Как работает система gps простым языком

Глобальная система позиционирования – Global Positioning System – появилась в 50-е благодаря запуску спутника. Когда первый советский спутник вышел на орбиту, американцы обратили внимание: при отдалении он равномерно меняет частоту сигнала. Ученые проанализировали данные и поняли, что спутниковый сигнал позволяет точно определить координаты объектов на земле, а также скорость их передвижения. Первыми систему GPS взяли на вооружение военные: Министерство обороны запустило спутниковую навигацию в своих целях, но уже через несколько лет она стала доступна гражданским.

Сейчас на околоземной орбите находятся 24 спутника, которые передают сигналы привязки. Число спутников периодически меняется, но всегда остается достаточным, чтобы поддерживать бесперебойную работу Global Positioning System. На случай форс-мажора предусмотрены запасные спутники, и каждое десятилетие на орбиту выходят новые, модернизированные космические аппараты, потому что ничто не должно нарушить режим работы GPS.

Спутники вращаются по шести орбитам, образуя взаимосвязанную сеть. Ею управляют специальные станции GPS, которые расположены в тропиках, но связаны с координационным центром в Соединенных Штатах. Благодаря этой сети вы можете узнать точные координаты человека, машины или самолета со скоростью прохождения сигнала от спутников, то есть практически мгновенно, а точность показаний не зависит от погодных условий и времени суток. При этом само по себе использование Global Positioning System – бесплатное, и единственное, что нужно, чтобы пользоваться этой навигационной системой, – навигатор или другое устройство, поддерживающее функцию джипиэс.

В основе технологии – простой навигационный принцип маркерных объектов, который использовался задолго до появления GPS. Маркерный объект – это ориентир, координаты которого точно известны. Для определения координат объекта нужно знать также расстояние от него до маркерного объекта, тогда можно провести на карте линии в сторону маркеров от возможного местоположения: точка пересечения этих линий и будет координатами.

Спутники на околоземной орбите играют в GPS роль маркерных объектов. Они быстро вращаются, но их местоположение постоянно отслеживается, а в каждом навигаторе есть приемник, настроенный на нужную частоту. Спутники посылают сигналы, в которых закодирован большой объем информации, включая точное время. Данные точного времени – одни из самых важных для определения географических координат: ориентируясь на разницу между отдачей и приемом радиосигнала, спутники вычисляют расстояние между собой и навигатором.

Навигаторы – один из самых востребованных товаров на рынке гаджетов, по популярности их обгоняют только смартфоны. Но и в смартфоны производители встраивают чипы GPS, чтобы устройство могло выполнять функции навигатора. Однако здесь пользователя может подстерегать ловушка, потому что в погоне за прибылью производители допускают умышленные или случайные неточности в описании своего товара, позволяя покупателям перепутать технологии GPS и AGPS.

Джипиэс – бесплатная навигационная система высокой точности. Подписки на нее нет и быть не может, потому что американцы позволяют пользоваться своими спутниками для навигации безвозмездно. Владельцы смартфонов если и оплачивают, то только приложения или карты. У приемников GPS есть небольшие минусы: они работают только на улице, а из-за плохой погоды могут возникнуть проблемы с приемом сигнала от спутника, но эти недостатки решили с помощью технологии A-GPS (не путать с AGPS). Суть в том, что сигнал от приемника перенаправляют на сервер, на котором содержится вся информация о положении спутников, поэтому трудностей с приемом сигнала не существует. A-GPS используют все современные автомобильные навигаторы.

Но существует также сотовая навигация AGPS – она работает только в зоне покрытия сотовой сети и определяет местоположение с точностью до 500 м. Она менее точная в сравнении с GPS, дает общее представление о месте, где вы находитесь, зато предлагает спутниковую карту окрестностей. Важно, чтобы была подключена услуга мобильного интернета, а на счету оставались деньги. С сервисом AGPS работают Google Maps. Зачастую возможностей сотовой навигации достаточно, но ее все равно не стоит путать с точной и бесплатной системой GPS.

Самое простое навигационное устройство – внешний приемник. Он обращается к спутникам и принимает от них сигнал, но чтобы вы могли воспользоваться информацией, приемник нужно подключить к другому устройству – например, смартфону или ноутбуку, благо, он совместим со всеми востребованными гаджетами и программами. В крайнем случае вам потребуется карта. Приемники GPS используют пешеходные туристы: устройство недорогое, а для расшифровки информации, которую оно принимает, можно пользоваться даже обычной туристической картой местности. Нужно лишь, чтобы на нее была наложена навигационная сетка.

Но самое востребованное сегодня GPS-устройство – это автомобильный навигатор. Он намного сложнее и функциональнее приемника: навигатор больше похож на уменьшенную версию компьютера. Весь необходимый софт уже установлен производителем, операционная система закрытая. К навигации прибавляют много дополнительных функций, включая выход в интернет.

Отдельный класс устройств – смартфоны со встроенными приемниками GPS. Не путайте их с моделями, использующими сотовую навигацию! Система работает на смартфонах не так гладко, как на самостоятельных устройствах. Не все модели позволяют поставить полноценный навигационный софт, а если пользоваться онлайн-решениями, то функция станет недоступна при отключении интернета, и тогда исчезнет одно из преимуществ технологии: постоянный доступ. Однако смартфоны со спутниковой навигацией подходят для пешеходов – ориентироваться удобно и данные точные, поэтому вы не заблудитесь даже в непроходимой чаще.

Идея создания спутниковой системы навигации родилась в 50-е годы прошлого века. Американские учёные во главе с Ричардом Кершнером наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника, и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Тем самым, точно зная свои координаты на Земле, можно измерить положение и скорость спутника, и наоборот, зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты.

Первые шаги по созданию GPS были предприняты американцами в 1964 году с запуском спутников по программе Timation на околоземную орбиту. Изначально GPS задумывался как военная технология, но в процессе работы систему решили использовать для гражданских целей. Для этого специальным алгоритмом была уменьшена ее точность. Советские ученые начали работу над отечественной системой ГЛОНАСС в 76 году. Изначально она также имела лишь военное предназначение.

Система навигации состоит из трёх основных сегментов: космического, управляющего и пользовательского. Космический представлен 32-мя спутниками у GPS и 28-ю у ГЛОНАСС, вращающихся на средней орбите Земли. Управляющий сегмент состоит из нескольких станций мониторинга и наземных антенн, корректирующих данные о расположении объектов. Спутники транслируют сигнал из космоса, и все приёмники используют этот сигнал для вычисления своего положения в пространстве по координатам в режиме реального времени. Для этого приёмник должен принимать сигнал как минимум от трех (а лучше четырех) спутников.

Спутники GPS вращаются вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям по 4 спутника в каждой на высоте 20 180 км. За звездные сутки они совершают два полных витка вокруг Земли. Орбита спутников ГЛОНАСС в отличие от GPS располагается на высоте 19 400 км для более точного использования в северных и южных полярных регионах.

Спутники непрерывно отправляют сигнал на всю доступную поверхность планеты с информацией о своем расположении и времени на собственных часах. Они не принимают данных ни о каких устройствах-приемниках. Приемник получает координаты спутников и информацию о времени отправки сигналов и рассчитывает расстояние до каждого спутника. Это выполняется программой путем умножения скорости света на разницу между временем получения и временем отправки сигнала.

Задача усложняется тем, что время на часах принимающего устройства не совпадает с тем, что показывают часы спутников. Кроме того, спутники подвержены эффектам релятивистского и гравитационного искажения времени. На высоте 20 000 километров гравитация достаточно слаба, а спутники перемещаются с большой скоростью. Из-за этих эффектов часы приходится корректировать на 38 миллисекунд в сутки. Если этого не делать, то погрешность при определении координат на Земле может составлять около 10 км!

Рассчитав расстояние до каждого из трех-четырех спутников, приемник анализирует полученные данные и определяет свое точное местоположение.

Недостатками навигационных систем является то, что при определенных условиях сигнал от спутников может не доходить до приемника: например, в подвале или тоннеле. Также уровень приема может ухудшаться из-за большой облачности и магнитных бурь.

Приветствуем вас, любители комфортных пе­ре­ме­ще­ний! Сегодня мы по­го­во­рим про то, как работает GPS. А имен­но о том, как и зачем его раз­ра­бо­та­ли. Какие функции он вы­пол­ня­ет. Почему он не может ра­бо­тать без спут­ни­ков. И на чём во­об­ще ос­но­ван принцип его работы. Причём всё не только с ссыл­ка­ми на на­уч­ные ис­сле­до­ва­ния, но и с ин­те­рес­ной ин­фо­гра­фи­кой. Поэтому читать статью будет одно удо­воль­с­т­вие! А после её проч­те­ния вы будете точно знать, как работает GPS и для чего его можно ис­поль­зо­вать. Причём не только по пря­мо­му наз­на­че­нию, но ещё и в ка­чест­ве ар­гу­мен­та в споре с не­веж­да­ми.

GPS – это первая в мире система глобального по­зи­ци­о­ни­ро­ва­ния. Раз­ра­бот­ка которой на­ча­лась в 1973 году в рамках Ми­нис­тер­с­т­ва обо­ро­ны США [1]. А первый экс­пе­ри­мен­таль­ный спутник был за­пу­щен уже в 1978 году [2]. Что не­двус­мыс­лен­но намекает на не­об­хо­ди­мость су­щест­во­ва­ния спут­ни­ко­вой системы для воз­мож­нос­ти функ­цио­ни­ро­ва­ния GPS. И ниже будет под­роб­но описано, какие функции вы­пол­ня­ет каждый сег­мент системы, но сейчас важно за­фик­си­ро­вать, что без спут­ни­ко­вой системы GPS ра­бо­тать не может. А это значит, что факт наличия GPS яв­ля­ет­ся от­лич­ным до­ка­за­тельст­вом не­сос­то­я­тель­нос­ти те­о­рии плос­кой Зем­ли.

С другой стороны, GPS является отличным до­ка­за­тельст­вом сос­то­я­тель­нос­ти те­о­рии от­но­си­тель­нос­ти. Поскольку без учёта ряда ре­ля­ти­вист­с­ких эф­фек­тов система просто не может ра­бо­тать [3]. В част­нос­ти, без учёта гра­ви­та­ци­он­но­го синего сме­ще­ния Эйн­штей­на и красного сме­ще­ния Доп­ле­ра [4]. Ведь, если вы по­ни­ма­е­те, как работает GPS, то вам со­вер­шен­но очевидно, что без этих дан­ных просто тех­ни­чес­ки не­воз­мож­но выполнить точный расчёт мес­то­по­ло­же­ния от­с­ле­жи­ва­е­мо­го объекта [1]. Вот почему для кор­рект­ной работы GPS нужно 4, или в не­ко­то­рых слу­ча­ях, как ми­ни­мум, 3, спутника, от­сле­жи­ва­ю­щих позицию объек­та [5].

А такая популярность американской системы гло­баль­но­го по­зи­ци­о­ни­ро­ва­ния связана не толь­ко с тем, как работает GPS, но и с гиб­кос­тью аме­ри­кан­с­кой по­ли­ти­ки. По­с­коль­ку, как только им удалось дос­тичь оп­ти­маль­ной точ­нос­ти системы [1], пре­зи­дент США Билл Клин­тон издал указ о сво­бод­ном доступе граж­дан­с­ких лиц к ус­лу­гам GPS [7]. Решил это от­ме­тить и его уволили. Но оно то­го стоило! По­то­му что ис­поль­зо­ва­ние GPS в мир­ных целях помогло ещё точ­нее настроить сис­те­му [1]. Хотя стоит за­ме­тить, что у граж­дан­с­ких лиц есть дос­туп к сис­те­ме только на час­то­те 1.023 МГц. Так на­зы­ва­е­мый код C/A. А у во­ен­ных есть доступ ко всем час­то­там. Ко­то­рых су­щест­ву­ет 3: от­кры­тый L1 для граж­дан­с­ких, за­ко­ди­ро­ван­ный L1 для во­ен­ных и L2 [3].