Наверх
19 комментариев 13/01/2015

Как работает GPS

Как работает GPS

Мы каждый день пользуемся системами навигации. Кому-то нужно проложить маршрут в незнакомое место, кто-то ищет новые пути дом-работа-дом, кто-то просто страдает топографическим кретинизмом. Мы редко задумываемся о том, как это работает и вспоминаем, что это как-то связано со спутниками только тогда, когда все рьяно тупит и маршрут не строится. А все же, как это работает и нужен ли для корректной работы GPS Интернет?

Нет, Интернет не нужен. С этим разобрались. На самом деле, вокруг нашей планеты кружит 24 спутника (запущено почти 60, но не все уже в работе), с помощью которых каждый из нас может определить свое местоположение. У каждого спутника есть своя орбита, и за космические сутки (23 часа 56 минут) он успевает облететь Землю два раза. И все же, как люди додумались до создания спутниковой системы?

gps-глонасс

В 80-х российские учёные занялись разработкой системы навигации по спутникам, которую в будущем назовут “ГЛОНАСС”. Первый спутник со стороны России был запущен в 1982 году, но идея не взлетела, потому что финансирование закончилось. Зато в это время подсуетились в США, заметив, что их соперник уже во всю выводит что-то на орбиту. Их проект начался еще в 1973 году, но шел неспешно, не торопясь, а после того, как “противник” вплотную занялся делом, американцы до 1993 года быстренько вывели  на орбиту Земли 24 спутника и покрыли всю площадь планеты сигналом. Изначально, GPS задумывался исключительно как военная технология, но в процессе работы над проектом было решено дать возможность каждому использовать систему. Для этого абсолютная точность наведения была изменена с помощью специального алгоритма.

gps_system_how_it_works

Принцип работы

24 спутника на высоте около 20 тысяч километров, вокруг планеты они расположены так, что в любой момент времени из любой точки Земли точно видно 4 спутника, максимум их может быть видно 12. В каждом спутнике имеются атомные часы, точность которых определена до наносекунд. Любой объект на Земле или над ней (самолеты, к примеру) определяют свое положение в зависимости от получаемых сигналов времени от разных спутников. Расстояние от трех спутников определяет точку на земном шаре. Для корректного определения вашего местоположения необходимы как минимум 3 спутника, но чем их больше, тем точность выше. Три сигнала дают нам три точки, вокруг которых мы можем начертить воображаемую сферу с радиусом, равным расстоянию до объекта. Пересечение двух сфер дает окружность возможных положений искомого объекта, а наличие третьей сферы дает возможность свести данные до одной конкретной точки – вашего местоположения. В целом каждое устройство с GPS-приемником ориентируется на данные от 3 до 12 спутников. Когда пользователь задает запрос (в машине, в смартфоне, просто gps-навигатор), он получает “ответочку” от трех-четырех и больше спутников с орбиты. Сигнал содержит данные о координатах спутника и времени на его часах. Получая сигналы из разных источников, учитывая разницу времени на Земле и в космосе, зная скорость передачи радиоволн, приемник рассчитывает с помощью уравнения расстояние до спутника (называется она псевдодальность) и, анализируя данные, определяет точное местоположение. Таким образом каждый человек может прокладывать маршруты и находить себя в пространстве в режиме реального времени.

gps-satellite-tracking-system

Интересным моментом в работе GPS является вопрос коррекции времени. Ведь точность в вопросах определения геолокации важна, особенно если речь идет о военной технологии, пусть она и стала общественным достоянием. Для корректной работы спутников была учтена теория относительности. Из-за того, что с Земли мы видим спутники в движении, специальная теория относительности утверждает, что часы на них должны идти медленнее на 7 микросекунд из-за меньшей скорости хода времени. Кроме того, положение спутника относительно Земли заставило ученых брать в расчет кривизну пространства и времени, ведь масса планеты меньше влияет на часы на спутнике, чем на ее территории (ход часов, расположенных ближе к массивному объекту, кажется медленнее, чем часов, находящихся дальше от объекта). Короче говоря, с Земли кажется, что время на спутнике идет медленнее с разницой в 38 миллисекунд в сутки. Ведь даже разность данных на 20 наносекунд привела бы к погрешностям в вычислениям геолокации каждые пару минут, и эта ошибка накапливалась бы. К примеру, за день точность определения местоположения объектов сбилась бы приблизительно на 10 км!

теория относительности

Конечно, погрешности имеются. Каждый знает, что сигнал очень плохо считывается в помещении, ведь он плохо проходит через бетонные стены и металлические укрепления, в тоннеле или подвале не принимается совсем. Даже повышенная облачность может сбить точность информации. К тому же, если часы вашего GPS идут неверно, это тоже может привести к неправильным результатам.

 

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

19 комментариев

по хронологии
по рейтингу сначала новые по хронологии
1
Василий

Неправда, что " Каждый приемник (в машине, в смартфоне, просто gps-навигатор) отправляет сигнал и получает «ответочку»". Спутники непрерывно без каких либо запросов передают точное время и свои координаты. Дальше дело техники - вычислить. Другими словами gps-навигатор ничего не передает, а только принимает и вычисляет.

