Как работает GPS: принцип и особенности работы, выполняемые функции, характеристики
В наше время навигатор — это не только инструмент путешественников и исследователей, с помощью которого можно построить курс в открытом море или глухой тайге, но и привычное многим бытовое устройство, помогающее автомобилисту или пешеходу найти нужный пункт назначения или привязать к координатам какие-то данные, например фотографии. Часто мы пользуемся этими приспособлениями, не задумываясь о том, почему и как они работают. В данной статье мы попробуем разобраться с этим и ответить на часто возникающие вопросы: что такое GPS, откуда она взялась, для чего она нужна, на чем основан принцип ее действия и работает ли GPS без GPS, без сотовой связи и интернета.
История создания
Система GPS (читается как Джи Пи Эс) была создана по заказу Министерства обороны США для военных целей.
Идея использования искусственных спутников для навигации возникла в середине прошлого века после запуска в СССР первого космического спутника. Американские ученые обнаружили факт, который впоследствии ляжет в основу принципа работы GPS: зная координаты наблюдателя на Земле, можно рассчитать координаты спутника, и наоборот — если известно расстояние до спутника, то можно узнать координаты объекта на Земле.
В 1973 году в США была начата программа DNSS, переименованная в конце того же года в NavStar-GPS. Ее задачей было достижение при помощи искусственных спутников Земли более точной навигации для армии США.
В 1974 году по этой программе на орбиту был выпущен первый спутник, а последний из 24 спутников, которые нужны для покрытия всей планеты, был запущен в 1993 году.
Мирное использование GPS
Когда в 1983 году корейский пассажирский самолет был сбит после вторжения в воздушное пространство Советского Союза из-за проблем с навигацией, президент Рональд Рейган принял решение разрешить использование GPS гражданским службам всего мира.
Для предотвращения использования этой технологии в военных целях точность работы GPS, доступной для общего использования, с помощью умышленной ошибки поначалу искусственно уменьшалась до 100 метров, но в 2000 году это ограничение было убрано. А специализированное военное применение этой системы спутниковой навигации армией США происходит через зашифрованный P(Y) код, дающий более точные результаты — до миллиметров.
Система Глобального Позиционирования
Сейчас благодаря GPS можно вычислить свое местоположение в любой точке поверхности земного шара (кроме полярных областей) и в околоземном космическом пространстве. Часто люди, пользующиеся этой системой в быту, воспринимают ее в качестве составной части своего устройства (”В телефоне работает GPS-навигатор, потому что телефон высокотехнологичный”). Однако в действительности это гораздо более масштабная вещь: по сути, для того, чтобы узнать свое местоположение, нам необходимо связаться с космосом (хотя и не очень дальним).
GPS — Система Глобального Позиционирования — содержит в себе три раздела: космический, наземный и пользовательский.
Космический раздел
Сейчас космический раздел GPS составляет 32 спутника (один из них — резервный). Вес каждого спутника — около тонны, срок их службы — примерно 10 лет (однако по факту до сих пор работает спутник, выведенный на орбиту еще в 1993 году). Спутники вращаются в разных плоскостях по шести орбитам на высоте около 20 тысяч километров над Землей. Орбиты построены так, что в каждый момент времени в любом месте Земли видно несколько спутников, а если какой-то из них выйдет из строя, то остальные изменят свои орбиты, чтобы заполнить пустующее пространство. За звездные сутки спутник делает два оборота вокруг Земли, пролетая над одним и тем же местом в определенное время.
Каждый спутник имеет свой идентификационный номер, который он посылает приемникам на Землю. Также на них размещены атомные часы (по четыре на каждом), точность которых — около наносекунды.
Наземный раздел
На Земле находятся несколько станций слежения, наблюдающих за спутниками GPS и передающих информацию о них на главную контрольную станцию, расположенную в Колорадо на авиабазе BBC США. Там высчитываются текущие и будущие орбиты и координаты и ежедневно передаются на спутники, а они затем передают эти данные GPS-приемникам. В памяти приемника хранится информация обо всех спутниках, даже недоступных в данный момент, благодаря чему он знает, какие спутники ему следует использовать.
Пользовательский раздел
Пользовательский раздел — это приемники, которые отслеживают все видимые в данном месте спутники и принимают их радиосигналы. Сейчас их встраивают не только в предназначенные для навигации специализированные приборы, но и в смартфоны, планшеты, наручные часы и собачьи ошейники.
То, как работает GPS-навигатор, во многом зависит от синхронизации часов в спутнике и в приемнике. В отличие от находящихся на спутниках высокоточных атомных часов (стоимостью 100 тысяч долларов), часы в обычных приемниках сигнала гораздо менее точны, что приводит к ошибкам в работе системы. Поэтому для определения местоположения необходимо использовать сигналы как можно большего количества спутников, благодаря чему погрешность корректируется.
Принцип работы
Чтобы понять принцип работы GPS, представьте себе такую ситуацию: вы заблудились в лесу и несколько ваших спутников с разных сторон издали кричат вам, чтобы помочь вам сориентироваться, где вы находитесь. По громкости их голосов вы можете определить расстояние от каждого из них до вас. Если при этом они будут кричать не просто “Ау!”, а сообщать собственные координаты, то вы сможете определить свое местоположение относительно этих точек пространства. Примерно на этом же и основывается принцип работы системы GPS, хотя в ней расстояние от источника сигнала до приемника определяется не громкостью, а также невозможно определить направление сигнала.
