Что такое GPS, и как он работает

GPS (сокращение от Global Positioning System – Система Глобального Позиционирования) – спутниковая навигационная система, обеспечивающая возможность получения точных координат и времени практически в любой точке Болгарии и земного шара. GPS – это сокращенное «гражданское» название, полное название – GPS NAVSTAR (от Navigation System with Timing and Ranging – навигационная система, основанная на измерении времени и дальности). Система эта работает под управлением Министерства обороны США, и ее главным назначением является быстрое и точное позиционирование армейских подразделений. Система NAVSTAR имеет 24 рабочих спутника с орбитальным периодом в 12 часов на высоте примерно 20 200 км от поверхности Земли.

Точные координаты точки на поверхности Земли можно вычислить, зная расстояния от нее (точки) до трех спутников, если известно их положение в пространстве. Опишем вокруг каждого из них сферу с радиусом, равным этому расстоянию. Пересечение двух сфер образует окружность, причем наше местоположение будет расположено где-то на ней (см. рис.). Три сферы одновременно пересекутся в двух точках этой окружности. А так как одна из этих точек не попадает на поверхность Земли, то трех спутников вроде бы достаточно для определения, но приходится все-таки использовать четыре спутника.

Все спутники обращаются по строго фиксированным орбитам, параметры которых известны. Станции слежения непрерывно отслеживают малейшие отклонения и передают данные в центр управления. Это дает возможность в любой момент времени вычислить положение любого спутника относительно Земли с очень высокой точностью. Осталось только измерить расстояние от GPS приемника до спутника.

Для этого на спутнике и в приемнике одновременно генерируется одинаковый код. Приемник сравнивает входящий сигнал со своим и определяет, когда он генерировал такой же код. Полученная задержка, умноженная на скорость света (~300 000 км/с), дает искомое расстояние. Так как код должен генерироваться на спутнике и в приемнике синхронно, качество вычисления напрямую зависит от точности хода часов. На спутниках установлены атомные часы, имеющие точность около одной наносекунды. Причем для надежности на борту стоят не одни часы, а четыре. Но в каждый GPS приемник такие часы не поставишь – их стоимость около ста тысяч долларов, да и в карман они не поместятся. Однако для устранения ошибок, которые возникают из-за рассогласования часов, можно использовать измерения от четвертого спутника. Если часы синхронизированы, то четыре сферы, описанные вокруг спутников, будут пересекаться в одной точке. Если же часы в приемнике спешат или отстают, то рассчитанные сферы будут пересекаться не в одной точке. Тогда компьютер в приемнике начинает вычитать (или добавлять) время, чтобы свести все измерения к одной точке. Так вычисляется и устраняется ошибка часов.

Нет монополистам!

Если система GPS NAVSTAR разрабатывалась для американской армии, то логично предположить, что существует и другая, предназначавшаяся для советской армии. Эта система называется ГЛОНАСС – Глобальная Навигационная Спутниковая Система – и предназначена для выполнения тех же задач, что и ее заокеанский аналог. Причем это было не копирование американской системы – работы над ГЛОНАСС начались раньше, чем над NAVSTAR, а применяемые в ней методы кодировки и приема сигнала обеспечивают большую точность.

К сожалению, в связи с распадом СССР система ГЛОНАСС так и не была завершена – для надежного покрытия всей поверхности Земли необходимо как минимум 24 спутника, а на данный момент в ее составе находится всего 13 работающих спутников. (В конце 90-х годов оставалось только 3 спутника, но, начиная с 25 декабря 2002 года, спутниковая группировка восстанавливается.)

Впрочем, для туристов пользы от ГЛОНАССа все равно никакой. Во-первых, из-за любви наших властей к засекречиванию использовать ГЛОНАСС можно только тем, кто имеет допуск к секретным материалам. А во-вторых, переносные приемники ГЛОНАСС стали выпускаться лишь несколько лет назад, и то только в виде модулей для подключения к компьютеру.

Военные технологии на службе туристам

Впервые мне довелось пользоваться GPS лет десять назад, во время парусных гонок на кубок Онежского озера. В нашей стране яхтсмены были первыми, кто стал применять портативные GPS навигаторы. Яхты, оснащенные GPS, имели явное преимущество: они точнее выходили на поворотный знак, и их самые опытные члены команды не отвлекались на штурманские задачи. Интересный случай произошел уже после гонок, когда экипажи и яхты возвращались в Москву на попутном сухогрузе. Утром над озером стоял туман, и судно заблудилось. Радиомаяк у входа в реку Вытегру (начало Волго-Балтийского канала) не работал, а других ориентиров в тумане было не видно. Так и блуждали в тумане, пока яхтсмены не пришли на помощь. Возможности GPS произвели впечатление на капитана сухогруза, но больше всего его шокировал тот факт, что стоимость этого приборчика меньше стоимости того количества солярки, которое его судно сожгло за два часа бесплодных поисков входа в Вытегру.

Сейчас GPS перестал быть экзотикой. Многие туристы прокладывают свои маршруты с его помощью. Рассмотрим типичные ситуации, в которых может быть полезен GPS.

