Основы спутниковой навигации

В последние годы системы спутниковой навигации (GPS) стоят почти в каждом автомобиле и уже мало кто отваживается поехать по незнакомому маршруту без такого устройства, вооружившись лишь атласом. Сами устройства и программное обеспечение сделали большой рывок в сторону доступности и понятности, но вместе с тем есть несколько базовых понятий, без знания которых поездка с навигатором может значительно затянуться. В первой части статьи мы рассмотрим, что представляет из себя спутниковая навигация и GPS, какие бывают GPS приемники и навигаторы, чем они отличаются и как работают. Во второй части статьи перейдем к практике, рассмотрим ряд вопросов, связанных с GPS навигацией и типичными ошибками, которые допускают новички.
 
Как это работает
 
В последнее время очень часто приходится слышать от разных людей весьма суровый бред (по-другому это назвать не могу) относительно принципов работы и возможностей GPS. Сразу приведу опровержение нескольких распространенных ошибочных тезисов: Прибор GPS ничего не передает и не запрашивает; отследить Ваше местоположение по прибору нельзя; прибор не излучает никаких специфических электромагнитных волн; никаких сильных помех не создает; не опасен для человека и его можно безопасно носить в кармане (прием только ухудшится). Нельзя отключить какой-то конкретный прибор, если один прибор показывает координаты, а другой нет - значит, он неисправен. Если возникают проблемы на спутниках, то перестают работать все приборы сразу.
 
На самом деле, GPS - это приемник и принимает он радиосигналы со спутников и не более того! Эти радиосигналы представляют собой сигналы точного времени. Поскольку радиосигнал в пространстве распространяется не мгновенно, то благодаря разнице в этих сигналах, приходящих со спутников, он вычисляет расстояние до них и потом вычисляет Ваше положение в пространстве относительно этих спутников. 
 
От чего зависит точность координат
 
В первую очередь, конечно, от качества приема сигнала со спутников. Чем больше спутников "видит" (принимает и расшифровывает с них сигнал) Ваш GPS-приемник, тем больше входных данных для определения положения. Но это еще не все, поскольку положение вычисляется математическим способом, то все еще зависит от программы: насколько точно будет рассчитано положение. GPS приемники, как правило, выпускаются в виде модулей, которых не так много на самом деле. Из наиболее известных Sirf Star и Atlas. Если первый - это проверенный временем, надежный элемент, то второй - его более дешевый аналог. Разница весьма существенна, погрешность Atlas'a может доходить до десятков метров, когда Sirf Star вы

Классический GPS

дает точность до нескольких метров. Другие производители чипов, как правило, еще хуже и приобретать приборы, собранные на их базе, надо очень осторожно, прочитав отзывы других покупателей.
 
Устройства
 
Классический GPS. Как правило, это весьма громоздкое устройство, в прорезиненном корпусе из ударопрочного пластика. Наиболее распространены устройства фирмы Garmin различных моделей, от самых простых с черно-белым дисплеем, без встроенных карт, до самых сложных, с цветными дисплеями, встроенными картами. Работают такие приборы, как правило, на батарейках стандартных форматов. Никаких дополнительных сервисов типа "Пробки" не существует, и даже зачастую маршрут по дорогам они прокладывать не умеют. Но зато это очень надежные приборы, предназначенные для автономной работы в сложных условиях. Ими обычно пользуются охотники, рыбаки или люди, которым по долгу службы приходится проводить много время вне цивилизации - например, геологи. Также они пользуются популярностью у спортсменов и туристов.
 