Автор2

ВасилийВиктор, ошиблась. Хотела написать "отправляет запрос", в смысле пользователь задает определенную координату или запускает сам gps. Спасибо, исправила

4
Виктор

+1 нифига приемник не посылает, а только принимает и обрабатывает!

5

Юля ,у вас +- хорошо получаются обычные потребительские обзоры техники,но точно не что-то гиковское и тех.статьи.

Мне кажется,но время и логика нарушены в третьем абзаце про ссср vs америка. Как глонасс " не взлетел " в 1982,и американцы надумали после этого запускать в 1974 свои спутники.

И мне непонятно, почему видно максимально только 12 спутников?

6

khotungvar, а ну не обижайте Юлю! Она старается

7

Антон Поздняков, я не хотел ее обидеть,наверно не очень внятно выразился ,имел ввиду что у нее хорошо получается делиться опытом использования техники,но написание тех.материала немного хромает.да и я привык к другому.

для тех.статьи- объяснения не хватает подробностей,уж слишком как-то поверхностно.

не указано про наземные опорные станции и т.д ,хотелось бы больше деталей и обоснований.

это все же гик-комьюнити,вверху так написано)

а то начали уже во мне сексиста видеть))

8
Paul Naumov

khot, Если вы читали внимательно, то Юля написала, что исысысыр начал "запускать спутники в 82", а сышыа начали "работать над проектом в 73" - как продвиглася быстро процесс от работы над проектом до первого запуска - неизвестно.

9

khot, система побудована так, щоб супутники не збиралися в одному місці на небесній сфері, а більш-менш рівномірно розпреділялися для можливості користуватися GPS в будь-якій точці землі в будь-яку мить.

Автор10

khot, мне было так важно, что вы скажете, а теперь мое сердце разбито(( Расплакалась (я же девочка) и больше даже не буду пытаться. Не женское это дело, про gpsы писать. *ушла рыдать над пользовательским обзором*

11

Недостатньо трьох супутників для визначення координат. Через недосконалість годинників приймачів треба отримувати дані як мінімум з чотирьох спутників. Ну й ніяких запитів приймач, звичайно, не віддає - система одностороння. А все інше правильно написано.

12
Альберт Эйнштейн мл.

Жаль, не рассмотрен вопрос с assisted-gps, холодным и горячим стартом и пр. подобное.

Для меня лично это до сих пор загадка и непонятно, зачем оно нужно, если "просто GPS" фунциклирует так, как описано в статье.

13
Paul Naumov

Альберт Эйнштейн мл., GPS спутники передают два вида данных - альманах и эфимерис. Альманах содержит параметры орбит всех спутников. Каждый спутник передаёт альманах для всех спутников. Данные альманаха не отличаются большой точностью и действительны несколько месяцев.В свою очередь, данные эфимериса содержат очень точные корректировки параметров орбит и часов для каждого спутника, что требуется для точного определения координат. Каждый GPS спутник передаёт только данные своего собственного эфимериса. Эти данные действительны только 30 минут. Спутники передают свой эфимерис каждые 30 секунд.

Если GPS был отключён более 30 минут, а потом включён, он начинает искать спутники, основываясь на известном ему альманахе. По нему GPS выбирает спутники для инициации поиска.

Эфимерис ещё не принят.Эфимерис принят, GPS готов к навигации. Когда GPS приёмник фиксирует спутник, он показывает на экране "пустой" столбик силы сигнала. В этот момент ещё идёт процесс сбора данных эфимериса. Когда эфимерис каждого спутника принят, соответствующий ему столбик силы сигнала закрашивается чёрным цветом и данные, принятые от спутника считаются подходящими для навигации.

Если питание приёмника отключить, а потом снова включить в течении 30 минут, он "поймает" спутники очень быстро, т.к. не надо будет снова собирать данные эфимериса. Это называется "горячий" старт.

Если после отключения прошло более 30 минут, будет произведён "тёплый" старт и GPS приёмник снова начнёт собирать данные эфимериса.

Если GPS приёмник был перевезён (в выключенном состоянии) на несколько сотен километров или внутренние часы стали показывать неточное время, то данные имеющегося альманаха являются неверными. В таком случае навигатору требуется выполнить новый "поиск неба" (переинициализация) для загрузки нового альманаха и эфимериса. Это уже будет "холодный" старт.

Автор14

Альберт Эйнштейн мл., окай, рассмотрим, напишем)

15

Юля Рябухина, Еще рекомендую почитать "Основы спутниковой навигации" от uBlox

http://www.tk-chel.ru/download/doc/BasicGPS.pdf

16
Никита Архаров

Прочитал заголовок, подумал - " Ща Поздняков толкнёт тему", но таки нет

18
Михаил Пинчуков

Юля молодец!

19

немного про ЖиПиЭс от современных поэтов России

Добавить комментарий

Такой e-mail уже зарегистрирован. Воспользуйтесь формой входа или введите другой.

Вы ввели некорректные логин или пароль

Извините, для комментирования необходимо войти.

Modal box

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: