GPS (Global Positioning System)— это система глобального позиционирования, помогающая прокладывать маршруты и ориентироваться на местности. Представьте, что вы забрели в незнакомый район и не знаете, как добраться до дома. Скорее всего, вы достанете из кармана смартфон, включите GPS — и проблема решена. Всего несколько лет назад пришлось бы использовать офлайн-карты или спрашивать дорогу у прохожих. Рассказываем, как GPS определяет местоположение и какие аналоги есть у системы.
История создания системы навигации GPS
Идея разработки технологии GPS зародилась в 1950-е годы, когда на орбиту Земли вышел советский космический спутник. Группа ученых из США во главе с Ричардом Кешнером обнаружила, что частота его сигнала постоянно меняется: уменьшается при отдалении и увеличивается при приближении. Исследователи поняли, что, определив точные координаты спутника, можно узнать свою геопозицию и наоборот.
В 1978 году Соединенные Штаты вывели на земную орбиту экспериментальный спутник GPS Block-I, рассчитывая использовать его для определения геопозиции объектов на Земле. Но этого оказалось недостаточно для полноценной работы системы позиционирования. Она начала функционировать лишь 17 января 1994 года, после запуска 24-го космического аппарата.
Изначально GPS использовали только в военных целях, но с 1980-х годов она стала доступной для всех. Правда, не бесплатной. Нужно было приобрести дорогостоящий навигатор и ежемесячно платить за доступ к сигналам, поступающим с орбиты Земли, — только крупные компании могли себе это позволить.
В 1993 году было решено отменить плату за доступ к GPS. 1 мая 2000 года пресс-служба Белого дома объявила, что функционал гражданской и военной версий спутниковых систем стал одинаковым. А именно — точность определения координат увеличилась со 100 до 20 метров.
Принцип работы GPS-навигации
Global Positioning System состоит из трех взаимосвязанных сегментов:
- Космический — 32 спутника, вращающихся на земной орбите на высоте около 20 тысяч километров.
- Контрольный — станции для управления и мониторинга, а также наземные антенны.
- Пользовательский — многочисленные приемные устройства, в том числе смартфоны и автомобильные навигаторы.
Вся эта система функционирует при помощи трилатерации — технологии, которая позволяет приемным устройствам получать сигналы космических спутников.
Рассмотрим принцип работы GPS на примере чипа для определения геолокации. Он встроен в большинство современных смартфонов, планшетов, компьютеров и других гаджетов. Космические аппараты одновременно передают чипу сигнал со скоростью света — ее постоянная величина равна 299 792 458 метров в секунду.
- Сигнал со спутника №1 приходит в 5:12:15.
- Сигнал со спутника №2 приходит в 5:12:16.
- Сигнал со спутника №3 приходит в 5:12:17.
Используя простую математику, GPS-приемник рассчитывает, что расстояние до спутника №1 составляет около 300 тысяч метров, до спутника №2 — 600 тысяч метров, до спутника №3 — 900 тысяч метров. Приемное устройство имеет доступ к текущему местоположению каждого спутника и эта информация позволяет ему определить собственные координаты.
Ключевая особенность системы навигации GPS — для ее стабильной работы на орбите должно находиться не менее 24 спутников. Сейчас их 32 и в скором будущем Соединенные Штаты планируют запустить еще 9. Это выведет Global Positioning System на новый уровень: ее обновленная версия получит название GPS III. Система будет работать на новой частоте L1C, собирать данные со спутниковой навигации других стран и использовать их для расчетов. По словам разработчиков, в будущем GPS станет настолько точной, что сможет определить, где находится ваш телефон: в кармане или в рюкзаке.
«Холодный» и «горячий» запуск
При первом поиске геопозиции объекта GPS показывает результат спустя 30–60 секунд. За это время датчик устройства улавливает сигналы, посылаемые спутниками, определяет расстояние до них и вычисляет собственное местоположение. Такой запуск называют «холодным», так как системе требуется время на разогрев, подготовку к работе.
GPS-датчик хранит полученные данные, пока они остаются актуальными. Для координат спутников этот срок равен 30 минутам, для остальной информации — 30 дням. Наличие актуальных данных упрощает алгоритм работы навигатора, поэтому на определение геопозиции уходит 5–10 секунд. В этом случае запуск называют «горячим».
Для чего нужен GPS
Определение координат объектов необходимо во многих сферах — от промышленности до медицины. С его помощью самолет может выполнить автоматическую посадку, а спасатели — максимально быстро найти пострадавших.