Система GPS так работает: спутники непрерывно шлют радиосигналы, временная задержка которых показывает время движения сигнала от спутника до приемника GPS. На основании этого времени и известной скорости (скорость света постоянна) рассчитывается расстояние между спутником и приемником. Чтобы точно определить местоположения приемника, необходимо получить несколько сигналов с разных спутников (как минимум четырех) — точка, которая нас интересует, будет располагаться на пересечении окружностей, центры которых — это координаты спутников (которые известны приемнику, потому что содержатся в сигнале), а радиусы — это расстояния до них. После этого приемник высчитывает широту, долготу и высоту своего местоположения, которую для удобства привязывает к картам, хранящимся в его памяти.
Таким образом, для работы прибора GPS нужна антенна, которая примет радиосигнал со спутника; система, которая произведет необходимые вычисления; и чаще всего еще карта, на которую проецируется данная точка в пространстве. Отвечая на распространенный вопрос “Как работает GPS-навигатор без интернета?”, можно ответить, что он работает так же, как и с интернетом, потому что для GPS интернет (а также сотовая связь) не нужен — он нужен только для карт, которые можно загрузить заранее.
Точность GPS
Недостатком GPS (как и любой другой подобной системы) является то, что не всегда у приемника есть возможность получить сигнал. Качество сигнала ухудшается, когда между спутником и приемником находятся густые облака или листва, когда ему мешают помехи от других радиоисточников; сигнал не проходит через железобетонные конструкции; он может отражаться от разных поверхностей и теряться. Кроме того, формула расчета расстояния до спутника предполагает, что скорость света постоянна, однако постоянной она является только в вакууме, а в действительности сигнал должен проходить через тропосферу и ионосферу, которые уменьшают его скорость. Все это приводит к неточностям в результатах работы GPS, однако многие ошибки удается исправить, используя дополнительные алгоритмы и уточнения.
Сейчас определить местоположение с помощью GPS можно с точностью от 1 до 15 метров. Точность зависит от нескольких факторов: от наличия или отсутствия мешающих сигналу помех; от количества, направления и высоты спутников, которые видит приемник в данный момент; от того, есть ли поблизости станции, которые передают поправки для сигналов.
Использование GPS
В настоящее время GPS используется во многих областях жизни. Принцип работы GPS-навигатора одинаков для всех устройств, однако может различаться его точность. GPS-приемники делятся на два класса: профессиональные и бытовые. Профессиональные приемники, для которых крайне важна высокая точность, отличаются поддерживаемыми режимами работы, частотами, разными системами навигации, количеством одновременно принимаемых сигналов, запасом электропитания, алгоритмами корректировки неточностей и высокой ценой. Подобные приемники используют военные, а также геодезисты и картографы.
Бытовые приемники GPS бывают специализированными (портативными) и встроенными в другое устройство (например, в мобильный телефон или ноутбук). У специализированных приемников GPS (это разнообразные навигаторы, туристические, автомобильные, авиационные, морские) в отличие от встроенных есть свой собственный процессор.
Еще одна разновидность — это GPS-трекер. Это устройство используется для спутникового слежения за определенными объектами (например, для контроля за людьми, животными, ценным грузом или автомобилем). GPS-трекер работает похожим на навигатор образом, однако обычно он не имеет экрана, и полученные им координаты передаются через радиосвязь или GSM-передатчик в центр контроля.
Вариантом GPS-трекера является GPS-логгер — устройство, которое может работать в качестве обычного приемника GPS, но, кроме этого, может запоминать данные о пройденном пути. От GPS-трекера он отличается тем, что эти данные невозможно передать в режиме реального времени — их необходимо загружать в компьютер, подключившись к нему.
Альтернативы GPS
Учитывая, что GPS вместе со всеми своими спутниками является собственностью США и в ситуации конфликта может быть запрещена к использованию в других государствах, некоторые страны занимаются разработкой собственных систем спутниковой навигации. Каждая из них имеет свои достоинства, и большинство современных приемников умеют совмещать разные системы, что существенно повышает их точность.
"Глонасс"
Вторая полностью функционирующая система глобальной спутниковой навигации, кроме GPS, это российская система "Глонасс". Принцип ее работы тот же, как и у GPS. Основное отличие этой системы состоит в том, что у ее спутников нет резонанса с движением Земли, поэтому они более стабильны и не нуждаются в периодической коррекции. Их орбита так устроена, что эту систему можно использовать и в полярных регионах, где GPS работает плохо.
Недостатком российской системы является небольшой срок эксплуатации спутников — семь лет. Официально программа была начата в 1976 году, первый спутник по программе "Глонасс" СССР запустил в 1982 году, в 1991 году спутников было 12 и в 1993 году система начала эксплуатироваться. В 1995 году были запущены все запланированные 24 спутника, однако к 2001 году это количество из-за их небольшого срока службы и проблем с финансированием сократилось до 6. В нулевые годы программа возобновилась и к 2017 году на орбиту вывели 27 спутников.
Другие системы спутниковой навигации
В 2016 году в Евросоюзе официально введена в эксплуатацию система Galileo (хотя пока в режиме начальной производительности). Сейчас она состоит из 26 спутников (планируется 30).
В Китае с 2012 года работает собственная навигационная система — BeiDou, на данный момент на орбите находится 21 спутник (планируется 35). Сейчас эта система работает в качестве региональной, покрывая территорию Китая, но к 2020 году планирует выйти на глобальный уровень.
Также собственные системы спутниковой навигации разрабатывает Франция (DORIS), Индия (IRNSS), Япония (QZSS).