Благодаря GPS-модулям мы пользуемся картами в телефонах и указываем место доставки даже не вводя свой адрес. Рассказываем, как работает эта технология и что для этого нужно.
В этой статье мы говорим об американской GPS, но аналогичная была в СССР и есть в России — ГЛОНАСС. Принцип действия такой же, поэтому в современных навигационных чипах используется одновременно и GPS, и ГЛОНАСС.
Что такое GPS
GPS — это аббревиатура от Global Positioning System (система глобального позиционирования). Это навигационная спутниковая система, которая предоставляет информацию о местоположении и времени в любой точке Земли при наличии прямой видимости не менее четырёх спутников (об этом ниже). Краткая история GPS такая: её придумали в США в 1970-х годах, чтобы военные могли получать точные координаты объектов на Земле, а в 2000 году этой системой разрешили пользоваться всем.
Триангуляция
В основе GPS лежит идея триангуляции точки в пространстве. Чтобы было проще, начнём издалека.
Чтобы определить положение точки в пространстве, достаточно знать расстояние от неё до трёх других точек с заранее известными координатами. В геодезии и радиосвязи это называется триангуляция — когда мы по координатам трёх точек можем вычислить, где находится четвёртая (наша). В сотовых телефонах без GPS-модуля это работает так:
- Сотовый телефон ловит сигналы от трёх вышек радиосвязи.
- В этих сигналах передаются, в числе прочего, координаты самих вышек.
- Телефон замеряет время, за которое проходит сигнал до каждой вышки.
- На основе этого времени высчитывает координаты своего местоположения с точностью 10–20 метров.
Теперь, когда мы знаем основную идею, переходим к спутникам.
Как работает GPS
В GPS-позиционировании вместо вышек связи выступают спутники. Задача каждого спутника — постоянно передавать на землю свои координаты, информацию о времени и другие служебные данные. Всё это отправляется со спутника в виде радиосигналов на частоте примерно 1,5 гигагерца со скоростью 50 бит в секунду. Постоянно. Круглосуточно. Вот прямо сейчас у вас над головой висит спутник и говорит: я вот тут, время такое-то; я вот тут, время такое-то; я вот тут, время такое-то.
Чтобы рассчитать точное расстояние до спутника, нужно очень точно измерять время прохождения сигнала. Для этого в каждый спутник ставят атомные часы, которые передают время с точностью 10−11 секунды. Это позволяет вычислить положение каждого спутника с точностью до нескольких метров.
За работу GPS в телефонах отвечает отдельный радиомодуль — он настроен на частоты спутников, и в нём есть все нужные алгоритмы расчётов. И вот теперь нам пригодится логика триангуляции, которая в случае со спутниками называется трилатерацией:
- Телефон получает сигнал от первого спутника, но это ему ничего не даёт.
- После получения сигнала от второго спутника телефон понимает примерную окружность, в которой он находится. При этом окружность может иметь сотню километров в диаметре, поэтому точных координат пока нет.
- После сигнала от третьего спутника телефон может посчитать примерное местоположение с точностью около 10 метров.
- А вот после сигнала от четвёртого и всех последующих спутников — с точностью до метра.
Технически можно определить местоположение и по трём спутникам, только оно будет неточным и нужно долго стоять на одном месте. Четвёртый спутник сильно упрощает вычисления и даёт как раз нужную точность. Все остальные найденные спутники помогают уточнить позицию и служат для подстраховки — если один уйдёт из зоны видимости, телефон пересчитает местоположение по оставшимся.
Наземные станции GPS
Чтобы спутники всегда знали свои координаты и были синхронизированы по времени, они поддерживают связь с наземными станциями. Там установлены большие антенны, которые передают на спутники уточнённые данные об их местоположении, о соседних спутниках, параметрах движения и прочую информацию, которая нужна для работы системы. Эти данные наземные станции рассчитывают на основе информации от всех спутников в режиме реального времени.
