GPS в смартфоне: что это и как работает?
Смартфоны давно перестали быть простыми «звонилками». Своим владельцам они открыли массу новых возможностей.
На первом месте полноценный скоростной доступ в интернет и общение в социальных сетях и мессенджерах. Но не менее востребовано и GPS-позиционирование, о котором мы сейчас подробно расскажем.
Что такое GPS?
GPS — система навигации, которая определяет местоположение смартфона, строит маршруты и позволяет найти нужный объект на карте.
Практически в каждый современный гаджет встроен GPS-модуль. Это антенна, настроенная на сигнал спутников системы геолокации GPS. Изначально она была разработана в США для военных целей, но позже ее сигнал стал доступен всем желающим. GPS-модуль гаджет является принимающей антенной с усилителем, но передавать сигнал она не может. Получая сигнал от спутников, смартфон определяет координаты своего местоположения.
Практически каждый современный хотя бы раз пользовался GPS-навигацией на смартфоне или планшете. Потребность в ней может возникнуть в любой момент у людей разных профессий и разного рода занятий. Она необходима водителям, курьерам, охотникам, рыболовам и даже простым пешеходам, оказавшимся в незнакомом городе. Благодаря такой навигации можно определить свое местонахождение, найти нужный объект на карте, выстроить маршрут, а при наличии доступа в интернет объехать пробки.
Оффлайн-карты для GPS
Google разработала для своей операционной системы Android специальное геолокационное приложение — Google Maps. Оно быстро находит спутники, разрабатывает маршруты до объектов и предлагает альтернативы. К сожалению, при отсутствии зоны покрытия сотовой сети Google Maps не работает, так как географические карты тут подгружаются через интернет.
Для навигации без использования сети лучшим выходом будет скачать приложения с поддержкой оффлайн-карт, например, Maps.me, Navitel и 2GIS. Также можно установить приложение «Карты: транспорт и навигация» для Google Maps.
В этом случае придется расходовать интернет-трафик для загрузки карт не придется — они будут всегда в вашем устройстве, независимо от местоположения. Особенно это актуально при нахождении за границей, так как стоимость роуминга для доступа в интернет весьма высока.
Как включить GPS на Android?
Активация GPS-модуля в операционной системе Android возможна двумя способами:
Также стоит помнить, что уверенный прием спутникового сигнала возможен на открытой местности, поэтому при нахождении в помещении или туннеле геолокация становится невозможной. Пасмурная погода также влияет — из-за туч устройство дольше ищет спутники и менее точно определяет свои координаты.
Не так давно GPS была единственной системой геолокации, поэтому в ранних версиях Android упоминалась только она, а кнопка активации службы так и называлась. С 2010 года полноценно заработала российская спутниковая система ГЛОНАСС, а с 2012 — китайская Beidou.
Система ГЛОНАСС в смартфоне
Современные смартфоны наделены такими функциями, о которых некоторые пользователи могут даже не знать. Мобильные устройства заменили нам почти все источники информации, сегодня сложно представить жизнь без этого аппарата. Для работы «всего и сразу» смартфоны оснащаются различными технологиями и датчиками, их настолько много, что разобраться во всех сложно.
К подобным малоизвестным частям относится система ГЛОНАСС. Что же это такое, зачем используется и стоит ли переплачивать за наличие ГЛОНАСС?
Наверняка все слышали о GPS – системе координирования и вычисления местоположения участника системы. ГЛОНАСС – прямой конкурент GPS для работы с спутниками и местоположением. ГЛОНАСС – это аббревиатура, расшифровка которой звучит как «Глобальная навигационная спутниковая система». Она занимается тем же, что и GPS – ищет, где находится смартфон, и помогает правильно ориентироваться на местности.
Технология ГЛОНАСС
ГЛОНАСС – это российская разработка, рождение которой случилось ещё в 1982 году. По сегодняшний день Роскосмос продолжает удерживать работоспособность всех спутников. Всего на орбите Земли 26 спутников, из которых работает 24. Они обеспечивают стабильную и надежную связь в глобальном покрытии. Они движутся над поверхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных плоскостей 64,8° и высотой орбит 19400 км. Дополнительно система транслирует гражданские сигналы, доступные в любой точке земного шара. Это предоставляет навигационные услуги всем потребителям совершенно бесплатно и без ограничений.
ГЛОНАСС или GPS: в чем отличия?
Эти технологии практически братья-близнецы. ГЛОНАСС, в отличии от GPS, не имеет конкретной привязки всех спутников к вращению Земли. Это позволяет запускать спутники и не корректировать их во время всей службы эксплуатации. Однако живут ГЛОНАСС-спутники намного меньше, из-за чего их чаще приходится менять.
