Технологии GPS и A-GPS - принципы действия, преимущества и недостатки

Изначально система GPS (Global Positioning System) была разработана для вооруженных сил США. Позже она модернизировалась и стала пригодна для использования спутниковой навигации в гражданских целях. В настоящее время системы GPS и A-GPS применяется по всему миру для навигации, например, нахождения угнанных автомобилей, при сопровождении важных особ, при спасении потерявшихся туристов в горных районах и в других случаях.

Базируется GPS на использовании 30 спутников, из которых 27 действующие и три не действуют, находятся в запасе на случай, если один из действующих выйдет из строя. Каждый из спутников проходит по рабочей орбите за сутки примерно 19000 км, делая при этом вокруг земли два оборота. Спутники работают таким образом, что, по крайней мере, четыре из них способны принимать сигнал с Земли круглые сутки. Это достаточный минимум для успешного определения месторасположения объекта. Чем больше будет спутников в доступной зоне, тем сильнее будет сигнал.

Расстояние до каждого объекта GPS-приемник определяет по задержке сигнала со спутника. Затем имея координаты трех точек спутников и расстояния между ними легко найти место нахождения приемника на Земле. Из-за того, что система работает не на плоскости, а в пространстве, необходим четвертый спутник, позволяющий однозначно определять координаты объекта в трехмерном пространстве.

Практическое определение координат отличается от теоретического решения геометрической задачи наличием погрешностей в определении расстояния до спутника, это приводит к тому, что результатом становится не точка, а целая область в определенном радиусе. К уменьшению этого радиуса и увеличению точности определения местоположения приведет увеличение количества спутников, находящихся в зоне видимости системы.

На практике гражданские приемники, работающие по принципу Global Positioning System, обеспечивают точность исполнения поиска в радиусе 30 метров, а военные навигаторы имеют точность до трех метров. От конкретной модели приемника зависит число видимых спутников. Кроме этого, для хорошей работы GPS системы нужна точная, взаимная синхронизация приемника и спутников, для точного расчета задержки сигнала от заранее определенного времени, когда сигнал был послан со спутника.

В наше время GPS навигация широко применяется в жизни. Например, она привязана к электронным картам, что позволяет определять местоположение абонентов сотовой связи, планировать маршруты передвижения на собственных автомобилях в незнакомых местах соответственно способам перемещения. Многие мобильные телефоны оснащены GPS навигаторами. Сочетание систем глобального позиционирования с мобильной сотовой связью помогло создать новую вспомогательную технологию -Assisted GPS (A-GPS).

Предполагающую использование Интернета для повышения качества работы в базовой системе одновременно по двум направлениям:

1.Приемник GPS перед тем, как начать находить местоположения объекта, определяет расстояния до спутника, это занимает иногда несколько минут. А-GPS технология информацию о расположении спутников запрашивает через Интернет в дата центрах и занимает это считанные секунды.

2.При плохих условиях прохождения сигнала от большого числа спутников нужны значительные вычислительные производительные мощности, наличие которых имеется далеко не во всех терминалах.

Процесс первоначального позиционирования существенно ускоряет при получении предварительных значений готовых координат из дата- центров. Кроме этого для других целей может использоваться доступ к Интернету. Оказать существенное влияние на расчеты могут, например, получение информации об атмосферных явлениях или синхронизация. Многие страны в последнее время интересуются созданием систем глобального позиционирования у себя. Например, это Глонас, разработанный в России, или система Галилео использующаяся в Европе. Так как всегда существует угроза отключения глобальной системы по инициативе ее собственника, у других стран есть желание получить независимость от Американцев, с помощью создания собственных систем.

Недостатки GPS приемников

Следующие проблемы могут возникать в процессе эксплуатации глобального позиционирования GPS:

  • После включения , время первого определения координаты полностью зависит от имеющихся орбитальных данных и от актуальной истории, хранящейся в памяти приемника. Иначе говоря, чем больше устройство находилось в отключенном состоянии, тем больше информации оно должно получить до того момента, когда станет возможным определение позиции. К примеру, при отключении устройства на 5 часов, ему может понадобиться около 45 секунд, для начала работы. В случае, когда устройство не работало пару дней, или передвигалось без получения информации более 300 метров, то для получения всей необходимой информации ему нужно больше десяти минут. 
  • В городских условиях сильно ограничена видимость GPS, а в закрытых помещениях и тоннелях невозможна вообще. Приемник GPS имеет высокое энергопотребление.

Функции A-GPS приемников

Информация для приемника предоставляется по каналу связи с удаленным сервером. Для мобильных телефонов сотовая связь является таким каналом. Для успешной работы- обмена информацией устройству нужно иметь доступ к сети Интернет или располагаться в зоне действия мобильного оператора.

Режимы работы A-GPS приемников

1. Базовый режим Он-лайн, в нем приемник получает информацию о спутниках и через инфраструктуру вычисляет местонахождение по данным полученным от пользователя. При этом режиме работы у оператора сотовой связи должна быть высокая плотность покрытия.

2. Вспомогательный режим оф-лайн ускоряет время стартов приемника A-GPS, которые обновляют эфемериды, альманах и перечень всех доступных спутников. GPS- приемник самостоятельно выполняет определение собственного местоположения и прием спутниковых сигналов. Но в таком режиме не все A-GPS приемники могут работать.

Преимущества A-GPS приемников

Сразу после включения A-GPS приемники быстро получают сигнал о своем местоположении и высокочувствительны к слабым сигналам, получаемым в проблемных зонах – на узких городских улицах, в закрытых помещениях, в падинах, в лиственном лесу, в тоннелях.

Недостатки A-GPS приемников

К недостаткам можно отнести тот факт, что A-GPS приемники не функционирует за границами действия сотовой связи. В последнее время разработали приемники объединенным модулем A-GPS и радиомодулем GSM, но они, к сожалению, не могут успешно стартовать, в тех случаях, когда радиомодуль отключен. Хотя для старта A-GPS модулей не обязательно наличие сети GSM. При запуске модули A-GPS потребляют трафик не более 7 кБ, но в случае потери сигнала, появляется необходимость повторно выполнить синхронизацию, что увеличивает потерю трафика в разы, это существенно при роуминге.