Нередко на рыбалке, охоте, в туристическом походе Вам приходится добираться до заветных мест, преодолевая огромное количество препятствий на своем пути: непроходимых чащ, болот, водных преград. Сколько раз приходится переходить огромные поля, леса, переплывать водоемы, менять дороги, нередко приходится делать это в тумане, ночью, в дождь. Не сбиться с дороги, даже пользуясь картой и компасом, бывает трудно даже профессионалам, хорошо разбирающимся в ориентировании на местности.

С развитием технологий в области электроники и телекоммуникации появилась возможность создания электронных приборов, позволяющих определять положение на местности, направление и скорость перемещения, брать азимуты на точки на поверхности земли.

Как и в большинстве высокотехнологических проектов, инициаторами разработки и внедрения системы GPS (Global Positioning System  - система глобального позиционирования) стали военные. Проект спутниковой сети для определения координат в режиме реального времени в любой точке земного шара был назван Navstar (Navigation system with timing and ranging  -  навигационная система определения времени и дальности), а аббревиатура GPS появилась позднее, когда система стала использоваться в гражданских целях. Внедрение этой системы было начато в США в середине семидесятых годов, коммерческая эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась с 1995 года.

Состав ситемы.

Система GPS состоит из трех основных компонентов: космического, управления и контроля, пользовательского. Космический компонент представляет собой "созвездие" функционирующих в момент наблюдения спутников. В настоящее время он представлен 28 спутниками; номинально в каждый момент времени имеются 24 работающих спутника, распределенных по шести круговым орбитам. На каждой орбите, таким образом, находится по четыре спутника, плоскости орбит разнесены по долготе на 60 градусов, наклон плоскости орбиты к плоскости экватора составляет 53 градуса. Расстояние до спутников от поверхности Земли  -  20350 км. При такой высоте орбиты период обращения равен половине звездных суток. Это значит, что если сегодня в такое-то время спутник находится в такой-то точке небосклона, то ровно через сутки тот же спутник будет примерно там же. Это позволяет удобно планировать наблюдения. Пользовательский компонент представляет собой совокупность спутниковых приемников по всему миру, находящихся в работе.

Особый интерес представляет собой компонент управления и контроля. Он содержит главную станцию управления и контроля, станции слежения за спутниками и станции закладки информации в бортовые компьютеры спутников. В задачи системы управления и контроля (Operational Control System) входит слежение за спутниками  -  для определения параметров их орбит (эфемерид)  -  и поправок часов относительно системного времени GPS; прогноз орбит спутников и их местоположения на орбитах (прогноз эфемерид); временная синхронизация часов относительно времени системы; загрузка навигационного сообщения в бортовые компьютеры спутников.

Главная станция управления и контроля (Consolidated Space Operations Center) находится в Колорадо-Спрингс (США). Центр собирает и обрабатывает данные со станций слежения, вычисляет и предсказывает эфемериды спутников, а также параметры хода часов. Затем данные передают на одну из трех наземных станций для закладки информации в память бортовых компьютеров. Пять станций слежения за спутниками, равномерно расположенные по всему миру, каждые полторы секунды определяют дальность до всех находящихся над горизонтом спутников.

Данные слежения передаются на главную станцию управления и контроля.

GPS спутники передают два вида данных: альманах и эфимерис. Альманах содержит параметры орбит всех спутников. Каждый спутник передаёт альманах для всех спутников. Данные альманаха не отличаются большой точностью и действительны несколько месяцев. В свою очередь, данные эфимериса содержат очень точные корректировки параметров орбит и часов для каждого спутника, что требуется для точного определения координат. Каждый GPS спутник передаёт только данные своего собственного эфимериса. Эти данные действительны только 30 минут. Спутники передают свой эфимерис каждые 30 секунд. Если GPS был отключён более 30 минут, а потом включен, он начинает искать спутники, основываясь на известном ему альманахе. По нему GPS выбирает спутники для инициации поиска. Когда GPS приёмник фиксирует спутник, он показывает на экране "пустой" столбик силы сигнала. В этот момент ещё идёт процесс сбора данных эфимериса. Когда эфимерис каждого спутника принят, соответствующий ему столбик силы сигнала закрашивается чёрным цветом, и данные, принятые от спутника, считаются подходящими для навигации. Если питание приёмника отключить, а потом снова включить в течение 30 минут, он "поймает" спутники очень быстро, т.к. не надо будет снова собирать данные эфимериса.