В чем же обе технологии различны для конкретного потребителя? Обычный человек при использовании какой-либо системы навигации практически не заметит разницы. Что один стандарт, что второй – работают очень быстро и выдают достоверную и качественную информацию. Отличия заметны лишь в мелочах.
Главным преимуществом одной технологии над другой является зона покрытия. Увы, не удается до сих пор сделать стабильную систему по всей планете. На некоторых участках Земли лучше будет ловить GPS, а где-то наоборот – ГЛОНАСС. Предопределить, в какой зоне лучше ловит сигнал та или иная система, практически невозможно, у этой стихии есть ряд условностей. К подобным нюансам относится качество связи, расположение спутников, погода и так далее. Поэтому лучше всего использовать одновременно GPS и ГЛОНАСС.
Зачем нужен ГЛОНАСС в моем телефоне?
Почти все, даже очень бюджетные смартфоны, оснащены GPS. Однако ГЛОНАСС не так популярен среди производителей смартфонов. Но поддержка ГЛОНАСС со временем популяризируется среди мобильных гаджетов. Делается это, в первую очередь, для улучшения связи при навигации. Как уже описывалось выше, использование сразу двух технологий обеспечит лучшую навигацию во всем мире.
Стоит ли искать смартфон с поддержкой ГЛОНАСС? Технология полезна, но только тем людям, чья жизнь сфокусирована на навигации. В первую очередь это водители, путешественники и так далее. Если вы часто используете карту, радар, навигацию и подобные функции, связанные с местоположением – ГЛОНАСС улучшит работоспособность этих элементов. Но только в некоторых местах, где GPS не справляется. К слову, таких мест мало. В России чаще попадаются «мертвые» точки GPS, однако они незначительны. Если навигация очень важна, то ГЛОНАСС будет кстати, но для простого пользователя эта технология не представляет из себя ничего ценного.
Как проверить наличие ГЛОНАСС в смартфоне?
Существует два простых метода. Можно просто забить в интернете модель смартфона и её характеристики. Тогда в списке навигации должен быть указан ГЛОНАСС, если его нет, то и поддержки нет. Но не на всех сайтах указан этот параметр, да и существуют отдельные модели с вырезанным ГЛОНАСС.
Рекомендуем скачать приложение «GPS info (плюс ГЛОНАСС BeiDou)» и попытаться подключиться к спутникам ГЛОНАСС. После открытия программы всё произойдет автоматически. Если среди перечня найденных спутников имеется ГЛОНАСС, то технология поддерживается. Если спутники только GPS, то, увы, ГЛОНАСС не установлен в данном аппарате. Если спутников вовсе нет на карте, лучше выйти на открытое пространство. Полное отсутствие спутников сигнализирует о том, что в смартфоне нет ни GPS, ни ГЛОНАСС, либо в настройках отключено определение местоположения.
Как использовать ГЛОНАСС в телефоне?
Смартфон автоматически включают эти функции без необходимости настраивать что-то. Для использования достаточно включить в настройках местоположение. После этого любое приложение, требующее использование местоположения, будет в автоматическом режиме ловить сигнал то от GPS спутников, то от ГЛОНАСС, в зависимости от силы сигнала.
Google Карты
Лидером на рынке навигации являются карты от Гугл. Это приложение использует все возможные источники для поиска вашего местоположения, в том числе и ГЛОНАСС. Скачайте приложение “Карты Гугл” в Play Маркет.
Яндекс Карты
Российский прототип с приложением для навигации. Это полноценная утилита для просмотра карт, навигации и использования навигатора в режиме онлайн. Скачайте приложение “Яндекс Карты” в Play Маркет.
Вот так просто работать с ГЛОНАСС на смартфоне. Зависит это не от приложения, а от смартфона. Поэтому ГЛОНАСС будет использовать везде, где нужны данные вашего местоположения.
Сверхточное позиционирование на дороге
Что за GNSS?
GNSS расшифровывается как Global Navigation Satellite System (или Спутниковая Система Навигации) и используется как общий термин для спутниковой локализации с глобальным покрытием по всему земному шару. По состоянию на 2019 год, существует несколько основных спутниковых группировок:
Как это все работает?
Возьмем для примера обычный GPS в нашем телефоне. В зоне видимости с Земли всегда есть как минимум четыре GPS-спутника. Каждый из этих GPS-спутников отправляет информацию о своей позиции и текущее время на GPS-приемники с фиксированным интервалом. Ну а расстояние между GPS-приемником и спутником вычисляется путем нахождения разницы между временем отправки сигнала с GPS-спутника и временем получения сигнала GPS-приемником.
