О GPS- и просто навигации
Добавлено: 12 май 2011, 23:58
Не будем глубоко вторгаться в принципы работы системы, но «по верхам» пройтись необходимо – чтобы иметь возможность эффективно пользоваться прибором.
Итак начнем с определений.
GPS (англ. Global Positioning System, читается Джи Пи Эс — глобальная система позиционирования) — спутниковая система навигации, часто именуемая GPS. Позволяет в любом месте Земли (не включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США. Основной принцип использования системы — определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами — спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно знать расстояние до трёх спутников и время GPS системы. Таким образом, для определения координат и высоты приёмника, используются сигналы как минимум с четырёх спутников (на практике работает и с 3-мя но с очень низкой точностью, на уровне 30-50 м).
Базовые возможности любого GPS приемника – определение собственных координат, высоты над уровнем моря, скорости движения и точного времени. Это ядро системы, впрочем на ряде специализированных навигаторов вроде автомобильных доступа к ним пользователя системы может и не быть. Дополнительные же функции зависят от конкретного устройства. Например большинство простых туристических навигаторов умеют «привести» пользователя в точку с заданными координатами (или провести по маршруту – цепочке точек), указывая азимут движения или попросту «стрелку» в нужном направлении, записать во внутреннюю память как отдельные точки, так и трек его движения, прогнать трек «задом наперед» . Более «продвинутые» имеют встроенную картографию, электронный компас, альтиметр, т.е могут показать карту местности с текущим расположением а также расположение заданной точки и прочих объектов, а также направление на стороны света ( не связанное с работой собственно GPS, т.е. работающие даже при отсутствии приема сигнала со спутников) и высоту над уровнем моря.
Прибор определяет текущие координаты c некоторой погрешностью, связанной, как правило, с условиями приема сигнала – чем лучше прием, тем точнее работает навигатор. Значение погрешности обычно отображается на навигаторе. При значительных погрешностях (более 30 м) правилом хорошего тона является указать этот факт.
Ну а теперь немного о навигации вообще.
С детства мы знаем что любая точка на поверхности земного шара может быть однозначно определена ее географическими координатами – широтой и долготой.
Географическая широта — это угол между отвесной линией в данной точке и плоскостью экватора, отсчитываемый от 0 до 90° в обе стороны от экватора. Широту к югу от экватора называют южной, к северу – северной.
Географическая долгота — это угол между плоскостью меридиана, проходящего через данную точку, и плоскостью нулевого меридиана. Выбор нулевого меридиана произволен и определяется соглашением. Сейчас во всем мире принято пользоваться Гринвичским меридианом. Кроме Гринвича, в качестве нулевого ранее принимались меридианы обсерваторий Кадиса, Парижа, Пулковский меридиан и т. д. Долготы от 0 до 180° к востоку от нулевого меридиана называют восточными, к западу — западными.
Поскольку градус – слишком крупная величина для определения координат объекта на местности, то существуют и более мелкие величины – минуты и секунды. Соответственно в одном градусе 60 угловых минут, в одной угловой минуте – 60 угловых секунд.
Поскольку Земля по форме своей не является правильным шаром, приходится применять для ее описания различные математические модели (датумы). Соответственно, поскольку модели разные то одни и те же координаты, посчитанные в разных датумах будут на местности соответствовать разным точкам и наоборот, одна и та же точка на местности в разных датумах будет иметь различающиеся координаты. Т.е. грубо говоря, датум - это система координат.
Это важно знать. Например большинство навигаторов работают по умолчанию в датуме WGS-84, соответственно и львиная доля координат точек, треков и т.д. также дана в этом датуме. В то же время в большинстве встречающихся в наше время карт координатная сетка дана в Пулково-1942. И если взять координаты точки из GPS-навигатора в WGS-84 и попытаться нанести эту точку на карту в Пулково-1942, то она «убежит» от правильного положения на 100 с лишним метров! Если два поисковика с навигаторами, настроенными в разных датумах, получат от штаба задание встретиться в точке с некими координатами, то встреча не состоится, или же состоится после того как они всласть накричатся, потому что придут они в две разных точки!
