Принципы функционирования GPS-приемника и методы обработки получаемых данных

DOI:

Одним из последних значимых достижений в области геодезии можно назвать возможность автономного определения местоположения движущейся точки на Земле [1]. Автономное определение координат осуществляется с помощью спутниковых навигационных систем. Самыми известными такими системами являются: системы 1 -ого поколения – ЦИКАДА (Россия) и TRANSIT (США), системы 2-ого поколения – ГЛОНАСС (Россия) и NAVSTAR (США). Лидером на текущий момент является система NAVSTAR, которая также имеет название Global Positioning System (GPS). Эта система используется практически во всех сферах жизни людей: от научных исследований до слежения за животными. Без системы глобального позиционирования не было бы возможно автономное управление летательными аппаратами, не существовало бы навигационных карт, с помощью которых обычный пользователь может посторожить маршрут от точки А до точки Б, и многого другого. GPS внедрился в нашу жизнь на бытовом уровне.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Система глобального позиционирования (Global Positioning System – GPS) – это набор спутников средней высоты, управляемыми контрольными станциями на Земле. Станции отслеживают положение спутников, корректируют орбиты и сверяют синхронность очень точных часов, находящихся на спутниках. Спутник в свою очередь шлет свои координаты, время и синхронизирующий сигнал. Приемники GPS «ловят» эти сигналы для определения своего местоположения.

Одно из главных достоинств GPS – это возможность получения сигнала в любой точке Земли при любых погодных условиях. На орбите находятся 32 спутника, которые движутся по орбитам на высоте приблизительно 20000 км. Такое количество спутников позволяет получить точные данные о местоположении в любой части мира. Наземные контрольные станции состоят из координационно-вычислительного центра, командноизмерительной станции, станции слежения и станции закладки служебной информации [1].

Возникновение системы глобального позиционирования связано с историческим запуском первого искусственного спутника Земли "Спутник-1" Советским Союзом 4 октября 1957 года [2]. Это событие привлекло внимание научного сообщества во всем мире. Анализируя сигналы, излучаемые спутником, американские физики Уильям Гийер и Джордж Вайффенбах из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса обнаружили возможность определения точного местоположения спутника. Данное открытие послужило основой для разработки обратного метода - определения точных координат наземного наблюдателя с использованием спутниковых сигналов.

Эти исследования заложили фундамент для развития технологии глобального позиционирования. Официальное начало эпохи GPS датируется 1973 годом, когда Министерство обороны США инициировало проект по созданию спутниковой навигационной системы. Первоначально разработка была мотивирована задачами обеспечения национальной безопасности и обороноспособности Соединенных Штатов.

В процессе развития технологии GPS прошла путь от сугубо военного применения до широкого использования в гражданском секторе. На современном этапе глобальная система позиционирования интегрирована во множество аспектов повседневной жизни и применяется в различных отраслях, включая транспорт, сельское хозяйство, геодезию и картографию.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Принцип работы GPS

Для определения местоположения приемника измеряются расстояния от приемника до спутников, координаты которых известны. Требуется три спутника для определения точки в трехмерном пространстве. Также нужно учитывать фактор «время», поэтому для точного определения необходим четвертый спутник (рисунок 1).

Рисунок 1. Определение местоположения с помощью четырех спутников.

Figure 1. Location detection using four satellites.

Радиосигналы со спутника распространяются со скоростью света, а значит посчитав разницу между временем, когда он был отправлен, и временем, когда его получили, можно вычислить расстоянии от спутника до объекта. Таким образом, найденное расстояние является радиусом сферы, на которой объект может находиться. Но если поймать сигнал от второго спутника, можно нарисовать вторую сферу. Теперь объект находится где-то на границе пересечения двух сфер. А поймав третий спутник, возможно узнать точное расположение приемника, но с погрешностью из-за отсутствия атомных часов в большинстве приемников. Эту проблему решает четвертый спутник, который позволяет математически вычислить погрешность часов в приемнике. То есть, существует только одна точка во времени, соответствующая пересечению четырех сфер на Земле в одной точке (рисунок 2) [3].

Рисунок 2. Определение места точек по расстояниям до спутников.

Figure 2. Determining the location of points based on the distances to the satellites.

По рисунку видно, что таких точек две, но одна из них, как правило, представляет неправдоподобное решение.

