Глобальне супутникове позиціонування. Що таке GPS і як воно змінило світ

XX століття подарувало безліч винаходів, які назавжди змінили наш спосіб життя. Телебачення, комп’ютери, Інтернет і мобільні телефони. Але є ще одна технологія, без якої сучасне суспільство не зможе функціонувати у звичному режимі. Йдеться про системи глобального супутникового позиціонування.

Як дізнатися, де ми перебуваємо

Протягом більшої частини людської історії визначення поточного місцеперебування залишалося вельми нетривіальним завданням. Для його розв’язання потрібно отримати два значення: широти й довготи. З широтою було простіше. У північній півкулі досить виміряти кут між горизонтом і Полярною зіркою. Він буде дорівнювати географічній широті місця спостереження.

Ситуація з довготою залишалася значно складнішою. Різні вчені й мандрівники пропонували кілька способів її визначення, але для їх реалізації потрібні складні астрономічні інструменти й обчислення. Простіший метод вимагав порівняння місцевого часу з точним у референсній точці (місці з уже відомими координатами), але відсутність надійних хронометрів унеможливлювала його практичне застосування. Лише у другій половині XVIII століття з’явилися досить точні механічні годинники, що дозволили знизити похибку під час вимірювання довготи до прийнятної величини.

Годинник Джона Гаррісона – перший в історії достатньо точний хронометр, що вирішив проблему визначення довготи. Джерело: Gear Patrol

Наступним важливим проривом став винахід радіо. Якщо навести антену на два рознесених радіомаяки, положення яких вже відоме, то за допомогою тріангуляції можна визначити поточне місце розташування. Тривалий час цей метод використовувався для визначення координат літаків і кораблів.

Після запуску в 1957 році першого радянського супутника група американських вчених спробувала отримати сигнал його радіопередавача. Провівши кілька спостережень, вони виявили, що завдяки ефекту Доплера частота сигналу збільшується при наближенні апарату до спостерігача і зменшується при його віддаленні. Врешті вчені зрозуміли, що якщо точно знати свої координати на Землі, то з радіосигналу можна виміряти положення та швидкість космічного апарата. І навпаки, знання точного положення супутника дозволяє визначити власну швидкість і координати.

З очевидних причин цією концепцією зацікавилися військові. Уже наприкінці 1950-х Пентагон приступив до створення першої супутникової навігаційної системи TRANSIT. Спочатку вона призначалася виключно для потреб флоту, але за кілька років її почали використовувати і для розв’язання деяких цивільних завдань. Похибка у визначенні положення стаціонарного об’єкта за допомогою TRANSIT становила всього 60 м, що на ті часи було досить непоганим показником.

Супутник Timation на якому в 1967 р. випробовувався атомний годинник. Джерело: NASA

У 1967 році американці провели важливий експеримент з перевірки надійності роботи атомних годин у космосі. Його успіх відкрив шлях до створення навігаційних апаратів наступного покоління, здатних забезпечити набагато більшу точність визначення положення. Проєкт отримав назву Navstar, але пізніше у побуті за ним закріпилося звичне позначення GPS (Global Positioning System). Перший супутник системи був запущений 1978 року.

Розробники GPS навряд чи припускали, яке широке застосування знайде їхнє дітище. Замовником системи був Пентагон і, зрозуміло, генерали не планували ділитися новітньою розробкою зі звичайними громадянами. Все змінилося після того, як у вересні 1983 року радянський винищувач збив із курсу південнокорейський Boeing 747. У результаті президент США Рональд Рейган дозволив використання GPS для цивільних користувачів, щоб запобігти повторенню подібних інцидентів.

Справжнім зоряним часом для GPS стала «Буря в пустелі». Система повною мірою продемонструвала свою ефективність, істотно полегшивши життя американським військовим. Солдати, які поверталися додому, купували GPS-навігатори, щоб використовувати їх у побуті. Це стимулювало виробників створювати компактніші версії подібних пристроїв.

Варто зазначити, що спочатку існувало два сигнали GPS — точний і з погіршеними характеристиками. Перший призначався для американських військових, другий — для всіх інших користувачів. Але з часом компанії-оператори розшифрували алгоритм зменшення точності й навчилися його компенсувати. У результаті США повністю відмовилися від подібної практики у 2000 році.

Як GPS підтримує наше звичне життя

На перший погляд, GPS може здатися не такою вже й критично важливою технологією — особливо якщо ви не військовий, рятувальник, таксист або мандрівник. Більшість з нас, швидше за все, асоціює глобальну супутникову навігацію з пошуком маршрутів, відстеженням заторів і мобільними додатками для замовлення автомобілів: звичайно, це зручно, але не є необхідністю.

Проте таке враження оманливе. Насправді супутникова навігація вже давно застосовується у різних сферах діяльності — від туризму до логістики. Так, одним з найперспективніших напрямів використання GPS є підвищення ефективності сільського господарства. Супутникові трекери вельми успішно допомагають контролювати переміщення спецтехніки та витрати палива. Також їх можна застосовувати для визначення площ полів і оброблених ділянок, точного висівання насіння і внесення добрив, обліку робочого часу тощо.

Без супутникової навігації вже практично неможливо уявити роботу сучасних транспортних служб і сервісів. GPS дозволив їм повністю відмовитися від паперових карток. Супутники допомагають складати найоптимальніші маршрути перевезень, що дозволяє прискорити час транспортування вантажів і знизити витрати на паливо і обслуговування техніки.

GPS уможливив і появу численних модних сервісів з прокату транспорту — від велосипедів до електросамокатів. Використання супутникової навігації набуває популярності й у сфері активного відпочинку. Навігатори дозволяють краще спланувати шлях, фіксувати поворотні точки та навіть допомагають шукати перспективні місця для риболовлі.

Глобальне позиціонування активно використовується і в роботі служб екстреної допомоги. Завдяки встановленим на машинах трекерам, диспетчер може бачити поточне розташування всіх чергових бригад і відправити на виклик найближчу з них. У розробці вже перебувають системи, які зможуть повністю автоматизувати цей процес.

Також супутникова навігація може допомогти сім’ї у пошуку родича, який страждає на погану пам’ять. Персональні GPS трекери дозволяють контролювати переміщення людини і визначити перебування у разі, якщо вона загубиться чи забуде дорогу додому.

Джерело: Everything For Dads

У цілому ж GPS вже настільки глибоко увійшов у наше життя, що раптом з якихось причин припинить роботу, це може занурити світ у справжній хаос. Наприклад, сучасні автоматизовані портові крани працюють, використовуючи супутниковий сигнал. Якщо він зникне, це унеможливить нормальне розвантаження судів, звичний ланцюг поставок перерветься, заводи не отримуватимуть сировину, магазини — потрібні товари.

Навіть більше, функції GPS уже давно не обмежуються лише простою геолокацією. Систему давно використовують для визначення точного часу. Навігаційні супутники оснащені атомними годинниками, робота яких повністю синхронізована. Якщо з якоїсь причини вони дадуть збій або вийдуть з ладу, це призведе до низки дуже неприємних наслідків. Найбільш очевидним з них стануть помилки у визначенні положення з розбіжністю у кілометри. Але справа не обмежиться лише цим.

GPS-синхронізація за часом застосовується у роботі стільникового зв’язку. Завдяки їй розпізнаються дзвінки. Без навігаційних супутників мобільні мережі просто вийдуть з ладу. Також виникнуть серйозні проблеми з банківськими транзакціями, біржовими торгами, цифровим телебаченням й іншими сервісами, що використовують GPS-синхронізацію. Відбуватимуться збоїв роботі громадського транспорту, енергосистем і різних міських служб. На деякий час повністю зупиниться авіасполучення. Кожен день без GPS буде приносити світовій економіці багатомільярдні збитки.

Навряд чи варто говорити, що за відсутності GPS боєздатність багатьох армій серйозно знизиться. Без глобальної навігації стануть даремними суперсучасні дрони, розумні бомби й значна частина наземної техніки.

Перспективи й альтернативи GPS

Не дивно, що багато країн так прагнуть обзавестися власними навігаційними системами. У XXI столітті у GPS з’явилась низка конкурентів: 2010-го завершилося розгортання російської системи ГЛОНАСС, з 2016 року запрацювала європейська навігаційна система Galileo,власний аналог GPS розробила і Піднебесна. Китайська система «Бейдоу» стала повністю функціональною у 2020 р.

Супутник системи Galileo. Джерело: ESA

Деякі держави, що не можуть дозволити собі власну глобальну навігаційну систему, працюють над створенням її регіональних версій. Згадаймо Індію. Нещодавно країна завершила розгортання супутникової системи IRNSS. Вона дозволяє визначати місцеперебування об’єктів на своїй території, суміжних держав, а також в акваторії Індійського океану.

Оригінальна GPS також не стоїть на місці. У грудні 2018 року США приступили до розгортання супутників наступного покоління (версія Block III), які поступово замінять старі апарати. Вони дозволять збільшити точність і надійність системи. За оцінками, вартість модернізації GPS перевищить 12 млрд доларів.

Та попри всі переваги, не можна сказати, що майбутнє супутникової навігації є абсолютно безхмарним. GPS — це своєрідна ахіллесова п’ята сучасної цивілізації. За будь-якого військового конфлікту між провідними державами навігаційні супутники, мабуть, стануть найпершою ціллю для атаки. Навряд чи варто зайве повторювати, до яких наслідків може призвести їх знищення.

Існуванню GPS можуть загрожувати не лише бойові дії. Не варто забувати й про Сонце. Час від часу воно виробляє потужні спалахи, що призводять до виникнення суперштормів. Найвідоміший спалах відбувся в 1859 році Найпотужніша геомагнітна буря, що увійшла в історію як подія Каррінгтона, вивела з ладу телеграфні системи Європи й Північної Америки. На думку багатьох вчених, якби аналогічна ситуація повторилася сьогодні, вона цілком могла б призвести до повного краху навігаційних супутників.

Виникає резонне питання: чи є у людства якась альтернатива супутникової навігації? Експерти вже давно попереджають, що занадто сильне захоплення GPS може вилізти нам боком, і закликають землян мати запасні варіанти. Одним з них є система наземної радіонавігації eLoran. Вона може використовуватися як резервний метод для визначення координат повітряних і морських суден. Але, на превеликий жаль, eLoran не покриває всю планету. До того ж, її точності недостатньо, щоб перейняти всі функції GPS.

189-метрова вежа, збудована у 1947 році для радіонавігаційної системи LORAN у Кембриджській затоці (Канада). Джерело: wikipedia.org

Ще один перспективний варіант — пульсарна навігація. Її суть полягає у визначенні координат за допомогою випромінювання пульсарів — нейтронних зірок, що утворилися у результаті спалахів наднових. Вони випускають імпульси в радіо-і рентгенівському діапазоні зі строгою періодичністю, що робить їх непоганими кандидатами на роль природних радіомаяків.

На жаль, пульсарна навігація також не може замінити GPS. Щоб отримати сигнал від пульсара, потрібно мати досить велику антену. Цю технологію можна було б застосовувати для визначення положення літаків і морських суден — не більше того.

Отже, на сьогодні немає повноцінної альтернативи супутниковій навігації. А це означає, що завжди існуватиме певний ризик, що робота системи буде порушена. Звичайно, нам не під силу Сонце,але, принаймні, людство може докласти всіх зусиль, щоб не допустити дій, які можуть поставити під загрозу роботу GPS.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Долучайтесь: https://t.me/ustmagazine

Popular:

Що таке IPS? – Вступ до внутрішньої системи позиціонування

Технологія є найбільшим досягненням незвичайної людської уяви. З точки зору локації та навігаційних технологій, GPS (Глобальна система позиціонування), який забезпечує точне розташування на відкритому повітрі на основі супутникових сигналів, був великим кроком вперед у 20 столітті, при цьому IPS (Система позиціонування в приміщенні) відкрив цілий новий світ усередині приміщень, де GPS не працює належним чином. У цій статті, ми познайомимо вас із системою позиціонування в приміщенні та окреслимо різні доступні технології.

Що таке IPS?

Розміщення в приміщенні, також називається відстеженням розташування в приміщенні, це мережа пристроїв, які використовуються для визначення місцезнаходження людей або об’єктів у замкнутому просторі, де сигнали GPS недостатньо сильні. Простіше кажучи, це можна пояснити як «приміщення GPS». Так само, як GPS допомагає людям знаходити об’єкти в будь-якій точці землі, IPS робить те саме, але у великих закритих приміщеннях, таких як вокзали, Торгівельні центри, лікарні, і підземні місця. Система внутрішнього позиціонування дає вам можливість точно визначити розташування об’єктів усередині будівлі, зазвичай через мобільний пристрій, наприклад смартфон або планшет.

IPS може бути важливою для покращення вашого досвіду позиціонування в приміщенні. За оцінками, більше ніж 70% часу людина проводить у приміщенні, тому залишається великий попит на технології для надання послуг локації в приміщеннях, і це також велика ринкова можливість для постачальників технології IPS. IPS може не бути необхідністю для повсякденних справ, але це абсолютно необхідно під час доступу до середовища, з яким ви не знайомі, особливо в екстрених випадках, коли сигнали GPS дуже слабкі, наприклад, ліквідація наслідків стихійних лих у багатоповерховому будинку, вугільна шахта, тощо.

Чому потрібне розміщення в приміщенні

Чимало людей цікавляться, чому GPS не можна використовувати в приміщенні. Якщо у вас така ж плутанина, просто читайте далі і дізнайтеся, чому системи позиціонування всередині приміщень сьогодні в моді.

Неточність сигналів GPS при використанні в приміщенні

Успіх GPS змінив наше ставлення до технологій. Однак, його ефективність добре працює лише на відкритому повітрі та не відповідає очікуванням щодо складних внутрішніх умов. Оскільки технологія GPS використовує сигнали супутників на орбіті, ці сигнали серйозно погіршуються дахами та стінами, як тільки супутникові хвилі намагаються пробити бар’єри та проникнути в будівлі. Зазвичай, GPS може досягти точності 5-10 м на відкритій місцевості, де немає прилеглих високих будівель, які можуть блокувати сигнали.

Широке застосування точного позиціонування

Широке застосування точного позиціонування посилило попит на послуги систем позиціонування всередині приміщень. Поки була потреба, Системи внутрішнього позиціонування стають все більш важливими в різних секторах завдяки їхнім перевагам підвищення ефективності обслуговування. За межами досяжності сигналів GPS, Послуги IPS використовуються галузями промисловості, включаючи комерційні, охорона здоров’я, військовий, або відстеження запасів на складах. В даний час, не існує стандарту для системи IPS, і компанії, в тому числі найвідоміші Google і Nokia, борються за надання цих рішень клієнтам.

Як працюють системи позиціонування в приміщенні

Перш ніж зануритися в технології IPS, важливо побачити, як це працює. Подібний до принципу передавача-приймача GPS, IPS працює за таким же принципом. Використовуючи різноманітні маяки і теги, IPS оцінює місцезнаходження цільового об’єкта на основі зібраних даних спостереження. Для відстеження об’єктів у будівлі, стаціонарні маяки (якоря) розгорнуті для прийому сигналів, що передаються від мобільних маяків (теги) прикріплені до відстежуваних об’єктів. Якір отримує сигнали від тегів і пересилає їх на сервер, який потім обчислює місцезнаходження об’єкта в реальному часі.

Види технологій внутрішнього позиціонування

На відміну від супутникового GPS, IPS — це суміш багатьох різних технологій, в тому числі на основі радіо, оптичний, акустичний, і магнітні технології, хоча кожен має свої переваги та обмеження. Різні технології та методи IPS йдуть пліч-о-пліч до інтеграції для кращої точності. У наступній частині буде показано класифікацію за допомогою різних типів сигналів.