1. Возвратиться к запомненной точке.

Самый простой и при этом самый востребованный случай использования GPS. Например, заехали по грунтовке в лес и пошли за грибами. Вернуться потом к машине без GPS очень сложно. То же самое в походе, когда надо сходить налегке разведать дорогу и вернуться к оставленному рюкзаку или лагерю. Часто в сложных походах часть продуктов, а иногда и снаряжения, прячется где-то на маршруте, чтобы забрать их, когда группа будет снова проходить поблизости (так называемая «заброска» или «базовка»). Отыскать потом «тот самый кедр», под которым спрятали заброску, бывает довольно сложно.

В этом случае достаточно запомнить текущую точку (waypoint) и дать ей название, например «Лагерь». Как только вам захотелось вернуться, выбираете точку «Лагерь», и навигатор тут же укажет направление на лагерь и расстояние до него.

Аналогично можно запомнить любое место, которое чем-то примечательно. Например, все возможные варианты для ночевки. Тогда на обратном пути, глядя в GPS, можно прикинуть: стоит ли разбивать лагерь тут или пройти еще два с половиной километра до следующей удобной поляны?

Можно записать не только одну точку, но и последовательность точек вдоль вашего пути, так называемый трек (track). Запись ведется автоматически. В этом случае навигатор поможет вам полностью повторить ваш путь.

2. Определить свое местоположение на карте.

Вы потеряли ориентировку, находитесь неизвестно где, видимых ориентиров нет. Но есть карта с координатной сеткой, совпадающей с используемой в вашем навигаторе. Ваш навигатор выдал текучие координаты, но пересчитывать градусы в километры, а точнее в сантиметры, чтобы найти свое место на карте, довольно сложно.

Облегчить эту задачу может следующий прием. С помощью GPS определите текущие координаты, создайте точку и примените функцию движения к заданной точке (Goto) от этой точки к точке, соответствующей ближайшему пересечению координатной сетки. GPS покажет расстояние и азимут до нее.

Но, к сожалению, хорошие карты все еще труднодоступны в нашей стране. Тем более что системы координат, применяемые на отечественных картах (Пулково-42) и заложенная по умолчанию в GPS (WGS84), не совпадают. (В некоторых моделях навигаторов систему координат можно поменять.) Большинство имеющихся в продаже карт вообще лишены координатной сетки. Поэтому карту надо «привязать». Для этого надо измерить по GPS координаты места, точно идентифицированного на карте. Например, перекресток автомобильных дорог, вершина горы, место слияния двух рек. В дальнейшем эту точку можно использовать в качестве опорной точки при определении своего местоположения.

3. Определить расстояние до нужной точки и направление на нее.

По карте вы наметили цель своего пути, например, берег озера. Очевидной дороги туда нет, если по пути и встречаются тропы, то ведут ли они в нужную сторону, неизвестно. Если на карте есть координатная сетка и можно определить координаты искомой точки, то введите эти данные в GPS и создайте точку «Озеро». Включите функцию «Goto». Теперь, как далеко вы бы ни отклонились от курса, GPS будет показывать направление на точку «Озеро» и расстояние до нее. Если же сетки нет и карта не привязана, то надо определить по GPS свое местоположение, найти эту точку на карте и измерить по карте расстояние и азимут от этой точки до озера. Большинство моделей навигаторов позволяют создавать точки, указывая не их координаты, а расстояние и азимут от другой точки.

Кстати, GPS может оказаться полезен еще до того, как вы вышли на маршрут. Например, если едешь на электричке, в которой не объявляют станции. Благодаря GPS в любой момент можно узнать, сколько километров осталось до нужной станции, и примерное время прибытия. Правда, в электричке приемник может «увидеть» спутники только если его прислонить к окну.

4. Следование заранее выбранному маршруту.

Случай аналогичен предыдущему, только теперь задается не одна конечная точка, а последовательность промежуточных. После прохождения одной промежуточной точки навигатор переключается на следующую, причем можно переключить вручную, а можно автоматически, по условию прохождения на заданном расстоянии от точки. Задать маршрут можно вручную в полевых условиях, но лучше это сделать заранее, соединив GPS с компьютером.

Дополнительные функции, полезные и не очень

Кроме определения координат современные GPS навигаторы имеют еще множество функций, некоторые из которых могут быть полезны.

Закачка карт. Бесспорно, использовать навигатор с большим цветным экраном, на который выводится подробная карта, гораздо удобнее, чем измерять линейкой расстояние по бумажной карте и потом долго вводить данные в навигатор. К сожалению, подробных электронных карт территории бывшего СССР нет. Те, что есть, достаточны разве что для автомобилистов, не сворачивающих с асфальта, так что подробная бумажная карта все равно нужна. Однако наличие даже такой не очень подробной карты очень удобно. Присутствующие на векторной карте характерные точки (перекрестки дорог и просек, слияния рек и т. д.) сильно облегчает задачу соотнести свое положение по GPS с точкой на бумажной карте.

