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 круговій орбіті землі крутяться супутники системи GPS. На цей час їх 32, така кількість забезпечує хороше покриття.
Супутники GPS обертаються на середній навколоземній орбіті (MEO) на висоті приблизно 20 200 км.
Як визначається положення
Уявіть собі 32 супутники, що обертаються навколо Землі на висоті 20 200 км. Кожен з них постійно надсилає сигнали, що містять інформацію про час. Наш телефон, подібно до радара, “ловить” ці сигнали та, знаючи швидкість світла (~300,000 км/с), може розрахувати відстань до супутника.
Перекриття трьох сфер з радіусами, що дорівнюють цим відстаням, дає нам загальне уявлення про наше місцеперебування.
Але для точного визначення координат потрібен четвертий супутник. Його головна задача — синхронізація часу. На супутниках встановлені надточні атомні годинники вартістю в сотні тисяч доларів. У вашому смартфоні — лише звичайний кварцовий генератор. Сигнал від четвертого супутника дозволяє приймачу обчислити цю різницю в часі та усунути похибку, яка інакше робила б навігацію неможливою.. Ось тут і приходить на допомогу A-GPS.
A-GPS або як покращили точність GPS на смартфоні
A-GPS (Assisted GPS) – це технологія, що допомагає вашому телефону швидше знаходити супутники. Замість того, щоб чекати, поки кожен супутник по черзі надішле сигнал, A-GPS використовує інформацію з мережі мобільного зв’язку або Wi-Fi, щоб отримати приблизне розташування супутників.
Це значно скорочує час, необхідний для визначення вашого точного місцеперебування.
Таким чином GPS доповнена даними з інших джерел, що впливає на точність розрахунків, а також швидкість обробки інформації.
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
оча GPS є найвідомішою, вона не єдина. Більшість сучасних пристроїв працюють одразу з кількома системами, що підвищує надійність:
- GLONASS (Росія): глобальна навігаційна супутникова система, розроблена ще за часів СРСР.
- Galileo (Європейський Союз): сучасна система, що відрізняється високою точністю та створена для цивільного використання.
- BeiDou (Китай): глобальна система, що активно розвивається і вже має повне покриття.
- QZSS (Японія): регіональна система, що доповнює GPS та покращує точність сигналу над Японією та Східною Азією.
Важливо зазначити, що всі ці системи сумісні, тобто приймач GPS може отримувати сигнали з супутників BeiDou, Galileo та ГЛОНАСС, а також з GPS. Це дає користувачам доступ до більш точного та надійного сигналу, особливо в тих регіонах, де сигнал GPS може бути слабким або недоступним.
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 складної та злагодженої роботи десятків супутників, наземних станцій корекції та технологій мобільного зв’язку. Від військових розробок минулого століття до незамінного помічника у повсякденному житті — система глобальної навігації є одним із найяскравіших прикладів того, як високі технології роблять наше життя простішим і безпечнішим.
