Як працює GPS навігація

Як працює GPS навігація

Практично кожен сучасний телефон вже має вбудований модуль GPS-приймачем, за допомогою якого є можливість досить точно визначити своє місце розташування на планеті Земля. Для роботи та точного визначення місця розташування, GPS не потрібно інтернет, вишки мобільних мереж. Система може працювати навіть посеред пустелі далеко від цивілізації. Ми знаємо, що це можливо завдяки супутникам, - але як саме це працює?

Основою системи GPS є навігаційні супутники, що рухаються навколо Землі по 6 круговим орбітальним траєкторіях (по 4 супутника в кожній), на висоті 20180 км. Супутники GPS обертаються навколо Землі за 12 годин, їх вага на орбіті становить близько 840 кг, розміри - 1.52 м. В ширину і 5.33 м. В довжину, включаючи сонячні панелі, що виробляють потужність 800 Ватт. 24 супутника забезпечують 100% працездатність системи навігації GPS в будь-якій точці земної кулі. Максимальне можливе число одночасно працюючих супутників в системі NAVSTAR обмежено числом 37. На даний момент на орбіті перебуває 32 супутника, 24 основних і 8 резервних на випадок збоїв.

text 1

Оскільки відомо, що кожен з супутників робить по два оберти навколо планети за добу, то ставати неважко обчислити, що швидкість їх руху становить приблизно 14 000 км / ч. Саме розташування супутників, так само як і нахил їх орбіт, аж ніяк не випадково: вони розташовані так, щоб з будь-якої відкритої точки планети було видно хоча б чотири супутники - саме таке мінімальна кількість, необхідна для визначення місця розташування об'єкта на Землі. Чому саме чотири і як це працює?

Щоб виміряти якесь дуже довгу відстань, ми можемо послати сигнал і заміряти час, за яке він досягне потрібної точки або відіб'ється від неї і дійде до нас знову (головне при цьому точно знати швидкість руху сигналу). У другому випадку час доведеться ділити на два, оскільки сигнал пройшов подвоєне відстань. Цей спосіб зветься ехолокація, і спектр його застосування досить широкий: починаючи від вивчення форми морського дна (тут сигналом виступає ультразвук) і закінчуючи радарами (сигнал - електромагнітні хвилі).

Проблема в тому, що при використанні цього способу ми повинні заздалегідь знати, де знаходиться приймач. У випадку з системою GPS приймачем сигналу є саме ви, що стоїть на Землі. Супутник не має жодного уявлення про ваше місцезнаходження, він не знає, де ви, і ніколи не дізнається, тому відправляє сигнал відразу на всю поверхню планети під ним. У цьому сигналі він кодує інформацію про те, де розташований сам, а також в будь-який час за його власним годиннику сигнал був відправлений, і на цьому його робота закінчується.

text 2

GPS -модуль у вас в руках отримав координати супутника та інформацію про час відправлення сигналу. Програма у вашому телефоні примножує швидкість поширення сигналу (тобто швидкість світла) на різницю між часом отримання і часом відправлення, вираховуючи таким чином відстань до кожного супутника. Якби годинник модуля були в точності синхронізовані з годинником всіх сателітів, то знадобилося б ще два супутники, щоб визначити місце розташування за допомогою так званої тріангуляції.

Щоб зрозуміти принцип дії тріангуляції, давайте на секунду перейдемо в двомірне простір. Уявіть собі дві точки на площині, розташовані на відомій відстані один від одного, припустимо 5 метрів. Ви також знаєте, що якась нова точка знаходиться, в свою чергу, на відомих відстанях від перших двох - наприклад 3 і 4 метри відповідно. Щоб знайти цю нову точку, ви можете провести дві окружності з радіусами 3 і 4 метри і центрами в першій і другій точках відповідно. Дві отримані окружності перетнуться рівно в двох точках, одна з яких і буде шуканої.

Повернемося в тривимірний простір. Тепер нам вже потрібні три опорні точки, якими є наші супутники, і «креслити» навколо них ми будемо не окружності, а сфери. Всі три сфери відразу в загальному випадку будуть мати дві точки перетину, але одна з них знаходиться «над» місцем розташування супутників, дуже високо в космосі - вона нам явно не потрібна. А ось друга - це як раз ваше місце розташування.

Для визначення місця розташування в просторі необхідно знати точний час і мати точний інструмент для його вимірювання.

Реальна задача ускладнюється тією обставиною, що час на годиннику вашого телефону не збігається з тим, що показують годинник супутників, і ваш годинник є на кілька порядків менше точними. Взагалі кажучи, час створює кілька додаткових складнощів у вирішенні цієї проблеми. Так, наприклад, супутники схильні до ефектів релятивистского і гравітаційного спотворення часу. Насправді швидкість ходу годинника, відповідно до теорії відносності, залежить в тому числі від сили гравітації в тій точці, де ці години розташовані, а також від швидкості їх руху.

