Мы пользуемся GPS каждый день — прокладываем маршрут в навигаторе, отслеживаем доставку еды или записываем пробежки. Но мало кто задумывается, как именно эта технология определяет наше местоположение с точностью до нескольких метров даже в центре большого города. Разбираемся, что такое GPS и почему для работы достаточно видеть открытое небо.

Что такое GPS

GPS (Global Positioning System) — это глобальная система позиционирования, состоящая из группировки спутников на орбите Земли. Сейчас в рабочем режиме находятся около 31 спутника, плюс несколько резервных. Система была разработана американскими военными, а позже открыта для гражданского использования.

Каждый спутник весит 1,3–1,8 тонны, работает на солнечных батареях и находится на высоте примерно 20 000 км. Он совершает два полных оборота вокруг Земли за сутки. Орбиты спроектированы так, что в любой точке планеты и в любое время над горизонтом «видны» минимум четыре спутника.

Принцип работы: трилатерация

GPS-приёмник (в вашем смартфоне, автомобиле или смарт-часах) определяет местоположение с помощью метода, который называется трилатерацией — измерением расстояний до нескольких спутников.

Представьте, что вы полностью потерялись где-то в США. Прохожий говорит: «Вы в 625 милях от Бойсе, штат Айдахо». Это значит, что вы находитесь где-то на окружности радиусом 625 миль вокруг этого города. Информация точная, но недостаточная.

Второй человек сообщает: «Вы в 690 милях от Миннеаполиса». Теперь у вас две окружности, которые пересекаются в двух точках. Третий уточняет расстояние до Тусона — и остаётся только одна точка: Денвер, Колорадо. Это двумерная трилатерация.

В реальности всё происходит в трёх измерениях. Вместо окружностей GPS использует сферы. Расстояние до одного спутника даёт сферу, до второго — пересечение в виде окружности, до третьего — два возможных точки. Земля сама выступает в роли четвёртого «ограничения», отсекая точку, которая оказалась бы в космосе. Поэтому надёжнее всего, когда приёмник видит четыре и больше спутников — это повышает точность и даёт высоту над уровнем моря.

Как измеряется расстояние

Чтобы рассчитать расстояние, приёмник использует время распространения сигнала. Спутники передают сигналы со скоростью света (около 300 000 км/с). Приёмник замеряет, сколько времени сигнал шёл от спутника, и умножает на скорость — получается расстояние.

Для этого все устройства используют псевдослучайный код — длинную цифровую последовательность. Спутник и приёмник генерируют один и тот же код синхронно. Когда сигнал доходит, код от спутника слегка запаздывает. Задержка и показывает время в пути.

Проблема часов и гениальное решение

Для такой точности нужны атомные часы, которые стоят десятки тысяч долларов. Установить их в каждый смартфон невозможно. Поэтому спутники оснащены дорогими атомными часами, а приёмники — обычными кварцевыми.

Система решает проблему изящно: приёмник анализирует сигналы от четырёх и более спутников и постоянно корректирует свои внутренние часы, достигая точности атомных «бесплатно».

Дифференциальный GPS (DGPS)

Обычный GPS уже достаточно точен, но на результат влияют помехи: задержка сигнала в атмосфере, отражения от зданий и т.д. Дифференциальный GPS исправляет эти ошибки. Стационарная станция с точно известными координатами вычисляет погрешность и передаёт поправки всем приёмникам в радиусе действия. Благодаря этому точность повышается в разы.

Что такое GNSS

GPS — это американская система. Кроме неё существуют другие: европейская Galileo, китайская BeiDou и российская ГЛОНАСС. Вместе они образуют GNSS (Global Navigation Satellite System). Современные смартфоны обычно работают сразу с несколькими системами, что улучшает точность и надёжность, особенно в сложных условиях.

Вкратце

GPS — это сеть спутников на орбите, которые постоянно передают сигналы. Ваш приёмник измеряет расстояние до четырёх и более спутников по времени распространения радиоволн и с помощью трилатерации определяет точные координаты. Несмотря на сложности с атмосферой и часами, система работает удивительно точно благодаря умной синхронизации и корректировкам. Именно поэтому, имея GPS-приёмник и вид неба, вы практически никогда не потеряетесь.