Так что при работе с GPS-навигаторами НЕОБХОДИМО знать датум, в котором работает прибор, и датум в котором даны координаты объекта.
Чтобы перевести координаты точки из системы WGS 84 в Пулково-1942, нужно к значению долготы прибавить 0.11 угловой минуты или 7 угловых секунд, соответственно если нужно перевести из Пулково-1942 в WGS84 эту поправку надо вычесть. Это грубый способ, верный для Московской области( да и соседних в общем то) , в других местах значение поправки может быть другим.
Также следует знать, что существует несколько форматов записи координат.
1. градусы минуты секунды. – классический формат. Пример такой записи N 55° 45’ 23’’ – 55 градусов 45 минут 23 секунды северной широты.
2. градусы минуты.десятичные доли минут (как правило с точноcтью до 3 знака после запятой, почему так – см. ниже) – формат по умолчанию применяется в большинстве GPS-навигаторов, соответственно и большинстве прочих электронных систем. Точки, треки в интернетовских отчетах как правило тоже в этом формате. Пример записи E 38° 51.321’ – 38 градусов 51 целая 321 тысячная восточной долготы. Зачастую при записи не используются знаки ° и ‘, пишется просто E 38 51.321.
3. градусы. десятичные доли градуса – встречается редко в некоторых электронных системах вроде тех же «космоснимков» или в файлах точек или треков Ozi Explorera.
Перевод из одного формата в другой несложен. Если надо перевести из формата 1 в формат 2 – то значение секунд делится на 60, берутся первые три знака после запятой. Преобразование из 2 в 1 аналогично – берем дробную часть значения минут, умножаем на 60 – получаем значение в секундах. 3 из 2 получается делением значения минут ( с дробной частью) на 60. 2 из 3 получается умножением дробной части градусов на 60. 1 из 3 получается пошаговым преобразованием 1 в 2 и 2 в 3, обратно – аналогично 3 в 2 и 2 в 1.
Немного о физическом смысле координат.
Если по меридиану провести линию вдоль всего земного шара, то длина этой линии постоянна для любого меридиана, соответственно и длина минутной дуги любого меридиана ( т.е. попросту расстояние между точками находящимися на одной долготе и имеющими разницу в значении широты в одну минуту) постоянна и равна одной морской миле – 1852 метра. Соответственно длина дуги 0.1 минуты будет 185.2 метров, 0.01 минуты - 18.52 м, 0.001 минуты – 1.852 м. Потому то в навигаторах обычно и используются значения долей минут до 3 знака после запятой – больше не надо, точность уже превышает погрешность прибора.
Длина линии параллели не постоянна и меняется в зависимости от широты. Так в Московской области длина минутной дуги параллели колеблется от 1020 м на севере до 1070 метров на юге.
Каков практический смысл всей этой математики? Например вот вам задача – поисковик обнаружил след и передал на базу его координаты. Необходимо нанести точку на бумажную карту, не имеющую координатной сетки. Как это сделать? Очень просто. Надо только знать координаты любой точки на этой карте, например того же штаба. Далее определяем разницу в координатах по широте, скажем в минутах, банально вычитая из большего меньшее, умножаем ее на длину минутной дуги меридиана – получаем смещение по широте в метрах, затем определяем разницу по долготе, умножаем на длину минутной дуги параллели в этой местности ( если ее не знаем – берем среднюю, скажем 1050 м) – получаем смещение по долготе. После этого если значение широты искомой точки больше широты штаба, то откладываем на карте от точки штаба расстояние, равное смещению по широте, на север, в противном случае – на юг. После чего от полученной точки откладываем значение смещения по долготе на восток, если долгота точки больше чем долгота штаба, иначе откладываем это значение на запад. На конце этого отрезка и расположена искомая точка. Все!
Аналогично можно и определить координаты некой точки на карте, зная ее смещение относительно точки с известными координатами.
Конечно тот же Ozi Explorer сделает это сам без вашей помощи, полученную карту с точкой можно просто распечатать, но всегда ли он под рукой? Кроме того наличие калькулятора – еще не повод не уметь считать в уме…
Итак начнем с определений.