PND (Персональное Навигационное Устройство)PND (Персональное Навигационное Устройство).  Наиболее распространенный вид, чаще всего его называют GPS-Навигатор. Представляет собой плоское устройство с дисплеем на всю площадь. Хоть и имеет встроенный аккумулятор, но держит он недолго, поскольку предназначен в основном для работы в автомобиле. Они умеют прокладывать кратчайший маршрут из точки А в точку Б, знают где находятся больницы, АЗС, магазины, автосервисы. Многие имеют сервис "Пробки". На таком устройстве стоит стороннее программное обеспечение в зависимости от страны и региона, где оно продается. В нашем регионе это ,как правило, CityGuide или Навител-Навигатор, также популярна программа iGo. Недостатком таких приборов, кроме маленького времени автономной работы и физической уязвимости, является очень низкий уровень детализации карт вне населенных пунктов. В лучшем случае прорисованы крупные дороги между населенными пунктами. Особняком в этом ряду стоят навигаторы фирмы Garmin: у них свое программное обеспечение, оно не совместимо с другими устройствами, и другое ПО на эти навигаторы поставить нельзя. Но надо отдать должное: ПО и карты фирмы Garmin очень хороши для тех, кто путешествует вне городских просторов. 
 
GPS-Приемник c ноутбукомGPS-Приемник.  Маленькая коробочка без дисплея, обычно снабжена светодиодом (одним или несколькими), отображающими режим работы. Предназначена для подключения к ноутбукам и ПК через порт USB или беспроводному интерфейсу Bluetooth (в этом случае снабжена аккумулятором, позволяющим работать, как правило, в течение нескольких десятков часов.). На ноутбуке или ПК, к которому подсоединен такой приемник, может стоять различное программное обеспечение для работы. Помимо узкоспециализированных программ, таких как OziExplorer, с такими приемниками умеют работать большинство простых картографических программ и сервисов, например Google Earth. Также на ноутбук можно поставить ПО фирмы Garmin. Преимуществом таких систем является гибкость, возможность использования нескольких программ одновременно, большой дисплей удобен для отображения детализированных карт. Недостаток: громоздкость - без помощника (штурмана) не обойтись.
 
Какой навигатор выбрать
 
Классический GPS - отлично подойдет, если Вы путешествуете не только на автомобиле, но и регулярно покидаете его. Грибникам, рыбакам, туристам. 
 
Устройства PND - для тех, кто ездит исключительно по городу.
PND от фирмы Garmin - для тех, кто город знает в совершенстве, а путешествует по необъятным просторам нашей планеты, но только по дорогам общего пользования и хорошим грунтовкам.
 
Навигатор на базе ноутбука - для тех, кому дороги не нужны. Если Вы путешествуете на подготовленном внедорожнике, то без множества специальных программ, позволяющих работать с различными типами карт - не обойтись. 
 
ЧАСТЬ 2
 
О том, какие бывают навигаторы, для чего они предназначены и как работают, мы выяснили в первой части статьи, теперь же перейдем к практике: расскажу о некоторых подводных камнях, которые рано или поздно встретятся на пути любого владельца GPS-приемника. А начинаются они тогда, когда пользователи, уже научившиеся работать со своим устройством или программой, начинают вносить данные вручную, используя географические координаты, а не адрес или непосредственно точку на карте. Для того, чтобы не совершать ошибок необходимо понимать что представляют собой географические координаты и что кроется под набором цифр, букв и символов.
 
Географические координаты
 
Наша планета делится на два полушария Северное и Южное. Кроме того отсчет координат идет к Западу и Востоку от Гринвича (Нулевой меридиан, проходящий через Лондон), это можно представить себе как разделение на полушария, только в другой плоскости.
 
Географическая координата записывается в виде двух цифр, которые обозначают удаление от Экватора и Гринвичского меридиана. Удаление от экватора называется - Широтой, а от Гринвича - Долготой. К широте и долготе добавляется направление, в котором мы удаляемся. Россия, Европа и Азия лежат в Северном Полушарии, к Востоку от Гринвича и все координаты, данные в этой зоне должны быть Северной Широты и Восточной Долготы. 
 
Если провести аналогию с декартовой системой координат, то за "0" принимается пересечение Гринвичского меридиана с экватором; широта - это X, долгота - это Y, а направление к северу/югу и востоку/западу - это знак "+" или "-". 
 