Как только приемник (например, ваш смартфон) получает сигнал хотя бы с трех спутников, вычисляется ваше местоположение (а точнее вашего телефона) с помощью трилатерации. GPS необходимо хотя бы три спутника для вычисления 2D-позиции (долгота и широта) и четыре спутника для 3D-позиции (долгота, широта, высота).
Почему GPS плохо работает в городских условиях?
И хотя под открытым небом GPS работает довольно неплохо, точность сильно падает в городских условиях (ошибка может быть 50 метров и более): высокие здания, провода, мосты и прочие объекты — все это ухудшает точность позиционирования.
Переотражение спутникового сигнала в городе. Фото Uber
Здания часто мешают прямой видимости спутников, и пока сигнал со спутника «летит» в ваш приемник, он успевает несколько раз отразиться от зданий и прийти с искажением. Из-за подобных переотражений точность позиционирования существенно снижается (бывает ± 500 метров). Вы, наверняка, сталкивались с такой ситуацией, когда при заказе такси ваше местоположение на карте отображалось неправильно.
Чтобы исключить эти проблемы, мы используем высокоточные GNSS-приемники, существенно повышающие точность позиционирования с помощью IMU (инерциальные измерительные модули), информации с CAN-шины автомобиля, RTK-поправок и еще немножко другой магии.
Повышение точности
Существует несколько основных способов повысить точность. Взглянем на самые популярные:
По большому счету, базовая станция — это GNSS-приемник в режиме “станция” + софт + радио/интернет канал
Вы знали, что в нашем OSCAR’e?
OSCAR и высокоточные GNSS-приемники
Сантиметровая точность необходима всем беспилотным автомобилям, не только OSCAR. Представьте на секунду, чтобы было бы, если бы беспилотник использовал обычный GPS с точностью ± 50 метров:
Такая низкая точность однозначно приведет к ДТП. Именно поэтому в процессе работы над OSCAR мы проводили исследования и испытывали ряд GNSS приемников, тестируя их в сложных условиях плотной городской застройки.
Автомобиль один, а GPS-треков несколько
В итоге, мы остановились на двух решениях:
В StarLine мы наслаждаемся тем, что делаем безопасный беспилотный автомобиль реальностью. Если тебе также интересна эта тема и ты хочешь строить беспилотное будущее с нами, то приглашаем в команду!
Проект StarLine OSCAR (Open Source Car) открыт для специалистов из Open Source Community, где все желающие могут поучаствовать в процессе разработки беспилотника на уровне кода, опробовать свои алгоритмы на реальном автомобиле, оснащенном дорогостоящим оборудованием.
Спутниковая система навигации (GNSS)
GNSS – это спутниковая навигационная технология, использующаяся для ориентирования на местности и отслеживания объектов. С ее помощью можно определить координаты независимо от времени суток и погодных условий. Благодаря этой системе всю информацию можно получать без видимых ориентиров за короткое время и с высокой точностью. Спутниковые программы мировых стран работают в рамках ГНСС.
Общая характеристика GNSS
ГНСС, или глобальные навигационные спутниковые системы, передают информацию о расположении, времени и скорости пользующимся определенными приборами пользователям на Земле, в воздухе или космическом пространстве. Чтобы реализовать функции системы, используют спутники, которые выполняют измерение местоположения с точностью до метра.
Предназначение
Изначально технология разрабатывалась для отслеживания военных объектов. Позже для сигнала, получаемого от спутников, нашли применение в обычной жизни. Он облегчает передвижение на земле, в воздухе, водном пространстве. С помощью спутниковых систем выясняют также скорость, направление движения объекта. Еще они обеспечивают определение точного времени.
Функционирование технологии достигается устройствами управления, расположенными на Земле и в космосе. Регулярно специалисты осуществляют оценку точности ГНСС-наблюдений для повышения качества информации.
Принцип работы
Навигационные системы измеряют расстояние от антенны на объекте до спутника, положение которого точно известно. Информация о местонахождении последних внесена в таблицу, которую называют альманахом. Приемник сохраняет данные в памяти и использует их для работы.
Каждый сигнал спутника включает передачу и всего альманаха. Благодаря информации о расстоянии до нескольких спутников и применению геометрических построений оборудование вычисляет положение объекта. Измеряться данные будут с высокой точностью за счет того, что скорость движения радиоволн известна.
