Когда вы в последний раз использовали свой телефон, чтобы увидеть на карте Карты Google определяют ваше точное местоположение, вы когда-нибудь останавливались и задавались вопросом, как GPS работает так точно?
Система глобального позиционирования (GPS) была фактически запущена Министерством обороны США в 1973 году (известная как NAVSTAR). К 1993 году на орбите Земли вращалось 24 спутника GPS, которые передавали орбитальные и позиционные данные, которые военные могли использовать для навигационных и других военных целей. Сегодня, на момент написания этой статьи, их 28.
В 1980-х годах данные, передаваемые со спутников GPS, были открыты для общественности, что открыло целый рынок для широкого ассортимента GPS-навигаторов, которые мы имеем сегодня.
На момент написания этой статьи Россия, Китай, Европа и Индия имели собственные активные системы GPS. Япония разрабатывает собственную систему GPS, которую планируется ввести в эксплуатацию в 2023 году.
Как работает GPS?
Хотя спутниковая технология, на которой основана GPS, очень продвинута, принцип работы системы впечатляюще прост.
Любая отдельная система GPS-навигации состоит из трех компонентов.
Приемники GPS используют математический принцип, известный как триангуляция, для расчета своего местоположения.
Как работает GPS-триангуляция
Из любой точки планеты, если вы держите GPS-приемник (например, в телефоне), GPS-приемник получает отметки времени с синхронизированных часов на каждом из спутников GPS над головой.
Используя разницу во временных метках и постоянную скорость света, с которой распространяются радиоволны, GPS-приемник может определить расстояние между вашим местоположением и каждым спутником.
При этом GPS-приемник получает данные о радиусе сферы со спутниками в центре и вашем местоположении на краю сферы.
.
Поскольку каждый спутник движется по предсказуемой орбите над Землей, приемник может использовать сохраненный альманах текущего известного положения всех спутников GPS, чтобы определить приблизительное местонахождение этих спутников в данный момент над Землей.
Имея известное положение каждого спутника и измеренное расстояние между этими спутниками и вашим положением, ваш GPS-приемник может рассчитать ваше приблизительное местоположение, определяя, где пересекаются эти три сферы на поверхности Земли.
Приемник затем отображает это местоположение на карте.
Три спутника определяют приблизительное местоположение, а приемникам GPS требуется четвертый сигнал от другого спутника GPS, чтобы определить текущую высоту над поверхностью Земли с помощью другого математического принципа, известного как трилатерация.
Как работает GPS-датчик вашего телефона
Большинство современных смартфонов оснащены чипом GPS-приемника. Этот чип может принимать радиосигналы со спутников GPS.
Часы вашего телефона не являются атомными, поэтому их время не синхронизируется с атомными часами спутников на орбите. Однако это не имеет значения, когда дело доходит до расчета местоположения с использованием сигналов этих спутников.
Это связано с тем, что GPS-приемник вашего телефона фокусируется на данных, которые он получает от спутников, и на базе данных известных местоположений спутников на Земле. Поскольку на всех спутниках есть атомные часы, текущее время на каждом спутнике в любой момент времени одинаково.
Однако из-за расстояния до спутника и того факта, что радиосигналы распространяются со скоростью света, разница между каждой полученной временной меткой показывает расстояние между вашим телефоном и каждым из спутников.
Вот как работает этот процесс GPS:
Это сообщит вашему GPS-приемнику, что радиосигналу потребовалась 1 секунда, чтобы достичь его от спутника 1, 2 секунды от спутника 2 и 3 секунды от спутника 3..
Скорость света — известная константа, равная 299 792 458 метров в секунду.
Используя простые математические вычисления, приемник может подсчитать, что его расстояние составляет примерно 300 тысяч метров от спутника 1, 600 тысяч метров от спутника 2 и 900 тысяч метров от спутника 3.
Используя справочную таблицу из базы данных спутников GPS, GPS-приемник вашего телефона знает приблизительное текущее местоположение на Земле всех трех спутников, что обеспечивает координаты долготы и широты всех трех.
Располагая этой информацией, ваш телефон сможет вычислить ваши собственные координаты долготы и широты на Земле.
Используя известные координаты, ваш GPS-приемник может использовать расстояние, измеренное между ним и четвертым спутником, чтобы определить, на какой высоте над Землей вы находитесь.
Что такое вспомогательная система глобального позиционирования?
До того, как в смартфоны начали внедряться схемы GPS, люди обычно использовали портативные GPS-приемники, работавшие от батареек типа АА. Или устанавливали GPS-навигаторы в автомобили, которые работали от аккумулятора телефона.
Это произошло потому, что радиосвязь требует больше энергии. Ограничением этого подхода является то, что вам часто приходилось ждать несколько минут, пока ваш GPS-приемник «зафиксируется» на достаточном количестве спутников GPS для расчета вашего местоположения.
Производители смартфонов обошли это ограничение батареи, объединив существующую технологию сотовой триангуляции. Задолго до того, как в телефонах появился GPS, они могли использовать сигналы, поступающие от вышек сотовой связи, для триангуляции вашего местоположения, используя ту же технологию триангуляции времени и расстояния, что и спутники GPS.
К сожалению, поскольку вышки сотовой связи находятся на уровне земли, эти навигационные расчеты гораздо менее точны. Таким образом, программное обеспечение GPS вашего смартфона сначала будет использовать триангуляцию сотового сигнала, чтобы определить ваше приблизительное местоположение, а затем обновит это местоположение, как только будут готовы данные спутникового GPS.
Это позволяет современным смартфонам резервировать заряд аккумулятора, используя данные GPS только тогда, когда требуются обновления местоположения. Вот почему вы часто можете увидеть свое местоположение на Картах Google иногда переходить к новому местоположению, когда доступны более точные данные.
.