При работе с приборами GPS длинные словосочетания долготы и широты заменяют всего лишь одной буквой - первой буквой написания на английском языке N (North) - Северное Полушарие; S (South) - Южное полушарие и E (East) - Восточная долгота; W (West) - Западная долгота. 
 
Очень важно, чтобы при ручном вводе координат места назначения Вы не перепутали эти буквы - для России необходимо устанавливать координаты N,E! Поскольку система GPS - американская, то устройства и программы чаще всего по умолчанию настроены на Северное Полушарие к западу от Гринвича. Не забывайте проверять! 
 
Некоторые устройства и программы имеют возможность изменить значения по умолчания для этих параметров - смотрите настройки, читайте инструкцию к своему устройству или справку по программному обеспечению.
 
Представление координат
 
Кроме направления отсчета, в координатах так же имеется непосредственное значение координаты, которые записываются в виде чисел. Но вот тут то и возникает основная проблема - координаты могут быть записаны в трех различных представлениях:
 
 Градусы
 Градусы-минуты
 Градусы-минуты-секунды 
 
Если не заметить ошибку в выборе положения относительно экватора или Гринвичского меридиана практически невозможно, то ввести неправильно представление значения координат и промахнуться на несколько десятков километров - проще простого!
 
С первого взгляда может показаться, что последнее более точное представление, но это не так: точность во всех представлениях одинаковая - используются десятичные значения градусов или минут. 
 
Градусы
 
Координаты записываются в виде двух цифр формата XX.YYYYY°. Бывают случаи, когда знак градусов ° опускают, а точку заменяют запятой.
Пример написания: N60,04535 E30,12754
Важным является то, что в представлении присутствует всего одна точка(или запятая).
 
Градусы-минуты
 
Координаты записываются в виде двух цифр формата XX°YY.YYY'. Бывают случаи, когда знак градусов ° заменяют пробелом или даже точкой, знак минут ' опускают, а точку заменяют запятой. Примеры написания: 
N60 04.463 E30 12.254
N60.04,463 E30.12,254
Важным является то, что в представлении присутствует два разделителя (точки, запятых, пробела, °) 
 
Градусы-минуты-секунды
 
Координаты записываются в виде двух цифр формата XX°YY'YY.Y". Бывают случаи, когда знак градусов ° и минут ' заменяют пробелом или даже точкой, знак секунд " опускают, а точку заменяют запятой. Примеры написания: 
N60 04 46.3 E30 12 25.4
N60.04.46,3 E30.12.25,4
 
Важным является то, что в представлении присутствует три разделителя (точки, запятых, пробела, °')
 
Что же делать, если координаты в одном представлении, а Ваше устройство или программа предлагает ввести координаты в другом? Самый простой вариант - изменить настройки на нужное представление. Например в популярной программе для PND "Навител" это можно сделать в разделе "Меню-Настройки-Региональные-Единицы измерения-координаты". Большинство ПО для ноутбуков тоже имеют возможность переключения, например в OziExplorer это "Configuration-Map-Lat/Long Display"
 
Но есть и такие устройства и программы, как например CityGuide, где такая функция отсутствует. В это случае единственным выходом из ситуации является пересчет координат в необходимое представление. Ничего сложного в этом нет, просто надо помнить, что в одном градусе содержится 60 минут, в одной минуте 60 секунд.
 
