Спутниковая навигация прошла долгий путь эволюции, прежде чем стать такой же привычной, как интернет. Рассмотрим принцип работы GPS, его возможности и перспективы развития.
От военных секретов к гражданскому использованию
Изначально спутниковая навигация была военной разработкой. Всё началось в 50-х годах, после запуска СССР первого искусственного спутника Земли. Это побудило американских военных создать систему GPS (Global Positioning System). Первый спутник GPS был запущен в 1974 году, гражданский доступ к технологии открылся в 1983 году. Для ограничения точности для гражданских пользователей применялся режим селективного доступа, снижавший её до 100 метров. Лишь к 2000-м годам большая часть ограничений была снята, и точность выросла до 20 метров. С тех пор спутниковая навигация постоянно развивается, переходя от встроенных блоков в автомобилях к микросхемам в смартфонах и часах.
Принцип работы GPS
Система GPS использует 31 рабочий и один резервный спутник. Для корректной работы достаточно 20 спутников. Все они находятся на высоте 20 200 километров над уровнем моря на орбите с суточным периодом обращения 11 часов 58 минут. Это обеспечивает два витка вокруг Земли за звёздные сутки.
Навигационное устройство принимает сигналы спутников, которые транслируют время и свои координаты. Вычисляя разницу между временем отправки и приёма сигнала, устройство определяет расстояние до спутника. Сигнал от двух спутников позволяет определить местоположение на пересечении двух сфер. Для высокой точности необходимы атомные часы на спутниках, значительно превосходящие по точности часы в смартфонах. Ошибка в одну микросекунду дает погрешность около 300 метров. Поэтому необходим сигнал минимум от четырёх спутников для математического вычисления погрешности часов устройства.
Теория относительности и корректировки времени
Теория относительности Эйнштейна учитывает замедление времени на спутниках из-за их высокой скорости (около 4 км/с). Атомные часы на борту спутников корректируются для компенсации этого эффекта; частота вибрации атомов составляет скорректированное значение, отличное от 10,23 МГц.
Ускорение процесса определения местоположения: A-GPS
Передача данных со спутников (альманах, эфемериды и данные коррекции времени) занимает около 12,5 минут. Для ускорения используется технология A-GPS (Assisted GPS), загружающая необходимые данные через сеть, сокращая время «холодного старта» с 30-60 секунд до 1 секунды. Технология появилась в 2001 году и получила широкое распространение с развитием смартфонов и сетей 3G/4G.
Точность GPS и способы её повышения
Точность GPS ограничена атмосферными искажениями (тропосфера и ионосфера), высокими зданиями и другими препятствиями. В идеальных условиях точность составляет 70 сантиметров, но на практике погрешность может достигать 13 метров. Программные алгоритмы, учитывающие скорость, направление движения и погрешность сигнала, рассчитывают несколько вариантов местоположения и выбирают наиболее вероятный. Существуют также системы, определяющие аномалии в GPS данных и борющиеся с заглушением сигнала.
Системы дифференциальной коррекции
Для повышения точности используются системы дифференциальной коррекции, например, российская SDK-Н, обеспечивающие точность до нескольких сантиметров. Наземные станции, точно зная свои координаты, принимают сигналы со спутников и передают корректировки на геостационарные спутники, которые, в свою очередь, передают их на приемники.
Будущее навигации
Помимо GPS, существуют ГЛОНАСС (Россия), BeiDou (Китай) и Galileo (Европа). Современные смартфоны поддерживают все эти системы, повышая скорость и точность навигации. Будущее навигации связано с её повсеместным использованием во всех видах транспорта и интеграцией с другими сервисами (например, общественным Wi-Fi). Данные от камер, лидаров и других датчиков будут дополнять данные GPS, особенно в беспилотных автомобилях.
GPS-навигация прошла большой путь развития, от секретных военных технологий до повсеместно используемого инструмента. Несмотря на существующие проблемы точности, постоянное совершенствование технологий, программного обеспечения и интеграция с другими системами обеспечивают высокую точность и надежность навигации, которая постоянно совершенствуется и становится неотъемлемой частью нашей повседневной жизни.