IPS з використанням радіосигналів

Радіотехнології широко використовуються в системах позиціонування всередині приміщень, оскільки ці сигнали можуть проходити через багато матеріалів, які зазвичай зустрічаються на робочих місцях., в тому числі Wi-Fi, Bluetooth, Зігбі, Ідентифікація радіочастот(RFID), Надширокосмуговий(UWB), Радіо виявлення та визначення дальності (РАДАР). Такі системи можуть виявляти положення об’єктів за допомогою радіосигналів, що поширюються від передавачів до приймачів.

IPS з використанням оптичних сигналів

Хоча оптичні сигнали – це свого роду електромагнітне випромінювання, вони дуже відрізняються від радіохвиль. Містить світловипромінювальні та світловідбиваючі об’єкти, цей тип внутрішньої системи позиціонування включає інфрачервоні системи, Зв’язок у видимому світлі(VLC), Виявлення світла, і діапазон (ЛіДАР).

IPS з використанням акустичних сигналів

Акустичні сигнали складаються з хвиль тиску, що поширюються по повітрю. Через те, що звук поширюється набагато повільніше, ніж електромагнітні сигнали, виміряти період часу стає набагато легше. Ці системи можуть бути високоточними, але оскільки тверді поверхні блокують сигнали, вони, як правило, життєздатні лише в більших, відкриті приміщення, включаючи ультразвук і звуковий сигнал.

IPS з використанням магнітного поля

Щоб визначити місцезнаходження людини або предмета, системи внутрішнього позиціонування на основі магнітного поля Землі використовують магнітометри для вимірювання коливань магнітного поля. Сигнали бездротової мережі не потрібні, і оцінка місця розташування зазвичай досягається такими методами, як зняття відбитків пальців.

Загальні випадки використання IPS

Термін IPS є широким і може застосовуватися майже в галузях промисловості, де необхідне точне розташування живих або неживих об’єктів у внутрішньому просторі.. Чи то в торгових центрах, парки розваг, транспортні вузли, лікарні, університети, або навіть великих корпоративних офісів, IPS зробить ваше місце розташування та навігацію приємною подорожжю за допомогою програми на вашому смартфоні. Внизу, ми вибрали кілька поширених випадків використання IPS.

Аеропорти та залізничні вокзали

У транспортних вузлах, будь то у великих аеропортах, залізничні станції, або автостанції, внутрішня система позиціонування дуже допомагає пасажирам. Люди можуть визначити місцезнаходження в межах станції та знайти менш людний шлях до своїх транспортних засобів за допомогою планів приміщень. Транспортні вузли також можуть застосовувати технології внутрішнього позиціонування, щоб забезпечити кращий досвід для мандрівників.

Промисловість і виробництво

Використання внутрішніх систем позиціонування в промисловості та виробничих секторах зростає в останні роки, з метою підвищення безпеки праці, зниження вартості, і економія часу в процесах. Особливо на великих заводах, система внутрішнього позиціонування дуже допомагає в контролі активів, логістика, та реагування на надзвичайні ситуації.

Торгівельні центри

IPS можна використовувати не тільки для покращення досвіду покупок для споживачів, а й для маркетингових кампаній на основі місцезнаходження, які проводяться постачальниками. нормально, ці торгові центри великі і часто супроводжуються складною інфраструктурою. На основі ресурсів спільного посібника, відвідувачі могли витрачати менше часу на пошук бажаних товарів і отримати актуальну інформацію про те, що їм легко доступно в торговому центрі.

Лікарні десятиліттями намагалися вирішити проблему орієнтування в приміщенні. Система позиціонування в приміщенні може допомогти відвідувачам легко орієнтуватися, тим самим зменшуючи стрес і пізні приїзди. Крім того, лікарі та інший персонал також можуть отримати велику користь, що дозволяє швидко знаходити медичне обладнання, локалізувати пацієнтів у певному діапазоні, і уникайте затримок у надзвичайних ситуаціях.