Пересчет координат 
 
Для преобразования из градусов в градусы-минуты:
Целая часть градусов переписывается как есть; дробная часть градусов (она всегда меньше 1) умножается на 60, получается значение минут.
Пример: Имеются координаты N60.5643 E30.7543.
Широта: Целая часть 60, дробная часть 0.5643.
Записываем целую часть N60°;
умножаем 0.5643*60=33.858; 
Получается N60°33.858'.
То же самое с со второй координатой, долготой:
E30°;
0.7543*60=45.258 
Итоговые координаты: N60°33.858' E30° 45.258'
 
Для преобразования из градусы-минуты в градусы :
Целая часть градусов переписывается как есть; 
минуты (они всегда меньше 60) делятся на 60, и получается значение сотых долей градуса.
Пример: Имеются координаты N60°33.858' E30° 45.258'
Широта: Целая часть 60, минуты 33.858
Записываем целую часть N60°;
Делим значение минут 33.858/60=0.5643; 
Получается N60.5643°
То же самое с со второй координатой, долготой:
E30°;
45.258/60=0.7543 
Итоговые координаты: N60.5643° E30.7543°
 
Для преобразования из градусы-минуты в градусы-минуты-секунды: 
Значение градусов переписывается как есть; 
Целая часть минут переписывается как есть;
Дробная часть минут (она всегда меньше 1) умножается на 60, получается значение секунд.
Пример: Имеются координаты N60°33.858' E30° 45.258'.
Широта: Целая часть градусов 60, целая часть минут 33, дробная часть минут 0.858
Записываем целые часть N60° 33';
умножаем 0.858*60=51.48; 
Получается N60°33' 51.48".
То же самое с со второй координатой, долготой:
E30° 45';
0.258*60=15.48 
Итоговые координаты: N60°33' 51.48" E30° 45' 15.48"
 
Для преобразования из градусы-минуты-секунды в градусы-минуты: 
Значение градусов переписывается как есть; 
Значение минут переписывается как есть;
Значение секунд (оно всегда меньше 60) делится на 60, получается дробная часть минут.
Пример: Имеются координаты N60°33' 51.48" E30° 45' 15.48"
Широта: значение градусов 60, значение минут 33, значение секунд 51.48
Записываем целые часть N60° 33';
делим 51.48/60=0.858; 
Получается N60°33.858'.
То же самое с со второй координатой, долготой:
E30° 45';
15.48 /60=0.258;
Итоговые координаты: N60°33.858' E30° 45.258'.
 
Преобразование градусы в градусы-минуты-секунды и обратно производится через преобразование в градусы-минуты (т.е необходимо произвести два пересчета). Точность координат при любом пересчете не изменяется.
 
Датум
 
Существует еще один параметр в географических координатах: ДАТУМ - это, если выражаться понятным языком, некая точка отсчета координат. Наша планета - далеко не шар, и даже не эллипс, а предмет сложной формы, который называется Геоид. Для того, чтобы более точно определять позицию на планете и были придуманы датумы. Если ошибиться в выборе датума, то на местности координаты могут разойтись в несколько сотен метров. 
 
Как правило большинство современных приборов и программ используют датум WGS-84 (усредненный для всей планеты). Если в вашем приборе или программе нет возможности изменить этот параметр, то он настроен именно на WGS-84. Ровно как и координаты, для которых не указан датум, тоже принято считать в WGS-84. Но в большинстве функциональных программ, таких как OziExplorer, возможность работы с датумами реализована полноценно и следует быть внимательным при вводе координат. Еще более внимательными при сообщении координат другим людям!
 
Одна из самых распространенных ошибок происходит, когда один пользователь, передает координаты в письменном виде другому пользователю, забывая при этом о датуме. Очень часто программное обеспечение, работающего с ноутбуками и персональными компьютерами, такое как программа OziExplorer, использует локальные датумы, а не общий WGS84. Это связано с тем, что большинство топографических карт, имеют именно локальную привязку, в отличии от карт для PND и других GPS-навигаторов.
 
Как же поступить, если датумы не совпадают? Конечно лучше всего попросить того, кто предоставил вам координаты предоставить их в другом датуме, но если это не представляется возможным - можно внести данные как есть, просто надо помнить, что точность составляет несколько сот метров - обычно такой точности достаточно, чтобы найти необходимое место на земном шаре. Если же нужна исключительная точность, то необходимо воспользоваться программами пересчета координат из одного датума в другой.
 
 
Александр Обухов, специально для компании "Вездеход"