На висоті 20 000 кілометрів над Землею гравітація досить слабка, а супутники літають, як ми вже розібралися, досить швидко. Через суми цих ефектів годинник доводиться коригувати в цілому на 38 мілісекунд за добу. Якщо здається, що це мало, нагадаю, що електромагнітний сигнал, що рухається зі швидкістю світла, пройде за цей час приблизно 11 000 км - приблизно такий і може бути похибка при визначенні координат.

Друга проблема - точність самих годин. При зазначених швидкостях сигналів кожна мільйонна частка секунди, виміряна з похибкою, може спровокувати великі помилки. Через це супутники старого формату дозволяють визначити місце розташування не дуже точно і можуть «обдурити» на цілих 10 метрів. Починаючи з 2010-го на заміну старим запускають нові супутники, оснащені атомними годинами, і їх похибка зменшилася до 1 метра.

Інший шлях вирішення проблеми - спеціальні наземні станції корекції. Вони використовуються на території деяких країн і принцип їх роботи такий: приймаючи дані про розташування того чи іншого об'єкта, вони коригують їх, і в результаті користувач гаджета отримує більш достовірну інформацію про власне місцезнаходження.

Чим більше джерел сигналу, тим точніше результат вимірювання, ось чому в мегаполісі орієнтуватися по навігатору буде простіше, ніж в пустелі.

Однак атомний годинник - пристрій громіздке і дороге, тому, щоб вирішити проблему часу приймача, потрібен ще один супутник. Він теж передає інформацію про своє місцезнаходження і моменті відправки сигналу. І тепер наше простір стає трьох-, а чотиривимірним. Невідомими є широта, довгота, висота і час приймача в момент відправки сигналів. Положення в цих чотирьох вимірах нам і потрібно визначити, для чого по аналогії з двовимірним і тривимірним просторами нам потрібні саме чотири супутники.

Звичайно ж, в реальності добре, коли вдається «піймати» сигнал від більшого числа джерел, і в великих містах і населених районах з цим проблеми немає: можна легко побачити одночасно десяток сателітів, які забезпечать досить високу для побутового використання точність.

Однак початковий пошук супутників теж не найпростіше завдання. У старих апаратах пристрою могло знадобитися чимало часу, аж до декількох хвилин, щоб вловити і розібрати сигнал від потрібного числа космічних об'єктів. Тоді це називалося «холодний старт», і для того, щоб прискорити процес, придумали отримувати дані про поточне місцезнаходження небесних тіл з інтернету. Але при переміщенні приймача на велику відстань (десятки кілометрів) або при дуже довгому бездіяльності «холодний старт» доводилося робити заново. У сучасних пристроях модуль періодично включається сам, оновлюючи інформацію, тому подібної проблеми більше немає.

До речі кажучи, до 2000 року точність для цивільних осіб була штучно занижена, і знайти своє розташування дозволялося не ближче, ніж за 100 метрів від реального. Оскільки GPS створювалася, фінансується і підтримується міністерством оборони США, військові хотіли мати певну перевагу. З розвитком і все більш активним впровадженням технології в життя цивільного населення це штучне обмеження було прибрано.

Супутник не отримує даних про жодні GPS -улаштування на поверхні Землі і в повітряному просторі, тому послуга безкоштовна. Ми просто не зможемо дізнатися, хто конкретно їй користується. Виходить, рецепт рішення загальнолюдської проблеми під кодовою назвою «А де я перебуваю?» Надзвичайно простий: односторонній зв'язок і нехитрі математичні розрахунки.

Сьогодні область застосування системи глобального позиціонування GPS досить обширна. Все частіше GPS -приймачі вбудовують в мобільні телефони і комунікатори, в автомобілі, годинники і навіть в собачі нашийники. Люди звикають до такого блага як GPS навігація, і пройде зовсім небагато часу як вони вже не зможуть обійтися без неї. Саме тому варто сказати пару слів про недоліки GPS.

Недоліками GPS навігації є те, що при певних умовах сигнал може не доходити до GPS-приймач, тому практично неможливо визначити своє точне місцезнаходження в глибині квартири всередині залізобетонного будівлі, в підвалі або в тунелі. Робоча частота GPS знаходиться в дециметровому діапазоні радіохвиль, тому рівень прийому сигналу від супутників може погіршитися під щільною листям дерев, в районах з щільною міською забудовою або через велику хмарності, а це позначиться на точності позиціонування. Магнітні бурі і наземні радиоисточники теж здатні перешкодити нормальному прийому сигналів GPS. Карти, призначені для GPS навігації, швидко застарівають і можуть бути не точними, тому потрібно вірити не тільки даними GPS-приймач, а й своїм власним очам. Особливо варто відзначити, що робота глобальної системи навігації GPS повністю залежна від міністерства оборони США і не можна бути впевненим, що в будь-який момент часу США не включить перешкоду (SA - selective availability) або взагалі повністю відключить цивільний сектор GPS як в окремо взятому регіоні, так і взагалі. Претенденти вже були.

У системи GPS є менш популярна і відома альтернатива у вигляді навігаційних систем ГЛОНАСС (Росія) і Galileo (ЄС), які в перспективі повинні набути широкого поширення. Так само ведеться робота по розробці чіпів навігації підтримують відразу три системи позиціонування GPS, Galileo і ГЛОНАСС.