Кроме того, возможность определения геолокации позволила создать беспилотный транспорт и сельскохозяйственное оборудование с автоматическим управлением. А еще — обеспечила проведение множества научных исследований. Например, измерение активности вулканов и смещения земной коры после землетрясений.
Разновидности GPS-устройств
GPS-чипы есть не только в смартфонах, но и в более узкоспециализированных устройствах. Расскажем о каждом из них подробнее.
Трекеры
Основное назначение GPS-трекера — определение и передача координат объекта. Например, можно установить такое устройство на автомобиль или положить в карман пожилого человека, страдающего от провалов в памяти. GPS-трекеры встраивают и в ошейники для домашних питомцев — они позволяют, например, быстро найти собаку, которая сорвалась с поводка и убежала в неизвестном направлении.
Трекеры полезны и для путешественников. Например, если авиакомпания потеряет багаж или рассеянный пассажир по ошибке заберет ваш чемодан вместо своего, будет проще разыскать пропажу.
Навигаторы
Помимо автомобильных навигаторов, существуют GPS-устройства, предназначенные для спортсменов: легкоатлетов, триатлонистов, велосипедистов. Такие гаджеты фиксируют пройденную дистанцию, считают шаги, измеряют частоту пульса, количество сожженных калорий и другие показатели.
Туристические GPS-навигаторы отличаются ударопрочным и влагостойким корпусом. Кроме того, они не теряют сигнал даже в горах и чаще леса. А если определить геопозицию все же не удалось, туриста спасут компас, топографические карты и высотомер — все это уже встроено в навигатор.
GPS-приемники
Приемники — профессиональное оборудование и определяет геолокацию объекта с точностью до миллиметра. Им пользуются при проведении геодезических работ, в авиации, военной промышленности и других сферах.
GPS-приемники бывают стационарными и переносными. Стационарные устройства чаще всего используют на морских судах и в геодезии. К ним можно подключить радиолокатор, дисплеи, компьютеры, системы автоматического управления судном и другие приборы. Переносные профессиональные GPS-приемники имеют небольшой дисплей и минимальное количество клавиш. Такие приборы можно использовать даже в самых суровых условиях: им не страшны ни переправа через реку, ни сорокаградусный мороз, ни облака строительной пыли.
Картплоттеры-эхолоты
Без этого девайса сложно представить себе современных мореплавателей и рыбаков. Его главные особенности — подробная карта водоемов и функция эхолокации. Опытные рыболовы утверждают, что картплоттеры-эхолоты помогают им обнаружить рыбные места и чаще возвращаться домой с уловом. Кроме того, картплоттер будет полезен во время сплавов по реке — он позволит вовремя обнаружить препятствия и обойти их.
Недостатки спутниковой системы GPS
Качество GPS-сигнала нестабильно: на него влияют погода, электромагнитные помехи и физические препятствия. В городах проблемы с определением местоположения могут возникнуть в туннелях или рядом с высотными зданиями. А на природе — в ущельях и в горах.
Кроме того, у правительства Соединенных Штатов есть возможность отключить другие страны от GPS — это уже случалось во время военных конфликтов. Но есть и хорошая новость — существуют аналоги американской навигационной системы, поэтому возвращаться к офлайн-картам не придется.
Какие еще технологии существуют
ГЛОНАСС
В 1982 году запустили российскую Глобальную навигационную спутниковую систему (ГЛОНАСС). Она определяет местоположение объектов по тем же принципам, что и GPS, но имеет большую погрешность: 3–6 м против 2–4 м у американского аналога. Кроме того, ГЛОНАСС покрывает лишь 70% планеты, в то время как GPS не работает только вблизи полярных кругов.
«Галилео» (Galileo)
Эта система принадлежит Европейскому космическому агентству. При этом над проектом трудились десятки стран, а большая часть спутников Galileo были выведены на земную орбиту с помощью советских ракет «Союз».
Galileo запатентовали в 1999 году, поэтому ее разработчики опирались на функционал уже существующих программ — ГЛОНАСС, GPS. Система не стала точной копией своих аналогов. Некоторые пользователи недовольны, что ее приложение занимает много памяти при скачивании и часто отражает рельеф местности, что усложняет изучение проложенных маршрутов.
«Бэйдоу» (BeiDou)
BeiDou разработали в Китае. По техническим характеристикам она уступает ГЛОНАСС и Galileo: если российской и американской системам достаточно 24 спутников, китайской версии необходимо не менее 35. Кроме того, BeiDou определяет местоположение объектов за пределами КНР с точностью не более 10 метров. Впрочем, рядовым пользователям этого достаточно.
