HDG объясняет: как работает GPS?

В последний раз вы использовали свой телефон, чтобы иметь Карты Google точно определяют ваше местоположение на карте вы когда-нибудь останавливались и задавались вопросом, как GPS работает так точно?

Система глобальной системы позиционирования (GPS) была фактически запущена Министерством обороны США в 1973 году (известной как NAVSTAR). К 1993 году на Земле было 24 спутника GPS, которые передавали орбитальные и позиционные данные, которые военные могли использовать для навигационных и других военных целей. Сегодня на момент написания статьи их было 28.

В 1980-х годах данные, передаваемые со спутников GPS, были открыты для общественности, что открыло целый рынок для широкого ассортимента навигационных устройств GPS, которые мы имеем сегодня.

На момент написания этой статьи Россия, Китай, Европа и Индия имеют свои собственные активные системы GPS. Япония разрабатывает собственную систему GPS, которую планируется ввести в эксплуатацию в 2023 году.

Как работает GPS?

Несмотря на то, что спутниковая технология GPS основана на самых передовых технологиях, система работает впечатляюще просто.

Есть три компонента любой отдельной навигационной системы GPS.

• Спутники: спутники GPS вращаются вокруг Земли и передают свое текущее время и положение на орбите всем приемникам GPS на своей стороне планеты.
• Командный центр: Командный центр передает орбитальные данные, временные поправки и орбитальную позицию других спутников вплоть до спутников на орбите.
• Приемники GPS: Приемник GPS на Земле получает орбитальные времена от как можно большего числа спутников в пределах диапазона и вычисляет свое собственное положение на Земле на основе положений по меньшей мере четырех спутников GPS.

Приемники GPS используют математический принцип, известный как триангуляция, для расчета своего местоположения.

Как работает триангуляция GPS

Из любой точки планеты, если вы держите GPS-приемник (например, в своем телефоне), GPS-приемник получает отметки времени от синхронизированных часов на каждом из спутников GPS.

Используя разницу во временных метках и постоянную скорость света, на которой распространяются радиоволны, приемник GPS может определять расстояние между тем, где вы находитесь, и каждым спутником.

Это обеспечивает приемнику GPS радиус сфер со спутниками в центре и ваше местоположение 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, где, приблизительно, эти спутники в настоящее время расположены над землей.

С известным местоположением каждого спутника и измеренным расстоянием между этими спутниками и вашим положением ваш GPS-приемник может рассчитать ваше приблизительное местоположение, определяя, где пересечение этих трех сфер сходится на поверхности Земли.

Затем получатель отобразит это местоположение на карте.

Три спутника обеспечивают приблизительное местоположение, а приемникам GPS требуется четвертый сигнал от другого спутника GPS, чтобы определить текущую высоту над поверхностью Земли, используя другой математический принцип, известный как трилатерация.

Как работает ваш GPS-датчик вашего телефона

Большинство современных смартфонов сегодня оснащены чипом GPS-приемника. Этот чип может принимать радиосигналы от спутников GPS.

Часы вашего телефона не являются атомными часами, поэтому их время не синхронизируется с атомными часами спутников на орбите. Тем не менее, это не имеет значения, когда дело доходит до расчета местоположения с использованием сигналов от этих спутников.

Это связано с тем, что GPS-приемник вашего телефона фокусируется на данных, которые он получает со спутников, и на базе данных известных местоположений спутников над Землей. Поскольку все спутники имеют атомные часы, текущее время на каждом спутнике в любой момент времени точно одинаковое.

Однако из-за расстояния от спутника и того факта, что радиосигналы распространяются со скоростью света, различия между каждой полученной отметкой времени показывают расстояние между вашим телефоном и каждым из спутников.

Вот как работает этот процесс GPS:

• Все пять спутников передают одну и ту же метку времени на ваш телефон в 17:12:14.
• Ваш телефон получает эту метку времени в 5:12:15 со спутника 1.
• Он получает метку времени в 5:12:16 со спутника 2.
• Наконец, в 5:12:17 он получает метку времени от спутника 3.

Это сообщает вашему GPS-приемнику, что радиосигнал достиг 1 секунды от спутника 1, 2 секунды от спутника 2 и 3 секунды от спутника 3.

Скорость света — известная постоянная 299 792 458 метров в секунду.

Используя простую математику, получатель может рассчитать, 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, приемник GPS вашего телефона знает приблизительное текущее местоположение над землей всех трех спутников, которое обеспечивает координаты долготы и широты всех трех.

С этой информацией ваш телефон может рассчитать ваши собственные координаты долготы и широты на земле.

Используя ваши известные координаты, ваш GPS-приемник может затем использовать расстояние, измеренное между ним и четвертым спутником, чтобы определить, какую высоту над Землей вы находитесь.

Что такое вспомогательная система глобального позиционирования?

До того, как смартфоны начали интегрировать GPS-схемы, люди обычно использовали портативные GPS-приемники, работающие от батареек АА. Или они будут устанавливать GPS-модули в автомобили, которые подключены к аккумулятору телефона.

Это произошло потому, что радиосвязь требует больше энергии. Ограничением этого является то, что вам часто приходилось ждать несколько минут, чтобы ваш GPS-приемник «захватил» достаточное количество спутников GPS для расчета вашего местоположения.

Производители смартфонов обошли это ограничение батареи, объединив существующую технологию сотовой триангуляции. Задолго до того, как телефоны были включены GPS, они могли использовать сигналы, поступающие от вышек сотовой связи, для триангуляции вашего местоположения, используя те же метки времени и расстояния для триангуляции, что и для спутников GPS.

К сожалению, поскольку вышки сотовой связи находятся на уровне земли, этот навигационный расчет гораздо менее точен. Таким образом, программное обеспечение GPS вашего смартфона сначала использует триангуляцию сигнала сотовой связи для определения приблизительного местоположения, а затем обновляет это положение, как только данные спутникового GPS будут готовы.

Это позволяет современным смартфонам резервировать заряд батареи, используя только данные GPS, когда требуются обновления местоположения. Вот почему вы можете часто увидеть ваше местоположение в Картах Google время от времени переходите на новое место, когда доступны более точные данные.