Сопряжение с портативным компьютером. Многие современные навигаторы можно подключить к портативному компьютеру. Навигатор по USB, Blue Tooth или последовательному порту передает ему информацию о текущем местоположении, и в результате пользователь получает возможность изучать карту с указанием своего местоположения на экране гораздо более высокого разрешения, чем у навигатора. Причем компьютер позволяет отображать не только векторные карты (которые, как сказано выше, очень не подробны), но и растровую, то есть отсканированную обычную топографическую карту. Существуют даже особо компактные и недорогие GPS приемники, которые лишены экрана и органов управления. Они работают только под управлением компьютера.

Но, к сожалению, использовать такие системы при передвижении пешком затруднительно, это скорее вариант для автомобилистов или яхтсменов. Карманный компьютер – слишком уязвимая вещь для походов. Он боится сырости и ударов. А также расходует слишком много электроэнергии и питается не от стандартных батареек, а от специфичного аккумулятора, который невозможно зарядить в походных условиях.

В то же время очень удобна, можно сказать необходима, возможность заранее «залить» в навигатор проработанный на компьютере маршрут и, наоборот, перекачать на компьютер трек, чтобы посмотреть на карте, где же вас носило.

Определение высоты. К сожалению, портативные GPS определяют высоту с очень низкой точностью, расхождение между показаниями GPS и высотами, определяемыми по карте, может составлять добрую сотню метров. Поэтому некоторые модели приемников дополнительно оснащаются барометрическим альтиметром, который дает гораздо более высокую точность. А если заодно имеется функция барографа, то вообще замечательно – по изменению давления можно предсказывать погоду.

Определение средней скорости. С помощью GPS можно оценить среднюю скорость движения и прикинуть, сколько времени уйдет, чтобы подойти к выбранному месту. Но «гладко было на бумаге, да забыли про овраги» – отсутствующее на самой точной карте локальное препятствие может сильно повлиять на предполагаемое время финиша.

Встроенный электронный компас. Он позволяет использовать для ориентирования один прибор, а не два, ведь использовать GPS вместо компаса неудобно, он может играть его роль только в движении, а брать по нему азимут и вовсе невозможно. Особенно удобен электронный компас яхтсменам и автомобилистам, так как он позволяет автоматически учитывать девиацию (влияния магнитных полей корпуса). А вот пешим туристам лучше пользоваться обычным магнитным компасом, который не зависит от батареек.

Определение времени восхода и захода солнца. Может быть полезным, когда вы оказались в другом часовом поясе и на непривычной для вас широте. Особенно это важно в начале маршрута, когда вы еще не привыкли к здешним условиям.

Часы. Конечно, использовать GPS вместо наручных часов неудобно, но не стоит забывать о том, что GPS может в любой момент выдать вам самое точное время, выверенное по десятку атомных часов.

Где носить GPS

Важный вопрос: где носить GPS? При размещении на поясе или в кармане штанов или штормовки вы своим телом закроете приемнику половину горизонта, особенно если нагнетесь. Несколько лучше, если навигатор повесить на шею, но тогда он будет болтаться, цепляться за ветки деревьев и все время обо что-нибудь биться. Держать GPS в кармане рюкзака нет смысла – замучаетесь снимать-надевать рюкзак. Лучше всего прикрепить к лямке рюкзака немного ниже плеча специальный маленький съемный карман, из которого GPS можно легко вынуть на ходу. Ремешок GPS должен быть пристегнут к рюкзаку или надет на шею. Тогда, случайно выскользнув из руки, прибор не ударится о камни и не нырнет в реку, а повиснет на «страховке».

Кстати, о воде. Большинство навигаторов герметичны, а некоторые даже плавают. В некоторых фирмах, торгующих навигаторами, можно видеть аквариум с лежащим там GPS. Но если электроника надежно защищена от воды запаянным корпусом, заполненным инертным газом, то батарейный отсек все же может промокнуть, что чревато быстро севшими батарейками и окислившимися контактами.

Севшие батарейки – самая главная проблема неопытных пользователей GPS. Конечно, многое зависит от модели навигатора. Но даже самым экономичным моделям двух щелочных батареек хватит не более чем на 20 часов. Поэтому в походе приходится экономить. Не держите навигатор постоянно включенным, это почти никогда не требуется. Включайте приемник только для того, чтобы записать новую точку, или если GPS действительно нужен для ориентирования, а записывать трек всего месячного похода с разрешением 10 метров явно излишне.

В заключение необходимо предупредить, что GPS – это не гид, который проведет клиента-чайника по маршруту без каких-либо умственных усилий с его стороны. Без элементарных навыков ориентирования GPS будет бесполезной игрушкой. Владелец GPS должен уметь работать с картой и компасом не меньше, чем другие туристы. И тогда GPS поможет сэкономить время и силы, особенно при ориентировании в сложных метеоусловиях. Так что берите с собой в поход GPS, не пожалеете.

Опубликовано «Журнал ПОТРЕБИТЕЛЬ. Все для спорта и отдыха».