GPS (англ. Global Positioning System, читается Джи Пи Эс — глобальная система позиционирования) — спутниковая система навигации, часто именуемая GPS. Позволяет в любом месте Земли (не включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США. Основной принцип использования системы — определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами — спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно знать расстояние до трёх спутников и время GPS системы. Таким образом, для определения координат и высоты приёмника, используются сигналы как минимум с четырёх спутников (на практике работает и с 3-мя но с очень низкой точностью, на уровне 30-50 м).
Базовые возможности любого GPS приемника – определение собственных координат, высоты над уровнем моря, скорости движения и точного времени. Это ядро системы, впрочем на ряде специализированных навигаторов вроде автомобильных доступа к ним пользователя системы может и не быть. Дополнительные же функции зависят от конкретного устройства. Например большинство простых туристических навигаторов умеют «привести» пользователя в точку с заданными координатами (или провести по маршруту – цепочке точек), указывая азимут движения или попросту «стрелку» в нужном направлении, записать во внутреннюю память как отдельные точки, так и трек его движения, прогнать трек «задом наперед» . Более «продвинутые» имеют встроенную картографию, электронный компас, альтиметр, т.е могут показать карту местности с текущим расположением а также расположение заданной точки и прочих объектов, а также направление на стороны света ( не связанное с работой собственно GPS, т.е. работающие даже при отсутствии приема сигнала со спутников) и высоту над уровнем моря.
Прибор определяет текущие координаты c некоторой погрешностью, связанной, как правило, с условиями приема сигнала – чем лучше прием, тем точнее работает навигатор. Значение погрешности обычно отображается на навигаторе. При значительных погрешностях (более 30 м) правилом хорошего тона является указать этот факт.
Ну а теперь немного о навигации вообще.
С детства мы знаем что любая точка на поверхности земного шара может быть однозначно определена ее географическими координатами – широтой и долготой.
Географическая широта — это угол между отвесной линией в данной точке и плоскостью экватора, отсчитываемый от 0 до 90° в обе стороны от экватора. Широту к югу от экватора называют южной, к северу – северной.
Географическая долгота — это угол между плоскостью меридиана, проходящего через данную точку, и плоскостью нулевого меридиана. Выбор нулевого меридиана произволен и определяется соглашением. Сейчас во всем мире принято пользоваться Гринвичским меридианом. Кроме Гринвича, в качестве нулевого ранее принимались меридианы обсерваторий Кадиса, Парижа, Пулковский меридиан и т. д. Долготы от 0 до 180° к востоку от нулевого меридиана называют восточными, к западу — западными.
Поскольку градус – слишком крупная величина для определения координат объекта на местности, то существуют и более мелкие величины – минуты и секунды. Соответственно в одном градусе 60 угловых минут, в одной угловой минуте – 60 угловых секунд.
Поскольку Земля по форме своей не является правильным шаром, приходится применять для ее описания различные математические модели (датумы). Соответственно, поскольку модели разные то одни и те же координаты, посчитанные в разных датумах будут на местности соответствовать разным точкам и наоборот, одна и та же точка на местности в разных датумах будет иметь различающиеся координаты. Т.е. грубо говоря, датум - это система координат.
Это важно знать. Например большинство навигаторов работают по умолчанию в датуме WGS-84, соответственно и львиная доля координат точек, треков и т.д. также дана в этом датуме. В то же время в большинстве встречающихся в наше время карт координатная сетка дана в Пулково-1942. И если взять координаты точки из GPS-навигатора в WGS-84 и попытаться нанести эту точку на карту в Пулково-1942, то она «убежит» от правильного положения на 100 с лишним метров! Если два поисковика с навигаторами, настроенными в разных датумах, получат от штаба задание встретиться в точке с некими координатами, то встреча не состоится, или же состоится после того как они всласть накричатся, потому что придут они в две разных точки!
Так что при работе с GPS-навигаторами НЕОБХОДИМО знать датум, в котором работает прибор, и датум в котором даны координаты объекта.