Если бы не было этих станций, из-за постоянного смещения орбиты, влияния атмосферы и космических помех спутники бы начали давать неверные данные. В итоге со временем точность позиционирования падала бы всё сильнее, пока не испортилась бы окончательно. Чтобы этого не произошло, каждые несколько часов на спутники отправляется новая порция данных.
Для чего используется GPS
У GPS много применений:
- Навигация. Автомобильная навигация обеспечивает водителей картами и маршрутами, морская помогает определять местоположение судов. в открытом океане, а авиационная позволяет пилотам определять курсы и маршруты.
- Отслеживание. С помощью GPS мониторят грузы и транспорт в логистике, отслеживают местоположение людей и домашних животных по личным трекерам, а также находят украденные автомобили и оборудование.
- Научные исследования. Геодезисты и картографы используют GPS, чтобы создавать точные карты и измерять земную поверхность, а метеорологи — чтобы изучать изменения атмосферы и погоды.
- Точное время и синхронизация. GPS позволяет управлять электрическими сетями, синхронизировать время для банковских операций, телекоммуникационные сети и базовые станции.
Альтернативные технологии: Глонасс, Бэйдоу и Галилео
GPS — первая, но не единственная система глобального позиционирования. Сейчас в мире работают ещё три подобные системы такого уровня. У них разные рабочие частоты, но одинаковый принцип действия:
- ГЛОНАСС — российская система, в которой 27 спутников (у GPS — 32). У неё выше точность, чем у GPS;
- Бэйдоу — принадлежит Китаю, сейчас туда входит 15 спутников — это минимальное количество для стабильной работы навигации;
- Галилео — европейская система, 23 спутника.
С какой системой работать — зависит от того, какой модуль стоит в приёмнике (в телефоне или навигаторе). Сейчас большинство смартфонов поддерживают работу всех систем, кроме Галилео, — это значит, что для позиционирования могут использоваться сразу 20–30 спутников. Это не даёт прироста к точности, зато даёт надёжность — если спутники одной системы будут недоступны, можно сориентироваться по другим.
Холодный и горячий запуск
При первом поиске точных координат телефон может потратить на это около минуты, обычно — секунд 30–40. За это время телефон находит сигналы от спутников, рассчитывает расстояние, вычисляет своё местоположение и уточняет его по другим спутникам. Параллельно с этим, если есть интернет или мобильная связь, телефон вычисляет своё примерное местоположение — это ускоряет получение более точных координат. Такой запуск называется холодным — когда связи со спутниками не было долгое время. В приложении это выглядит как точка, которая постоянно движется по карте, пока не замирает в одном месте.
Горячий запуск — это когда с момента последнего определения координат по спутникам прошло не больше 10–15 минут. Телефон уже помнит свои последние координаты и на основе старых данных и схеме движения спутников примерно рассчитывает своё местоположение. В это же время он связывается со спутниками, получает данные и уточняет свои координаты. При горячем запуске на это уходит 5–10 секунд.
Почему в помещении GPS работает плохо (или не работает совсем)
Многие думают, что для работы GPS-приёмника нужно находиться на открытом воздухе, чтобы было видно небо (или чтобы не было преград между телефоном и небом). На самом деле радиоволнам всё равно, видите вы небо или нет: они распространяются по законам физики и могут доходить до приёмника сквозь стёкла машин, листву, навес сарая или даже стены.
На этих частотах работает правило, что чем толще препятствие, тем сложнее радиосигналу проникнуть внутрь. Проще говоря, чем толще стены и чем глубже вы находитесь внутри, тем хуже будет GPS-позиционирование (или его не будет вообще). Но даже в помещении недалеко от окна вполне реально поймать несколько спутников и точно определить свои координаты.
Другое дело — спутниковая телефонная связь. Там на самом деле нужно быть на открытом месте, потому что требования к частотам и качеству связи там совсем другие.