Чтобы определить время, которое распространяет радиосигнал, все спутниковые системы излучают сигналы с использованием атомных часов. Они синхронизируются с системным временем. Эта информация позволяет определить координаты антенны.
Основные составляющие
ГНСС состоит из нескольких элементов:
Обзор действующих спутниковых систем навигации
Глобальными спутниковыми системами являются ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США). Разработкой технологий занимаются также страны Европы, Китай, Индия. Их основное оборудование не достигло уровня американских систем, но специалисты трудятся над этим.
Спутниковые системы
Это навигационная система США, работающая с 1978 года. Она выполняет позиционирование, навигацию и синхронизацию, состоит из космического, управляющего и пользовательского сегмента. Систему разработало и реализовало Министерство обороны США. Сейчас она доступна и для обычных граждан – им достаточно только купить телефон на ОС «Андроид» или планшет с GPS-датчиком.
Спутники транслируют сигнал с космоса, приемники используют его для вычисления координат и наблюдения за объектом в режиме реального времени. В технологии применяется 32 спутника, которые вращаются по орбите Земли.
ГЛОНАСС
С помощью системы определяют расположение и скорость движения авиации, морского, наземного и космического транспорта. Испытание оборудования и строительство спутников начали в 1995 году, но недостаточное финансирование не позволило ГЛОНАСС обрести глобальный характер.
Полноценное функционирование началось в 2010 году. Сейчас спутники активно взаимодействуют с GPS. Они подключаются к ближайшим объектам, что увеличивает скорость работы, точность.
DORIS
Преимущество технологии – в высокоточном определении орбиты и отслеживании маяков. Это система микроволнового слежения, основанная на принципе Доплера. Цель ее работы – измерения для услуг POD и приложений геодезии. Также она способна в один заход определить координаты орбит, осуществить геофизическое моделирование и позиционирование наземных маяков.
Beidou
Это китайская технология для осуществления геодезических, метрологических и других наблюдений за объектом. Оборудование включает около 38 спутников. Планируется, что на полную мощность система выйдет в 2020 году, поэтому ее характеристики стараются улучшить. Обеспечивает геометрическую сеть GNSS-наблюдений.
Galileo
Использование системы распространено среди обычных граждан и служб стран Европы. Отличие от ГНСС США и России в том, что ее не контролируют национальные военные ведомства. Но допускается возможность использовать сигнал для операций для обеспечения политики безопасности.
К сведению. Регулярно выполняется поверка работы оборудования. Оно обеспечивает точность до метра, а временная погрешность составляет миллиардную долю секунды.
В перечисленных технологиях пользуются различными, чаще национальными, системами координат.
| Навигационная система | Система координат |
| ГЛОНАСС | ПЗ-90 (Параметры Земли 1990 года) |
| GPS | WGS-84 (World Geodetic System) |
| Система координат ГАЛИЛЕО | GTRF (Galileo Terrestrial Referenfce Frame) |
| БЕЙДОУ | CGCS2000 (China Geodetic Coordinate System 2000) |
Региональные спутниковые навигационные системы
Основное преимущество использования спутниковых ГНСС-технологий заключается в повышенной точности определения местонахождения объектов, скорости движения и времени. Существуют также региональные системы:
Планируется создание трех группировок, посадка которых предполагается на геосинхронные орбиты.
Поддержка ГНСС
Чтобы в айфонах и смартфонах функционировала технология ГНСС, в электронных устройствах должны присутствовать приемники определенного типа:
Включение всех измерений технологии ГНСС не занимает много времени, настройка заключается в подключении к микроконтроллеру или системе на кристалле по соответствующему интерфейсу. В автомобилях эту функцию регистрации выполняет тахограф.
Ключевые параметры GNSS-приемников
Расшифровка требуемых показателей возможна после того, как приемник получит данные о:
Оценка характеристик зависит от TTFF. Этот параметр показывает, за какой период времени приемник найдет сигнал от спутника и определит координаты. Если это новое устройство, оно было отключено или длительное время перевозилось, после включения получить необходимые данные сразу невозможно.
Чтоб улучшить этот показатель и повысить эффективность циклического процесса, производители устанавливают возможность скачать и сохранить альманах и эфемериды по беспроводной сети передачи данных. Это занимает меньше времени, чем если извлекать показания из сигналов ГНСС. Скачивание доступно бесплатно.
К сведению. Такие модули потребляют разное количество энергии. Когда устройство находится в фазе поиска спутников, расходует ее больше. Производители пытаются исправить ситуацию за счет периодического перехода конструкции в режим сна.
Встречаются конфигурации с динамическими характеристиками. Например, он помогает узнать показатели ускорения объекта. Эти элементы часто имеют пару приемных каналов. Их число достигает 88.
