Существует множество задач, решение которых человечество ищет с незапамятных времен, одна из них — определение географического местоположения. За прошедшие столетия люди нашли немало способов ориентирования на местности (например, по солнцу или по звездам), изобрели ряд специальных приборов (компас, секстант), составили самые подробные карты. И тем не менее до недавнего времени не существовало средства вычисления координат, доступного в любой точке планеты при любых погодных условиях. Сегодня на роль такого универсального инструмента претендует так называемая система глобального позиционирования — GPS (Global Positioning System).
Если не рассматривать очевидные области применения системы GPS (авиационная и морская навигация, геодезия, спасательные службы, военная сфера и т. п.), круг ее потенциальных пользователей, на первый взгляд, довольно ограничен — охотники, яхтсмены, водители, т. е. все, кто так или иначе связан с постоянными перемещениями. Однако, оказывается, на самом деле она может быть полезной и в коммерческой сфере, позволяя мобильным работникам экономить время и бензин, а следовательно — деньги, и в сельском хозяйстве, где она помогает фермерам оптимально разбрасывать семена и удобрения, и в сейсмологии, где с ее помощью следят за сдвигами в земной коре. Да и вообще, наверняка среди владельцев автомобилей найдется немало тех, кто не отказался бы установить у себя средства GPS. Одним словом, перспективы массового применения данной системы огромные, и, думаю, объяснять, почему именно компьютерный журнал затронул эту тему, не требуется. На рынке уже предлагается немало соответствующих продуктов, но о них поговорим немного позже, отмечу лишь, что в последнее время GPS-устройства все более миниатюризируются, их встраивают в часы, в сотовые телефоны (кстати, некоторые аналитики пророчат, что в скором времени в каждом мобильном устройстве будет такая функция). Итак, что же GPS, собственно, собой представляет.
Немного истории. Разработка глобальной системы позиционирования была начата Министерством обороны США еще в 70-х гг., и тогда она называлась Navigating System with Timing and Ranging (NAVSTAR) — система навигации на основе расчета времен и расстояний. Первый спутник системы был выведен на орбиту в 1978 г., а последний — в 1994. Только в начале 90-х гг. систему открыли для массового использования, однако управление и контроль ею, естественно, по-прежнему осуществляется американскими военными.
В мире, разделенном на два некогда непримиримых лагеря, не могло не быть равновесия в военной сфере. Поэтому шли работы по созданию аналогичной системы и в СССР. И теперь уже российская система ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система) была развернута в космосе в 1996 г. Пока пользовательская аппаратура ГЛОНАСС не нашла широкого распространения, что связано с целым спектром проблем. В то же время на Западе многие производители начали выпускать приемники, способные принимать сигналы обеих систем. Поэтому сегодня, говоря о GPS-приемниках, имеют в виду вообще комплекс оборудования и программного обеспечения, предназначенного для определения пространственных координат. Так как принципы работы GPS и ГЛОНАСС большей частью совпадают, в дальнейшем будет идти речь о первой системе.
Итак, GPS состоит из трех основных сегментов — космического, пользовательского и сегмента управления.
Космический включает в себя 24 спутника, распределенных по шести орбитам радиусом около 20000 км. Период обращения каждого спутника составляет 12 часов. Спутники расположены таким образом, что одновременно в любой точке земного шара можно принимать сигналы с шести из них. Каждый спутник снабжен атомными часами, погрешность которых равна 1 секунде в 70000 тысяч лет; эти часы используются для синхронизации передачи.
Сегмент управления состоит из пяти мониторинговых станций, через которые осуществляется управление спутниками. В частности, с помощью таких станций производится отслеживание точных координат спутников, передача на них временных и пространственных поправок, данных о состоянии атмосферы (которое влияет на скорость распространения радиосигнала, а следовательно, на точность вычисления координат) и т. д. Мониторинговые станции расположены на базе ВВС США Schriever (бывшая Falcon) в Колорадо-Спрингс (главная станция управления системой GPS), на Гавайях и островах Куайалейн в Тихом океане, Диего-Гарсия в Индийском и на острове Восхождения в Атлантическом океане.
Наконец, к пользовательскому сегменту, как ясно из его названия, относятся приемники GPS, применяемые конечными пользователями.
Работают средства GPS следующим образом. Каждый спутник отправляет на Землю данные о своих точных координатах, времени и состоянии атмосферы (они, как отмечалось выше, передаются на спутники мониторинговыми станциями). На основании данных, полученных от нескольких спутников (трех или четырех), приемник GPS производит расчет местоположения пользователя.
Система глобального позиционирования поддерживает две службы — службу стандартного позиционирования Standard Positioning Service (SPS) и службу точного позиционирования Precise Positioning Service (PPS). Общедоступной является служба SPS. Она использует так называемый C/A-код (Coarse Acquisition) и позволяет вычислять координаты с точностью 100 м по горизонтали и 156 м по вертикали. Необходимо отметить, что потенциальная точность C/A-кода составляет порядка 30 м, однако в службе SPS она намеренно занижается с помощью так называемой техники избирательной доступности SA (Selective Availability), блокирующей доступ к ряду функций GPS. Сделано все это, как несложно догадаться, "в целях предотвращения нанесения ущерба национальным интересам США". Более того, не исключена возможность передачи спутниками заведомо слегка неточной информации, из-за чего ошибка в определении координат может увеличиться еще примерно на 10%. В частности, подобная техника была применена во время войны в Персидском заливе для предотвращения точного наведения на цели иракских ракет "СКАД".