Это называется "горячий" старт. Если после отключения прошло более 30 минут, будет произведён "тёплый" старт, и GPS приёмник снова начнёт собирать данные эфимериса. Если GPS приёмник был перевезён (в выключенном состоянии) на несколько сотен километров или внутренние часы стали показывать неточное время, то данные имеющегося альманаха являются неверными. В таком случае навигатору требуется выполнить новый "поиск неба" (переинициализация) для загрузки нового альманаха и эфимериса. Это уже будет "холодный" старт.

Иногда бывает такая ситуация, что GPS приёмник долго не может "поймать" спутники. При этом на экране "Спутники" отображается пустое небо без номеров спутников. Оживить GPS поможет программка GPS Utility. Кроме неё Вам потребуется рабочий GPS приёмник. С помощью программы Вы можете выкачать альманах из рабочего приёмника в ПК, а потом, подключив "мёртвый" GPS, закачать в него.

Определение координат в системе GPS основывается на измерении расстояний до спутников, находящихся в зоне видимости GPS-навигатора. Происходит это следующим образом. Сначала GPS-навигатор измеряет расстояние до одного из спутников; всем ясно, что приемник при этом может находиться в любой точке на поверхности сферы с радиусом, равным расстоянию до спутника. После этого приемник определяет расстояние до второго спутника и строит вторую сферу с соответствующим радиусом. При этом точка нахождения приемника может находиться уже лишь на окружности, по которой пересекаются две сферы. Чтобы определить более конкретную точку, а точнее  -  две, приемник измеряет расстояние до третьего спутника и строит третью сферу. При этом у нас оказываются две точки пересечения всех трех сфер. Одна из этих точек обычно находится глубоко под поверхностью земли, и компьютер GPS приемника автоматически ее откидывает. Итак, для определения координат, если исключить неправдоподобное решение, трех измерений достаточно. Несмотря на это, требуется еще измерение расстояния до четвертого спутника  -  это необходимо по техническим причинам, мы рассмотрим их ниже.

Теперь рассмотрим принцип измерения расстояния до спутников. Всем известно, что расстояние, пройденное с постоянной скоростью, есть скорость, умноженная на время. Радиоволны распространяются в пространстве со скоростью 300000 км в секунду. Если мы сможем точно указать момент, когда спутник начал посылать свой радиосигнал, и момент, когда приемник его получил, то сможем точно вычислить расстояние до спутника, умножая скорость распространения радиосигнала на время в секундах. Так, свет распространяется очень быстро, наши часы должны быть крайне точными. Система GPS строится с применением совершенного способа измерения времени, основанного на атомном стандарте частоты. Каждый спутник имеет на борту аж четверо атомных часов, что определяет точность бортовых часов спутника до 0,000000001 секунды! Самым сложным моментом было точное определение времени, когда сигнал был сгенерирован спутником. Тут разработчики максимально удачно вышли из этой ситуации: синхронизировали спутники и приемники таким образом, чтобы они генерировали один и тот же код в одно и то же время. Далее код со спутника принимался GPS приемником, и узнавалось, как давно наш приемник сгенерировал такой же код. На этом времени и основывалось вычисление расстояния до спутника. Спутники и приемники генерируют очень сложные цифровые кодовые последовательности. Коды усложняются специально, чтобы их можно было бы надежно и однозначно сравнивать. Коды настолько сложны, что они выглядят как длинный ряд случайных импульсов. В действительности они являются тщательно отобранными "псевдослучайными последовательностями", которые повторяются каждую миллисекунду.

Здесь мы рассмотрели идеальную картину. На самом деле очень трудно синхронизировать атомные часы спутника и внутренние часы приемника, точность которых соответствует кварцевым. Ошибка в одну сотую секунды при измерении времени даст ошибку более чем в 2000 километров при измерении расстояния. Именно для устранения этой погрешности нам и требовалось измерение расстояния до четвертого спутника. Если имеется некоторое несоответствие времени на бортовых часах спутника и во внутренних часах GPS приемника, то вместо конкретной точки пересечения четырех сфер мы получим некоторую геометрическую фигуру, и точка нашего местоположения будет находиться где-то внутри нее. Далее компьютер начинает прибавлять или убавлять равные промежутки времени к каждому промежутку времени до тех пор, пока все четыре сферы не пересекутся в одной точке.

Если необходимо выполнять непрерывное местоопределение в реальном масштабе времени, то следует использовать приемник, имеющий, по крайней мере, четыре канала измерений. То есть такой, у которого с каждым из четырех спутников постоянно работает отдельный канал приема и первичной обработки сигналов.