Чтобы перевести координаты точки из системы WGS 84 в Пулково-1942, нужно к значению долготы прибавить 0.11 угловой минуты или 7 угловых секунд, соответственно если нужно перевести из Пулково-1942 в WGS84 эту поправку надо вычесть. Это грубый способ, верный для Московской области( да и соседних в общем то) , в других местах значение поправки может быть другим.
Также следует знать, что существует несколько форматов записи координат.
1. градусы минуты секунды. – классический формат. Пример такой записи N 55° 45’ 23’’ – 55 градусов 45 минут 23 секунды северной широты.
2. градусы минуты.десятичные доли минут (как правило с точноcтью до 3 знака после запятой, почему так – см. ниже) – формат по умолчанию применяется в большинстве GPS-навигаторов, соответственно и большинстве прочих электронных систем. Точки, треки в интернетовских отчетах как правило тоже в этом формате. Пример записи E 38° 51.321’ – 38 градусов 51 целая 321 тысячная восточной долготы. Зачастую при записи не используются знаки ° и ‘, пишется просто E 38 51.321.
3. градусы. десятичные доли градуса – встречается редко в некоторых электронных системах вроде тех же «космоснимков» или в файлах точек или треков Ozi Explorera.
Перевод из одного формата в другой несложен. Если надо перевести из формата 1 в формат 2 – то значение секунд делится на 60, берутся первые три знака после запятой. Преобразование из 2 в 1 аналогично – берем дробную часть значения минут, умножаем на 60 – получаем значение в секундах. 3 из 2 получается делением значения минут ( с дробной частью) на 60. 2 из 3 получается умножением дробной части градусов на 60. 1 из 3 получается пошаговым преобразованием 1 в 2 и 2 в 3, обратно – аналогично 3 в 2 и 2 в 1.
Немного о физическом смысле координат.
Если по меридиану провести линию вдоль всего земного шара, то длина этой линии постоянна для любого меридиана, соответственно и длина минутной дуги любого меридиана ( т.е. попросту расстояние между точками находящимися на одной долготе и имеющими разницу в значении широты в одну минуту) постоянна и равна одной морской миле – 1852 метра. Соответственно длина дуги 0.1 минуты будет 185.2 метров, 0.01 минуты - 18.52 м, 0.001 минуты – 1.852 м. Потому то в навигаторах обычно и используются значения долей минут до 3 знака после запятой – больше не надо, точность уже превышает погрешность прибора.
Длина линии параллели не постоянна и меняется в зависимости от широты. Так в Московской области длина минутной дуги параллели колеблется от 1020 м на севере до 1070 метров на юге.
Каков практический смысл всей этой математики? Например вот вам задача – поисковик обнаружил след и передал на базу его координаты. Необходимо нанести точку на бумажную карту, не имеющую координатной сетки. Как это сделать? Очень просто. Надо только знать координаты любой точки на этой карте, например того же штаба. Далее определяем разницу в координатах по широте, скажем в минутах, банально вычитая из большего меньшее, умножаем ее на длину минутной дуги меридиана – получаем смещение по широте в метрах, затем определяем разницу по долготе, умножаем на длину минутной дуги параллели в этой местности ( если ее не знаем – берем среднюю, скажем 1050 м) – получаем смещение по долготе. После этого если значение широты искомой точки больше широты штаба, то откладываем на карте от точки штаба расстояние, равное смещению по широте, на север, в противном случае – на юг. После чего от полученной точки откладываем значение смещения по долготе на восток, если долгота точки больше чем долгота штаба, иначе откладываем это значение на запад. На конце этого отрезка и расположена искомая точка. Все!
Аналогично можно и определить координаты некой точки на карте, зная ее смещение относительно точки с известными координатами.
Конечно тот же Ozi Explorer сделает это сам без вашей помощи, полученную карту с точкой можно просто распечатать, но всегда ли он под рукой? Кроме того наличие калькулятора – еще не повод не уметь считать в уме…
Ясен пень если есть Ози да принтер то печатнуть карту и не мучиться. Просто я хотел показать что кооординаты - это не абстрактные цифры и до смысла их докопаться можно и без хитрых компьютеров.