистий автомобіль.
Принцип дії системи GPS-моніторингу транспорту