При рассмотрении всех предыдущих моментов мы считали, что точно знаем расположение спутников на небе, и искали свои координаты, используя координаты спутников и расстояния до них. Как же узнать, где находится в космосе спутник, двигающийся с большой скоростью по орбите, равной 20000 км? Здесь разработчики системы пошли по очень простому пути. Данная орбита находится полностью вне атмосферы Земли, и все движущееся по ней совершает вполне предсказуемое вращение вокруг Земли: дважды в сутки спутник появляется в одном и том же месте неба. Это позволяет достаточно точно прогнозировать положение любого спутника в любой момент времени. В добавок к этому, наземные станции слежения и управления постоянно корректируют данные о высоте, положении и скорости движения спутников (так называемый альманах) и передают его обратно на спутник. Подробнее мы рассматривали этот вопрос выше.

Теперь хотелось бы рассмотреть те явления, которые вносят погрешности в измерения, сделанные с помощью GPS приемников. Во-первых, это часть нашей атмосферы  -  ионосфера - слой заряженных частиц, расположенный на высоте от 120 до 200 км. Эти частицы существенным образом влияют на скорость распространения света, а следовательно, и на скорость распространения радиосигналов GPS. А это делает невозможными наши вычисления расстояний до спутников, поскольку они построены на предположении о том, что скорость распространения радиоволн строго постоянна. Решение этой проблемы сводится к сравнению времени распространения двух разно-частотных компонент сигнала GPS.

Во-вторых, важной стала проблема "многолучевости". Она возникает, когда сигналы, передаваемые со спутника, многократно переотражаются от окружающих предметов и поверхностей до того, как попадают в приемник. Для решения этой проблемы в компьютер приемника GPS была заложена функция выбора спутников, находящихся в зоне видимости. Заключается она в следующем: из всех спутников, находящихся в данный момент в поле видимости GPS приемника, выбираются те, которые имеют наибольший угол по отношению к приемнику, так как их сигнал имеет самое меньшее количество отражений от посторонних предметов. Сейчас мы рассмотрели основные обстоятельства, уменьшающие точность получения координат с помощью GPS-навигаторов. Небольшое влияние оказывают также различные погодные явление, но их суммарная ошибка редко выходит за ширину обыкновенной улицы.

Далее рассмотрим основные функции GPS приемников, необходимые в жизни.

Приёмники.

Приёмники сигнала GPS подразделяются на мультиплексные и параллельные. Как известно, приемник необходим для приема сигналов со спутников. При этом мультиплексный приемник имеет только один канал. В каждый момент времени он принимает сигналы только от одного спутника, и для засечки координат ему приходится последовательно переключаться между спутниками. Малейшее отклонение сигнала за счет встречи с препятствием приводит к тому, что приемник теряет данный спутник и все операции ему приходиться повторять снова. Такие приемники качественно работают только на больших открытых пространствах и уже практически не используются. Дальнейшее развитие технологий в области электроники привело к созданию параллельного приемника. Он имеет несколько независимых каналов (обычно  -  12), с помощью которых может одновременно принимать информацию от нескольких спутников, обеспечивая возможность выбора наиболее подходящих для работы спутников, повышая точность измерений и лучше "держа" их. Для использования GPS в городе, в горах, в больших лесных массивах наиболее подходящими являются именно параллельные приемники.

Следующим элементом, влияющим на точность измерений, является антенна. GPS навигаторы могут комплектоваться двумя видами антенн  -  внешней и внутренней. Внешняя антенна представляет собой спиральную катушку в пластиковом корпусе (тип "четырехзаходная спираль") и вынесена из корпуса приемника. Эта антенна лучше приспособлена для приема сигналов от спутников, находящихся у горизонта, несколько хуже принимает сигналы от спутников, находящихся сверху. Обычно такая антенна бывает съемной, и вместо нее можно подключить выносную антенну, расположив ее на крыше автомобиля, для обеспечения более качественного приема. Внутренняя антенна (патч-антенна) встроена в корпус приемника и предназначена для приема сигналов спутников, расположенных сверху и хуже принимает сигналы от находящихся у горизонта. Как нам известно, компьютер GPS навигатора выбирает спутники, находящиеся под наибольшим углом к горизонту, то есть сверху, поэтому плоская патч-антенна обеспечивает достаточное качество приема сигналов от спутников.

Немаловажным элементом GPS приемников является система питания. Большинство GPS навигаторов питаются от батарей  -  именно это и обеспечивает их компактность. При покупке навигатора необходимо обратить особое внимание на время работы навигатора от батарей, их тип и количество. Соответственно, на рыбалке или в походе, если предполагается пользоваться навигатором для прохождения большого участка пути или не предвидится крупного населенного пункта, необходимо иметь с собой запасной комплект батареек (лучше несколько). Очень удобным является возможность подключения GPS навигаторов к внешним источникам питания. Так, если предполагается долгое время ехать по навигатору на машине, то можно подключить его к бортовой сети автомобиля (обычно навигатор подсоединяется через прикуриватель). Авиационные, морские и автомобильные навигаторы, находящиеся на панели приборов, также подключаются к внешним источникам питания.

