Как работает GPS и спутниковая навигация

Смартфон может показать точку на карте, хотя спутник находится далеко над Землёй. Для этого навигационный приёмник слушает радиосигналы и сравнивает, сколько времени каждый из них провёл в пути. По этим измерениям он оценивает расстояния до спутников и находит место, где эти расстояния сходятся.

В быту говорят «GPS», подразумевая любую спутниковую навигацию. Точнее, GPS — одна из глобальных систем; существуют и другие, включая российскую ГЛОНАСС. Современное устройство может принимать сигналы сразу нескольких систем. Это повышает доступность измерений, но не превращает координаты в абсолютно точные.

1Сигналы спутников

Навигационный спутник регулярно передаёт радиосигнал с информацией о времени отправки и своей орбите.^[1] Приёмник уже хранит данные о том, как устроены сигналы системы, и использует полученную информацию для расчётов. Спутник не получает запрос от обычного телефона и не «видит» его координаты: он транслирует сигнал, который могут принять многие устройства.

Радиоволны распространяются почти со скоростью света. Между отправкой сигнала и его приёмом проходит измеримый промежуток времени. Даже очень маленькая ошибка во времени превращается в заметную ошибку расстояния, потому что волна за короткий миг успевает пройти значительный путь.

Каждый спутник передаёт также сведения о своей орбите и времени. Приёмнику важно знать, где спутник находился в момент отправки конкретного сигнала. Сопоставив время и положение, он строит геометрическую задачу: искомая точка должна быть на соответствующем расстоянии от нескольких спутников.

2Расстояние по времени

Приёмник сравнивает время, указанное в сигнале, с моментом его получения. Умножив прошедшее время на скорость распространения радиоволн, можно оценить расстояние. Такие измерения называют псевдодальностями: часы телефона недостаточно точны, чтобы сразу дать идеальные расстояния.

Представьте, что вы знаете, что находитесь в пяти километрах от одной башни. Это задаёт окружность возможных мест. Расстояние до второй башни сужает выбор до пересечений окружностей. Третье измерение помогает определить точку на поверхности, а дополнительное уточняет высоту и поправку часов приёмника.

Спутниковые часы и часы устройства устроены по-разному. Спутники несут очень точные часы, а приёмнику выгоднее вычислить собственную поправку одновременно с положением. Для этого и используются сигналы от нескольких спутников: они позволяют решить систему уравнений с неизвестными координатами и сдвигом времени.

3Почему нужны спутники

Для определения трёх координат и поправки часов обычно нужно как минимум четыре спутниковых измерения. На практике приёмник часто видит больше спутников и использует дополнительные данные, чтобы оценить качество решения. Количество само по себе не гарантирует точность: важно и расположение спутников на небесной сфере.

Если все спутники находятся в одном небольшом участке неба, их геометрия неудачна. Тогда небольшие ошибки дальности могут сильно сдвинуть результат. Когда спутники распределены по разным направлениям, задача становится устойчивее. Это похоже на попытку определить своё место по ориентирам: несколько ориентиров вокруг дают более надёжную оценку, чем группа объектов в одном направлении.

Приёмник должен видеть спутники достаточно хорошо. Крыша, плотная застройка, горный склон или салон автомобиля могут ослабить сигнал. В городе отражения от зданий иногда создают копию сигнала с более длинным путём; если приёмник примет её за прямую, расчёт сместится.

4GPS и другие системы

GPS — спутниковая система навигации, созданная и поддерживаемая Соединёнными Штатами.^[1] ГЛОНАСС — российская глобальная система.^[3] Также действуют европейская Galileo^[2] и китайская BeiDou.^[6] Их спутники передают сигналы по сходному общему принципу, но используют собственные структуры, частоты и параметры орбит.

Приёмник, который поддерживает несколько систем, может получить больше измерений. Он не обязан постоянно полагаться только на одну созвездие спутников. Совместная обработка часто помогает быстрее найти решение и сохранить его в сложных условиях, хотя препятствия и отражения всё равно могут ухудшить результат.

Название GPS стало общеупотребительным, но в техническом смысле оно относится к одной системе. Если устройство определяет координаты по GPS и ГЛОНАСС вместе, это спутниковая навигация с использованием нескольких систем. В статьях и повседневной речи термин «GPS» часто применяется шире, поэтому контекст важен.

5Откуда берутся ошибки

Сигнал проходит через атмосферу, где скорость распространения немного меняется.^[4] На точность влияют также состояние спутниковых часов и орбитальных данных. Современные приёмники применяют модели и поправки, но полностью убрать все источники ошибки нельзя.

Отражение от здания или скалы называют многолучевым распространением. Приёмник получает и прямой сигнал, и его копии. Иногда отражённая волна приходит позже и влияет на точность измерения. В узком городском дворе спутник может быть виден только через несколько отражений, поэтому показанная точка гуляет по карте.

Само устройство тоже имеет ограничения. Компактная антенна в телефоне не всегда так же хорошо принимает сигнал, как специализированное оборудование. Рука, корпус или металлическая конструкция могут частично закрыть направление на спутник. Движение дополнительно усложняет измерения, хотя датчики движения помогают сгладить положение между обновлениями.

6Координаты и карта

Спутниковый приёмник выдаёт координаты в системе отсчёта. Чтобы показать улицу или береговую линию, приложение должно сопоставить эти координаты с картографическими данными. Для этого нужны отдельные наборы карт, правила отображения и, нередко, сетевое подключение для загрузки дополнительных сведений.

Точка на карте может отображаться с задержкой. Приёмник сперва рассчитывает положение, затем программа обновляет изображение и выбирает ближайшую дорогу или маршрут. В машине карта часто «привязывает» координату к дороге, чтобы движение выглядело плавнее. Такое удобство полезно, но означает, что нарисованная точка может отличаться от сырого измерения.

Смартфон сочетает спутниковые измерения с данными сети и встроенных датчиков. Сеть может подсказать примерное место по расположению базовых станций или точек доступа. Акселерометр и гироскоп помогают оценивать движение на короткое время, когда сигнал закрыт. Подробнее о компонентах телефона говорится в статье Как устроен смартфон.

Спутниковая навигация не переносит карту к пользователю и не отправляет его координаты спутникам. Приёмник сам вычисляет положение из доступных сигналов, а приложение показывает результат на карте. Эта схема позволяет использовать навигацию без постоянного интернет-соединения, если картографические данные уже доступны на устройстве.

7См. также

• Как устроен смартфон
• Планеты Солнечной системы по порядку
• Озеро Байкал: где находится и чем знаменито
• Что посмотреть в Санкт-Петербурге: главные достопримечательности

^[1]: National Coordination Office for Space-Based Positioning, Navigation, and Timing, GPS: The Global Positioning System, GPS.gov. ^[2]: European Union Agency for the Space Programme, Galileo Open Service: Service Definition Document, EUSPA. ^[3]: Information-Analytical Center for Positioning, Navigation and Timing, Interface Control Document: Global System for High-Precision Determination of Navigation and Ephemeris/Clock Data in Real Time for Civilian Users, GLONASS High-Accuracy Service. ^[4]: Elliott D. Kaplan, Christopher J. Hegarty, Understanding GPS/GNSS: Principles and Applications, Artech House. ^[5]: United States Department of Defense, Global Positioning System Standard Positioning Service Performance Standard, DoD. ^[6]: China Satellite Navigation Office, BeiDou Navigation Satellite System Open Service Performance Standard (Version 2.0), China Satellite Navigation Office.