Определить координаты с точностью до 22 м по горизонтали и 27,7 м по вертикали позволяет служба PPS, использующая другой, так называемый P-код (Precise), однако она является закодированной, и доступ к ней имеют только авторизованные пользователи, обладающие специальными криптографическими ключами.
Повысить точность определения координат можно с помощью техники дифференциального глобального позиционирования (Differential GPS — DGPS), которая часто применяется для отслеживания движущихся объектов. Суть ее заключается в следующем. Один приемник GPS, выполняющий функции базовой станции, помещается в точку с заранее известными координатами. Благодаря этому появляется возможность вычисления ошибок в координатах, выдаваемых системой GPS в данный момент времени. На основе значений этих ошибок рассчитывается поправка к координатам, передаваемая базовой станцией на другие приемники GPS, как правило, движущиеся и поэтому называемые "роверами" (rover).
Пожалуй, очевидно то, насколько тесно система GPS связана с информационными технологиями. В самом деле, мало получить координаты объекта — нужно еще их как-то обработать. Это могут быть как простые задачи, скажем, выбор оптимального маршрута, так и очень сложные, например расчет сдвигов в земной коре с целью предсказания землетрясений (подобные исследования ведутся в сети Southern California Integrated GPS Network (SCIGN)) или управление потоками транспортных средств. Разработкой разного рода программных систем на основе GPS и составлением карт (по сути — баз данных) различной сложности занимается достаточно большое число фирм. Приведем несколько примеров.
Так, компания GPZ Technologies (www.gpz.com) создала навигационную систему GlomaP-Z для компьютеров на базе Intel, работающих под управлением ОС Linux. Фирма Optimal Vector (www.optimal.vector.com) предлагает навигационное ПО для устройств типа PalmPilot PlaceTrace в комплекте с базовым ПО для ПК PlaceTraceBase, которое дает возможность выбирать и загружать на органайзер определенные карты, указывать ориентиры и т. д. Компанией TopoGrafix (www.topografix.com) предлагается навигационное ПО PanTerra, содержащее базу данных более 1,6 млн. ориентиров в США и позволяющее производить разнообразные путевые расчеты. Можно отметить также фирму DeLorme (www.delorme.com), уже на протяжении нескольких лет предлагающую навигационную систему для американских пользователей Street Atlas USA. Наконец, нельзя пройти мимо компании National Systems & Research (NSR) (www.nsr.com), которая поставляет как аппаратные навигационные средства (серия TC), так и комплексные программные системы мониторинга и управления движением транспортных средств SkyPath и SkyBase II, позволяющие, кроме всего прочего, осуществлять управление в режиме реального времени через Internet.
Конечно, в основной своей массе подобные продукты ориентированы прежде всего на американских пользователей. Однако, оказывается, над составлением карт для системы GPS в настоящее время работают и в Украине (в данном номере этой теме посвящен отдельный материал), так что, вполне вероятно, в скором времени ею без проблем можно будет пользоваться и у нас.
Теперь, наверное, пришло время немного поговорить о "железе". Здесь мы, опять же, как и в случае с ПО, нисколько не претендуем на полноту охвата, а постараемся лишь составить некоторое представление о том, какие могут быть приемники GPS.
В первую очередь, нас, естественно, будут интересовать те из них, которые работают во взаимодействии с компьютерным оборудованием. Подключение средств GPS к компьютеру осуществляется через внешний разъем, либо в компьютер устанавливаются дополнительные платы с разъемом, к которому затем подсоединяется внешняя система GPS. Широкий диапазон подключаемых к компьютеру приемников GPS предлагает компания Ashtech (www.ash-tech.com). Можно также отметить компании Elgalor Engineering (www.iinet.com.au/~elgalor) и Zeli Systems (www.zeli.com). Первая разработала систему GPS для мобильных пользователей LVNS (Laptop Vehicle Navigation System), подключаемую к ноутбуку через разъем RS-232 (стоит она всего $450), а вторая поставляет широкий спектр модулей сопряжения для подсоединения к ПК средств GPS, в том числе в виде плат ISA и PCI, а также в виде блока, вставляемого в гнездо для 3,5-дюймового дисковода. Наконец, уже упоминавшаяся выше DeLorm вместе со своим программным обеспечением предлагает компактный GPS-приемник Earthmate, который подключается к мобильному компьютеру.
Весьма широко представлены на рынке и автономные портативные (можно сказать, потребительские) GPS-приемники. Например, в Америке довольно популярно устройство CoPilot, предлагаемое компанией Navtrak (www.teleport.com/~navtrak). Также следует отметить GPS-приемник PathMaster компании Magellan (www.magellandis.com). Ну и конечно же, как тут не вспомнить Casio, которая задолго до "часов—MP3-плейера" и "часов—цифровой камеры" выпустила "часы—GPS-приемник" PATHFINDER PAT1GP-1.
Потенциально перспективным, по крайней мере в Америке, считается и рынок автомобильных систем GPS. Среди поставщиков таких продуктов можно, например, выделить все ту же Magellan с ее системой 750NAV. Кроме того, бортовые навигационные системы в свои автомобили высокого класса устанавливают многие ведущие автопроизводители; GPS-приемники интегрируются также в некоторые автомобильные стереосистемы. По мнению ряда аналитиков, последний вариант — один из наиболее удачных, однако массовое распространение таких продуктов станет возможно лишь тогда, когда цена их будет только чуть-чуть выше цены высокоуровневых автомобильных музыкальных центров, т. е. где-то в районе $500—800.
Если же говорить о перспективах рынка систем GPS вообще, то здесь специалистами на ближайшие годы предсказывается ежегодный 25%-ный рост, и, по некоторым прогнозам, в 2003 г. объемы продаж на нем достигнут 16 млрд. долл.