Вся информация, получаемая от спутников, а также генерируемая собственным компьютером навигатора, отображается на дисплее. Дисплей GPS навигатора представляет собой матрицу, имеющую два (черный и белый) или четыре цвета (градации серого). Сейчас стали появляться также и цветные дисплеи. На них гораздо лучше читаются карты, но они имеют еще и важные недостатки: они не только дороги, но и потребляют гораздо больше электроэнергии, батарейки у таких навигаторов садятся значительно быстрее, есть GPS навигаторов имеют возможность поворота изображения на экране. Эта функция бывает очень удобна, когда приходится использовать навигатор и в автомобиле, и в руках.

Для качественной навигации на местности необходимы карты. Большинство GPS навигаторов без особых проблем могут указать долготу, широту и высоту своего местонахождения, но не смогут указать положение на детальной карте. Именно поэтому необходимо выбирать навигаторы, которые поддерживают те карты, которыми Вы предполагаете пользоваться, есть GPS навигаторов изначально содержит общую карту мира, но на ней отображаются только крупные населенные пункты, лесные массивы, участки дорог и воды, некоторые навигаторы также позволяют хранить в памяти детальные карты отдельных районов или загружать их с использованием ПКи специального программного обеспечения. Связь с персональным компьютером позволяет, прежде всего, "закачивать" в навигатор векторные карты отдельных районов местности, повышая точность определения своего местоположения и обеспечивая привязку к карте. Так как внутренняя память навигатора также ограничена, связь с ГК позволяет "списывать" с навигатора точки, маршруты и другую полезную информацию, полученную с помощью навигатора. В следующий раз, когда будет необходимо снова посетить какие-то точки или пройти по прежнему маршруту, Вам останется лишь закачать эту информацию с ПК обратно в навигатор. Также легко передать такую информацию друзьям.

Собственная память навигатора невелика и не позволяет хранить большое количество информации. Особое внимание при выборе навигатора следует обратить на то, является ли память энергонезависимой, и не потеряете ли Вы всю информацию при простой замене батареек. Для увеличения объема памяти, а также для подключения детальных дополнительных карт районов, в некоторых моделях навигаторов используются флеш-карты.

Сколько раз Вам приходится переходить в брод водные преграды, сколько раз на рыбалке или охоте Вы попадаете в дождь! Ваш верный помощник  -  GPS навигатор все это время находится с вами, поэтому еще одним немаловажным его свойством является водозащищенность. Часть навигаторов имеют запаянный корпус и хорошо защищены от воздействия влаги  -  некоторое время могут находиться в воде. Большинство же имеют лишь уплотненные швы и могут защититься только от дождя. В связи с этим могу дать один хороший совет: лучше стараться не проверять навигатор на воздействие на него воды  -  случиться может всякое, а он Вам еще понадобится.

Мы рассмотрели отличия основных элементов GPS навигаторов и их свойства, перейдем теперь к функциям, которые предлагаются нам разработчиками этой системы. Начнем с возможности сохранения в памяти навигатора путевых точек, (некоторые модели навигаторов позволяют сохранять их более 600). Эта функция позволяет, во-первых, сохранять точки в процессе движения  -  на ходу, занося в память навигатора пройденный маршрут. Другой возможностью является занесение в память навигатора точек, задавая их координаты по карте. Затем навигатор сможет безошибочно провести Вас по заданному маршруту от точки к точке. Следующая функция, которой обладает большинство современных GPS навигаторов, называется Track Log  -  запись трека. При ее включении навигатор автоматически заносит себе в память весь маршрут, по которому Вы движетесь. Эта функция пригодится, если Вы заблудитесь, захотите пройти по своему пути еще раз или передать его своим друзьям. Некоторые навигаторы снабжены функцией определения времени восхода-захода солнца в любой заданной точке. При прохождении больших расстояний (особенно на автомобиле или самолете) Вы сможете спланировать свой маршрут так, чтобы не двигаться в темноте, или прийти на определенное место к определенному времени суток. Современные GPS навигаторы снабжены также спидометром и одометром. С помощью спидометра Вы можете определить скорость своего движения  -  это бывает важно знать для расчета продолжительности пути при определенной скорости. Навигаторы, умеющие измерять скорость движения, могут также выдавать такие данные, как Estimated Time of Arrival (ETA)  -  приблизительное время до прибытия в заданную точку и Estimated Time Enroute (ETE)  -  время суток по прибытию в заданную точку маршрута.