Багатоповерхові автостоянки

Багатоповерхові автостоянки зазвичай будують під торговими центрами та великими офісними будівлями, де немає сигналу GPS. Розумна система паркування з використанням технологій позиціонування всередині приміщень може відстежувати заповненість паркувальних місць і допомагати водіям прокладати маршрути до найближчого вільного місця. В додаток, цифрові карти на базі IPS можуть бути створені для забезпечення навігації та зручного доступу до транспортних засобів.

Чим відрізняються IPS і GPS

Чимало людей можуть заплутати, коли справа доходить до різниці між GPS та IPS, оскільки вони виконують схожі завдання та мають схожі абревіатури. Насправді, IPS можна розглядати як подальший розвиток і розширення GPS. Як ми згадували раніше, Найбільша різниця між IPS і GPS полягає в області застосування. Один точно підходить для внутрішнього середовища, а інший практично розроблений для відкритих просторів.

Через величезну різницю між відкритим і внутрішнім простором, Прийняття технології IPS і GPS абсолютно різне. Приймач GPS повинен зафіксувати сигнали від трьох або більше супутників, щоб визначити місцезнаходження та відстежувати рух, тоді як IPS застосовує різноманітні технології для більш точних вимірювань. Варто зауважити, що GPS для приміщень є предметом постійних досліджень, і в майбутньому можуть з’явитися нові варіанти.

Навігація в приміщенні те ж саме, що й позиціонування в приміщенні

Навігація в приміщенні та позиціонування в приміщенні насправді є двома окремими програмами, які поєднуються разом, щоб надавати користувачам покращений досвід пошуку шляху. Позиціонування в приміщенні дозволяє користувачам точно визначити своє місцезнаходження всередині будівлі, а навігація в приміщенні запропонує шлях до бажаного місця призначення. Простіше кажучи, різниця, позиціонування або відстеження в приміщенні пасивно записує дані, тоді як навігація в приміщенні активно пропонує користувачам слідувати шляхом.

Навігація в приміщенні поєднує технологію позиціонування в приміщенні з пошуком шляху, щоб показати блакитну точку на карті приміщень, яка рухається разом з користувачем у реальному часі. Без внутрішньої навігаційної системи, буде відображено ваше поточне місцезнаходження, але маршрутів немає, і якщо в приміщенні немає системи позиціонування, користувачі планів приміщень повинні вибрати початкову та кінцеву координати на карті. Саме за допомогою систем внутрішнього позиціонування можна створити ефективну інтерактивну навігацію в приміщенні.

Дізнайтеся про апаратне забезпечення MOKOSmart IPS

MOKOSmart є надійним партнером для видатного обладнання та програмного забезпечення Інтернету речей. Наша команда надає широкий асортимент надійних і ефективних маячків для внутрішньої системи позиціонування. Незалежно від того, чи є ваша мета підвищення продуктивності, покращити залучення клієнтів, або зменшити ризики, якщо у вас є якісь сумніви щодо точного позиціонування в приміщенні та технології відстеження, ви можете надіслати інформацію нашій технічній команді для консультації.

Фіона, технічний письменник і редактор у MOKOSMART, раніше витрачених 10 років як інженер продукту в компанії IoT. З моменту приєднання до нашої компанії, вона тісно співпрацювала з продажами, менеджери з продукції та інженери, отримання інформації про потреби клієнтів. Поєднання глибокого галузевого досвіду та розуміння того, чого клієнти хочуть найбільше, Фіона пише цікавий контент, що охоплює основи IoT, поглиблені технічні матеріали та аналіз ринку – підключення до аудиторії в усьому спектрі IoT.

Фіона, технічний письменник і редактор у MOKOSMART, раніше витрачених 10 років як інженер продукту в компанії IoT. З моменту приєднання до нашої компанії, вона тісно співпрацювала з продажами, менеджери з продукції та інженери, отримання інформації про потреби клієнтів. Поєднання глибокого галузевого досвіду та розуміння того, чого клієнти хочуть найбільше, Фіона пише цікавий контент, що охоплює основи IoT, поглиблені технічні матеріали та аналіз ринку – підключення до аудиторії в усьому спектрі IoT.