Теперь для определения точного местоположения “мешает” теория относительности Альберта Эйнштейна. Дело в том, что спутники по орбите движутся со скоростью примерно 4 километров в секунду. Из-за релятивистского эффекта время на спутнике идет немного медленнее, чем на Земле. Для решения этой проблемы атомные часы на спутниках немного замедляют [4]. Также для исключения ошибки аппаратура спутников и приемника генерируют каждую миллисекунду последовательность псевдослучайных кодов. Приемник, получая эту последовательность от спутника, определяет свой сдвиг по времени относительно спутника и корректируется [3].

Еще одна проблема глобального позиционирования – заторможенная передача данных. Как выяснилось выше, для определения местоположения приемника требуются данные со спутника. Но их получение и обработка может занимать до 10 минут. Это связано с тем, что передается довольно большой объем информации. Она содержит в себе альманах и эфемерид. Альманах – это данные, содержащие информацию о приблизительных параметрах орбит всех спутников. Эти данные обновляются раз в 2-3 месяца. Так как наземные станции постоянно корректируют орбиты, по прошествии длительного времени погрешность может становиться довольно большой. Эфемериды же содержат более точную информацию об орбитах, но действуют они гораздо меньше – 4-6 часов.

Алгоритмы обработки GPS-данных со спутника и методы повышения точности GPS-данных

По причине заторможенной передачи данных возникла задача реализации различные методы повышения точности GPS данных. Одним из таких являются дифференциальные режимы GPS, обеспечиваемые с помощью систем LAAS, WAAS, MSAS и др., однако такой режим требует наличие дополнительных систем. Также к методам относится кинематическое позиционирование в реальном времени, отслеживание фазы несущей и алгоритм калмановской фильтрации [5].

При получении данных, они должны быть обработаны при помощи различных алгоритмов. К таким алгоритмам можно отнести:

• •      Алгоритм k-means (к-средних), где при входных данных числа кластеров и

• их центроидов данные разбиваются на различные группы);

• •      Нечёткий алгоритм c -средних, являющийся модификацией первого

алгоритма и основан на вероятности отнесения элемента к различным кластерам;

• •      Алгоритм DBSCAN,  реализовывающийся на основе плотностного

распределения элементов исходного множества [6].

Работа с данными GPS

Работа с данными GPS происходит с помощью файла расширения GPX , основанный на XML , позволяющий сохранять и обмениваться путевыми точками, маршрутами и треками. Данный формат также используется при планировании маршрутов пробежек, велопоездок, походов и других активностей [7].

Первая схема GPX имела версию 1.0 и была выпущена в 2002 году, она быстро стала стандартом для обмена GPS -данными и поддерживается сотнями различных приложений и сервисов.

Особенности работы с GPX-файлами

Так как GPX реализован на XML -схеме, в данном файле есть две основных детали:

• 1.    Каждый элемент в GPX -файле уникален в рамках своего пространства имён, необходимо убедиться, что данные анализируются только в его контексте.

• 2.    Основная кодировка - UTF -8, хоть и не является основным требованием. Использование XML -инструментов упрощает обработку CDATA и закодированных сущностей.

При работе с GPX-файлами, основное пространство имён определяется по следующему URL: Однако элемент помогает разработчику использовать данные из других пространств, что расширяет возможности формата. Пример структуры файла:

2023-10-17T17:13:00.211Z

Deep Water

Marina

Address

Современные инновации, системы и технологии // Modern Innovations, Systems and Technologies 2024; 4(4)

Sample Waypoint with Garmin Depth

100.00

При создании GPX -файлов необходимо строго соблюдать стандарты:

• •    обязательно указать корневой элемент с основным пространством имён, а также при необходимости указать все используемые и их схемы;

• •    использовать правильный порядок инструментов, указанный в спецификации;

• •    использовать библиотеки XML для работы с файлом, что позволит исключить ошибки с порядком и кодировкой;

• •    использовать онлайн-валидаторы или строгие схемы GPX для проверки корректности.

Основными преимуществами файлов формата GPX являются:

• •    широкая поддержка, так как данное расширение поддерживается всеми основными операционными системами и многочисленным программным продуктам;

• •    файл легко конвертируется в другие форматы;

• •    данный тип файла удобен для чтения и записи большинством программ и библиотек;

• •    в файл легко добавлять данные из других пространств имён.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Были рассмотрены основной принцип работы GPS- приёмника и работа с данными, получаемыми с них. Получение данных со спутников позволяет точно определить местоположение пользователя, и благодаря этому может развиваться область устройств и приложений, поддерживающих данную способность.

Для удобства работы с геоданными, был реализован формат файла GPX , позволяющий использовать данные под нужды пользователя, например, построения различных маршрутов, рисовке карт, навигации и другому. Помимо этого, при необходимости, можно расширять возможности формата данных, позволяя увеличить область использования данных.