Кожного дня мільйони людей знаходять дорогу, ведуть навігацію за допомогою супутникової системи навігації, а саме GNSS(Global Navigation Satellite System). Ми не задумуємося, що таке GPS, який принцип роботи GPS навігатора, а також яким чином наш смартфон з точністю до декількох метрів вказує на розташування.
Сьогодні розпишу коротко, як працює GPS, що таке A-GPS та системи коригування GPS.
Коротка історія
У 20 столітті США та СРСР розробили власні супутникові навігаційні системи, GPS та ГЛОНАСС, які спочатку використовувалися виключно в військових цілях.
Згодом, після трагедії Boeing 747 над Сахаліном, GPS стала доступною для цивільних, але її точність була штучно занижена США. 2 травня 2000 року за рішенням президента Білла Клінтона це обмеження («Selective Availability») було повністю знято, зробивши GPS незамінним інструментом для навігації в повітрі та на землі (радіус точності до ~10 метрів або більше, особливо за використання спеціальних систем уточнення та «військового» GPS).
Принцип роботи GPS
Тепер розберімось, по якому принципу працює супутникова навігаційна система.
На висоті приблизно 20 200 км над Землею обертається угруповання з 32 супутників (хоча для повноцінної роботи системи достатньо 24). Вони розташовані так, щоб у будь-якій точці планети ваш пристрій “бачив” щонайменше 4 з них.
Як визначається положення
Уявіть, що ваш смартфон — це «сліпий» слухач. Він не відправляє нічого в космос, він лише слухає.
- Супутник постійно надсилає сигнал: “Я супутник №5, мій час відправки сигналу Х”.
- Телефон ловить сигнал і бачить затримку. Знаючи швидкість світла (~300 000 км/с), він обчислює відстань до супутника.
- Отримавши радіус від трьох супутників, телефон знаходить точку їх перетину. Це і є ваші координати.
Роль четвертого супутника
Якщо трьох супутників достатньо для координат (широта, довгота, висота), навіщо потрібен четвертий?
- На супутниках стоять надточні атомні годинники.
- У вашому смартфоні — дешевий кварцовий чип, який має похибку. Навіть мікросекунда розбіжності в часі дає помилку в кілометри. Четвертий супутник потрібен саме для синхронізації часу, щоб усунути цю похибку.
A-GPS або як покращили точність GPS на смартфоні
Багато користувачів запитують: чи працює GPS без інтернету? Так, модуль ловить сигнал супутників автономно. Але без мережі це відбувається повільно.
Тут на допомогу приходить A-GPS (Assisted GPS). Ця технологія завантажує дані орбіт (альманах) через мобільний інтернет, скорочуючи час «холодного старту» з кількох хвилин до секунд. Крім того, A-GPS економить заряд батареї, оскільки приймачу не потрібно сканувати все небо навмання.
Таким чином GPS доповнена даними з інших джерел, що впливає на точність розрахунків, а також швидкість обробки інформації.
Як працює GPS-трекер і чим він відрізняється від смартфона
Окремо варто згадати принцип роботи GPS-трекерів (маячків для авто чи тварин). Принцип визначення координат у них такий самий, як у телефоні, але є важлива відмінність у передачі даних.
- Смартфон: визначає точку і показує її вам на екрані (на карті Google чи Waze).
- GPS-трекер: визначає координати, а потім передає їх на сервер через GSM-модуль (SIM-карту).
Саме тому для роботи трекера і відстеження об’єкта в реальному часі обов’язково потрібне покриття мобільної мережі, тоді як звичайний навігатор може працювати офлайн (якщо завантажені карти).
Системи уточнення GPS
Оскільки система GPS все більше використовується в більшості сфер, система знайшла місце в аеронавігації. Наприклад, уже не дивно, що легка авіація як основний засіб навігації в візуальних польотах використовує GPS у зв’язці із продуманими системами авіоніки.
Що стосується важкої авіації, система GPS також працює як резервна, а інколи і як основна(або як доповнення чинної, наприклад, інерціальної системи). Для візуальних польотів або навігації на дорогах висока точність не надзвичайно потрібна. Проте для виконання інструментальних заходів на посадку (як по системі ILS) висока точність критично важлива.
Для цього існують системи диференціальної корекції (SBAS), які підвищують точність до 1-2 метрів. Найвідоміші з них:
- EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) — покриває Європу. Вони працюють за таким принципом: мережа наземних станцій з точно відомими координатами приймає сигнали GPS, виявляє похибки (наприклад, через атмосферні спотворення) і через геостаціонарні супутники передає коригувальні поправки прямо на ваш приймач.
- WAAS (Wide Area Augmentation System) — працює в Північній Америці.
Незалежні аналоги GPS у світі
Хоча ми звикли називати все “GPS”, правильно казати GNSS (Глобальна навігаційна супутникова система). Сучасні смартфони вміють працювати з усіма системами одночасно:
| Система | Країна/Регіон | Статус |
| GPS | США | Глобальна, найпоширеніша |
| Galileo | ЄС | Найточніша цивільна система |
| BeiDou | Китай | Глобальна, повне покриття |
| GLONASS | РФ | Глобальна (спадщина СРСР) |
| QZSS | Японія | Регіональна (надточна для Азії) |
Завдяки мультисистемності, якщо сигнал GPS глушиться або слабкий (наприклад, у “колодязях” висоток), телефон перемикається на Galileo або BeiDou.
GPS може бути вразливою до методів радіоелектронної боротьби, таких як глушіння та спуфінг. Про це розказав в окремій статті про глушіння GPS.
Отже
Стрілка на карті вашого смартфона — це результат злагодженої роботи атомних годинників у космосі, наземних серверів та складних алгоритмів у вашому чипі. Від військової розробки часів Холодної війни ця технологія перетворилася на незамінний інструмент, без якого важко уявити сучасну логістику та подорожі.