Методы ГНСС-наблюдений
Расположение по спутниковым системам определяется с высокой точностью до 15 м. Такие показатели связаны с воздействием атмосферных явлений на распространение радиосигнала, уровнем качества кварцевого генератора в приемнике.
Различаются следующие методы наблюдений: абсолютный, относительный. В первом случае положение приемника определяется по пространственной засечке. При этом нужно знать координаты хотя бы 4 спутников, величину псевдодальности. Точность измерений составляет 3–15 м.
При относительном методе (DGPS) для наблюдений используется 2 приемника. Один находится в месте с известными координатами, другой – на определяемом. При этом рассчитывается псевдодальность, поправка передается на ровер. Метод подходит для решения задач в геодезии.
При обоих методах наблюдения используются постобработка, определение координат в реальном времени. В первом случае необходимы ПК, специальная программа. При определении координат в реальном времени обработка осуществляется сразу, в управляющем микропрограммном обеспечении приемника.
Спутниковая навигация играет стратегическую и коммерческую роль. Технология позволяет увеличить национальную безопасность, быстрее обнаружить «вражеские» стороны. Благодаря функциональности таких технологий больше стран занимается собственными устройствами навигации, чтобы не зависеть от других государств.
В настоящее время GNSS оборудование используется в военной сфере, геодезии и картографии.
Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) — что это такое?
Спутниковая навигационная система использует спутники для определения геопространственного положения объекта. В нашей спутниковой системе, спутники размещаются на конкретных орбитах вокруг земного шара, чтобы точно определить, где находится приемник. Чтобы построить маршрут движения до нового места, мы часто используем карты Google Maps и следуем за ней с полной уверенностью, что она приведет нас к желаемому месту. Но как именно эта функция работает?
Эта система основана на передаче информации в зашифрованном виде, которую мы называем «навигационным сообщением», т. е. сообщением, отправленным спутником (космическим сегментом) на пользовательское устройство (пользовательский сегмент) после получения навигационных данных от наземных станций (контрольный сегмент).
Глобальная навигационная спутниковая система
ГНСС относится к группе спутников, которые ретранслируют сигналы из космоса для передачи данных о местоположении и времени на приемники ГНСС. Спутниковые навигационные системы различных стран функционируют в рамках ГНСС. В настоящее время, GPS стал настолько популярным, что люди ошибочно принимают каждую спутниковую систему за GPS.
Перечень спутниковых навигационных систем различных стран мира
Навигационное сообщение
Навигационное сообщение — это сообщение, отправленное спутником пользователю после получения данных из управляющего сегмента. Для определения положения и скорости спутников, имеются три набора данных, которые передаются в виде навигационного сообщения, а именно: данные альманаха, транслируемые эфемериды и точные эфемериды («эфемерид» — это положение небесного тела в заданный период времени). Сообщения, передаваемые спутником, имеют формат RINEX, представляющий собой формат обмена данными для спутниковых систем.
Независимый формат обмена навигационными данными (RINEX)
Первое предложение по независимому формату обмена информацией (RINEX) было разработано в Бернском Астрономическом институте, с целью упрощения обмена собранными данными GPS. С момента его разработки, формат RINEX претерпел множество изменений и постоянно модифицируется. RINEX имеет три версии — RINEX version 1, RINEX version 2 и RINEX version 3, последняя из которых обновилась до RINEX 3.03.
Различные спутниковые системы посылают разные закодированные навигационные сообщения, поэтому для их расшифровки нужно знать, как дифференцировать и идентифицировать данное сообщение и использовать определенные алгоритмы для их декодирования (используются обычные понятия структуры данных).
Теперь вернемся к нашему вопросу о Google Maps, который использует GPS в качестве своей навигационной системы. Пользователь посылает сигналы на спутник через свое устройство с запросом направления к определенному месту назначения. Затем эти сигналы принимаются спутником и, используя спутниковые снимки, спутник посылает навигационное сообщение на устройство пользователя в зашифрованном формате. Затем это сообщение декодируется и используется приложением для того, чтобы привести нас к желаемому месту назначения.
Спутниковая навигация является важнейшей спутниковой системой, имеющая как коммерческое, так и стратегическое применение. Это имеет большое значение, когда речь заходит о национальной безопасности, т.к. они могут помочь в поиске враждебных сторон. Видя, насколько функциональны такие системы, многие страны постепенно разрабатывают свои собственные, чтобы избежать ненужной иностранной зависимости.
На видео: Как работает спутниковая система навигации?