Часть современных навигаторов обладают индикатором точности. С его помощью Вы сможете своевременно узнать об ухудшении точности определения координат. Это может происходить по нескольким причинам: может увеличиться активность в ионосфере, возникнуть отражение сигнала от различных препятствий или возникнут неполадки в самом навигаторе. Немаловажным аспектом здесь будет и местоположение спутников на небосклоне: как нам известно, антенны совершенно по-разному воспринимают сигналы от спутников, находящихся сверху или у линии горизонта. Тем самым индикатор точности позволяет нам увереннее чувствовать себя при выборе направления движения или его изменении, делая поправку на текущую погрешность измерения.

При покупке навигатора следует обратить внимание также на единицы измерения, которыми обладает устройство. Бели Вы планируете использовать GPS на море, то необходим навигатор, способный измерять расстояния в морских милях. На местности в России Вам понадобится навигатор, измеряющий расстояния и высоты в метрах, а не в футах и милях, скорость - в километрах в час. Оптимальным выбором будет навигатор, обладающий возможностью выбора системы измерения, причем раздельной  -  отдельно для расстояний, скоростей и высот.

Для тех, кто хочет получить максимально точные координаты (с точностью до 30-50 сантиметров), создатели системы GPS придумали интересную функцию  -  дифференциальный GPS (DGPS). В этой функции используется, помимо мобильного, еще и стационарный GPS приемник, обычно он принадлежит какой-нибудь компании, предоставляющей услуги навигации, или геодезической организации. Такой приемник располагается в точке с точно известными координатами. Такие стационарные приемники передают корректирующие данные. Ваш мобильный навигатор получает эти сведения вместе с сигналами со спутников, что намного повышает точность определения координат.

Первый стационарный приемник GPS был установлен в России в 1998 году недалеко от Санкт-Петербурга. Он позволяет использовать расстоянии около 170 км по суше и морю.

Разобравшись с основными функциями и свойствами, перейдем теперь к практическому их использованию. Для этого рассмотрим несколько типичных случаев, которые могут произойти с Вами на рыбалке, охоте или в туристическом походе. Самой распространенной ситуацией бывает выход на определенную точку. Допустим, Вы приехали на железнодорожную станцию, и, чтобы выйти к нужной части реки, Вам необходимо пройти через лесной массив. Постоянно пользоваться картой, компасом в густом лесу не всегда удобно. Тогда Вы измеряете азимут на реку с помощью карты от той точки, в которой находитесь, вводите эти данные в навигатор (точка River) и включаете функцию GOTO. После этого навигатор будет непрерывно показывать направление на точку River (как бы мы ни отклонялись от нее) и расстояние до нее.

Теперь рассмотрим случай, когда Вам необходимо привязать свое местоположение к карте, определить пройденное расстояние от предыдущего места. Допустим, увлекшись поиском рыбы, Вы ушли по реке в неопределенное место, где нет хорошо заметных ориентиров. Определите с помощью навигатора свои текущие координаты и создайте точку. Теперь возьмите точку, которая была привязана к карте, и координаты которой Вам известны. Примените функцию GOTO от текущей к известной точке: навигатор покажет азимут и расстояние. Отложив на карте такое расстояние с обратным азимутом, Вы узнаете свое текущее местоположение.

Немаловажным вопросом во время рыбалки, особенно когда приходится преодолевать большие расстояние или делать это в туман, является определение точки возврата. Например, на большом водохранилище Вы расставили жерлицы на нескольких участках, разнесенных друг от друга на несколько километров. Тогда при их постановке Вы можете вводить путевые точки, чтобы потом, даже в условиях плохой видимости, безошибочно к ним выйти или даже целиком записать маршрут своего движения  -  трек (об этом рассказывалось выше). При прохождении больших расстояний в течение нескольких дней или недель можно отмечать удобные места для стоянок и ночевок, чтобы при возвращении по тому же пути, можно было удобно рассчитывать свой маршрут.

Итак, в этой статье была кратко рассмотрена система GPS, наиболее важные функции GPS навигаторов и их практическое использование. Напоследок хочется сказать несколько слов с позиции пользователя. Навигатор  -  небольшой приборчик, но он обладает целым спектром очень полезных на рыбалке, да и в других случаях, свойств; очень прост в использовании, да и платить приходится только один раз  -  при его покупке: использование системы бесплатное. Выбор остается за Вами: с помощью этой статьи, надеемся, Вы сможете подобрать навигатор, удовлетворяющий Вашим желаниям.