Просто блог, і нічого більше

Як працює GPS

Кожного дня мільйони людей знаходять дорогу, ведуть навігацію за допомогою супутникової системи навігації, а саме GNSS(Global Navigation Satellite System). Ми не задумуємося, який принцип роботи системи, 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.

Історія

Наприкінці 20-го століття СРСР почав продумувати новітню незалежну навігаційну супутникову систему.

США тим часом також розробляв схожу систему, і 1993 року вивели 24 супутники на геостаціонарну орбіту.

Таким чином довгий час, з появи першого штучного супутника, система була виключно для воєнних.

Після катастрофи Boeing 747 над Сахаліном GPS стала доступною, але з обмеженнями по точності(обмеження в точності радіусом до ~100 метрів). І лише на початку 21-го століття обмеження були зняті, і система сталі достатньо точною для потреб цивільних, а саме для повітряної та наземної навігації (радіус точності до ~20 метрів).

Принцип роботи GNSS

Тепер розберімось, по якому принципу працює супутникова навігаційна система.

На круговій орбіті землі крутяться супутники системи GPS. На цей час їх 32, чого більш ніж достатньо.

Повертаються супутники нижче геостаціонарної орбіти, приблизно на висоті 20 200км над рівнем моря.

Як визначається положення

По-перше, ми, використовуючи телефон як навігатор, нічого не відправляємо супутнику, а лише отримуємо сигнал. Сигнал з інформацією про час відправлення. Знаючи те, що сигнал до нас рухався зі швидкістю світла, а також час, коли ми його отримали, за допомогою формули l = (t2-t1)*c отримуємо відстань до супутника.

Якщо сформувати сферу із “області можливого положення” радіусом із відстані до супутника, яку отримали раніше, можна передбачити, де ми, можливо, знаходимось. Та цього недостатньо. Отож, добавимо іще 2 супутники, і отримаємо перетин сфер, які дадуть точне положення із тими самими координатами на смартфоні. Та не все так просто.

Пам’ятаєте, мова йшла про час при розрахунках. Так ось: наші годинники в телефоні недостатньо точні для таких вимірів(на супутнику використовують високоточні атомні годинники, до речі, уповільнені у зв’язку із затримкою часу на супутниках). В хід вступає четвертий супутник, який допоможе скоригувати результат і дасть точне розташування.

Проте це не все. Дані отримувались із затримкою в 14-15 хвилин) Так довго, тому що супутник передає не лише час, а цілий пакет важливих даних при “холодному” старті. На допомогу прийшла система Assisted GPS, про яку далі.

A-GPS

Така технологія допомагає прискорити перший контакт із супутником. При використанні A-GPS девайс отримує дані не лише із супутника напряму. Також інформація може бути отримана з станції телефонних операторів, або, що зараз також актуально – WiFi-мережі або мобільний інтернет.

Схема роботи A-GPS

Таким чином GPS доповнена даними з інших джерел, що впливає на точність розрахунків, а також швидкість обробки інформації.

Системи коректування

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). Проте якщо для візуальних польотів, або навігації на дорогах висока точність не надзвичай потрібна, для виконання інструментальних заходів на посадку(як по системі ILS), висока точність важлива. Для цього існують системи корекції, про які далі.

Системи диференціальної корекції (GNSS Augmentation systems) – системи покращення характеристик супутникових навігаційних систем, а саме їх точності та надійності.

В основі роботи є внесення поправок в розрахунок положення, а саме даних із точного положення станцій, сотових станцій тощо.

Незалежні аналоги GPS у світі

Як відомо, супутники GPS родом із США. Проте на орбіті крутяться не лише вони. Також у різній кількості обертаються супутники таких систем як:

  • BEIDOU – Китай
  • Galileo – Європа
  • Глонасс – Росія