Что такое GPS и насколько он точен?

ЧТО ТАКОЕ GPS?

Глобальная система позиционирования (GPS) — спутниковая навигационная система правительства США, которая в настоящее время состоит как минимум из 24 действующих спутников. GPS работает в любых погодных условиях и в любой точке мира 24 часа в сутки, без абонентской платы и платы за настройку. Изначально Министерство обороны США (USDOD) вывело спутники на орбиту для военных целей, но в 1980-х годах система была открыта для гражданского использования.

КАК РАБОТАЕТ GPS?

Спутники GPS дважды в сутки облетают Землю по точной орбите. Каждый спутник передаёт уникальный сигнал и параметры орбиты, которые позволяют GPS-устройствам декодировать их и вычислить точное местоположение спутника. GPS-приёмники используют эту информацию и триангуляцию для расчёта точного местоположения пользователя. По сути, GPS-приёмник измеряет расстояние до каждого спутника по времени, которое требуется для получения переданного сигнала. Измерив расстояние до нескольких спутников, приёмник может определить местоположение пользователя и отобразить его в электронном виде, чтобы измерить ваш беговой маршрут, составить карту поля для гольфа, найти дорогу домой или отправиться в приключение куда угодно.

Сегодня GPS встроен в самые разные устройства, например смарт-часы, устройства спутниковой связи, автомобили, лодки и многое другое. Чтобы рассчитать ваше двумерное местоположение (широту и долготу) и отслеживать движение, GPS-приёмник должен поймать сигнал как минимум трёх спутников. Если в зоне видимости находятся четыре или более спутников, приёмник может определить ваше трёхмерное местоположение (широту, долготу и высоту над уровнем моря). Обычно GPS-приёмник отслеживает восемь или более спутников, но это зависит от времени суток и вашего местоположения на Земле. Некоторые устройства способны делать всё это прямо на вашем запястье.

После определения вашего местоположения GPS-устройство может рассчитать и другую информацию, например:

скорость
направление
траекторию
пройденное расстояние
расстояние до пункта назначения
время восхода/заката солнца
и многое другое

НАСКОЛЬКО ТОЧЕН GPS?

Современные GPS-приёмники благодаря параллельной многоканальной конструкции чрезвычайно точны. Наши приёмники быстро находят спутники при первом включении. Связь со спутниками сохраняется даже под густыми кронами деревьев или в городе между высотными зданиями. На точность GPS-приёмников могут влиять некоторые атмосферные факторы и другие источники ошибок. Точность GPS-приёмников Garmin обычно составляет до 10 метров. На воде их точность ещё выше, так как там нет препятствий, мешающих сигналу.

СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА GPS

31 спутник, составляющий сейчас космический сегмент GPS, вращается вокруг Земли на высоте около 19 000 км. Эти спутники постоянно движутся, совершая два полных оборота менее чем за 24 часа. Они движутся со скоростью около 11 000 км в час. Небольшие ракетные двигатели удерживают каждый спутник на правильной траектории.

Вот ещё несколько интересных фактов о спутниках GPS:

Официальное название GPS в Министерстве обороны США — NAVSTAR.
Первый спутник GPS был выведен на орбиту в 1978 году.
Полная группировка из 24 спутников была сформирована в 1994 году.
Каждый спутник рассчитан примерно на 10 лет работы. Замены постоянно строятся и выводятся на орбиту.
Спутник GPS весит около 900 кг, а его ширина с раскрытыми солнечными панелями — около 5 м.
Спутники GPS питаются солнечной энергией, но на случай солнечного затмения на борту есть резервные аккумуляторы.
Мощность передатчика составляет всего 50 ватт или меньше.
Сейчас GPS вводит в эксплуатацию Block III — спутники третьего поколения.

ДРУГИЕ СИСТЕМЫ GPS

В мире существуют и другие системы, подобные GPS, — все они относятся к глобальным навигационным спутниковым системам (GNSS). GNSS — общее понятие, обозначающее все спутниковые навигационные системы. Большинство приёмников Garmin отслеживают GPS, ГЛОНАСС и Galileo, а некоторые региональные версии — даже BeiDou и QZSS. Их иногда называют мультисистемными приёмниками, поскольку они отслеживают и используют несколько спутниковых группировок. В целом можно считать, что чем больше спутников отслеживается, тем надёжнее результат. Новейшие продукты Garmin могут отслеживать почти 20 или 30 спутников.

ЧТО ТАКОЕ СИГНАЛ

К моменту достижения поверхности Земли сигналы спутников GPS становятся невероятно слабыми. Сигналы распространяются в пределах прямой видимости: они проходят сквозь облака, стекло и пластик, но не проходят сквозь большинство твёрдых объектов, например здания и горы. Однако современные приёмники более чувствительны и чаще всего способны принимать сигнал даже в зданиях.

В последние годы на выводимых на орбиту спутниках GPS появилась дополнительная частота L5. Этот улучшенный сигнал мощнее и обладает лучшими характеристиками отслеживания, чем исходный сигнал L1. Новые GPS-приёмники Garmin теперь используют L5 для повышения точности и надёжности. Такое многочастотное решение (т. е. L1 и L5 одновременно) даёт лучшие результаты под кронами деревьев или в городских «каньонах».

Сигнал GPS содержит три разных типа информации:

Псевдослучайный код — идентификационный код, по которому определяется, какой спутник передаёт информацию. На странице спутников вашего устройства можно посмотреть, от каких спутников оно получает сигналы.
Данные эфемерид необходимы для определения положения спутника и содержат важную информацию о состоянии спутника, текущей дате и времени.
Данные альманаха сообщают GPS-приёмнику, где примерно должен находиться каждый спутник GPS в любой момент в течение нескольких месяцев, и содержат орбитальную информацию об этом спутнике и всех остальных спутниках системы.

ИСТОЧНИКИ ОШИБОК СИГНАЛА GPS

На сигнал GPS и его точность могут влиять следующие факторы:

Влияние ионосферы и тропосферы – проходя через атмосферу, спутниковые сигналы замедляются. Система GPS использует встроенную модель для частичной коррекции таких ошибок.
Многолучевое распространение сигнала – сигнал GPS может отражаться от объектов, например высотных зданий или больших каменных поверхностей, прежде чем достигнет приёмника, что увеличивает время прохождения сигнала и вызывает ошибки. Сигнал L5 улучшает способность приёмника различать, какие сигналы отражённые, а какие приходят по прямой видимости.
Ошибки часов приёмника – встроенные часы приёмника могут давать небольшие ошибки синхронизации, так как они менее точны, чем атомные часы спутников GPS.
Орбитальные ошибки – сообщаемое положение спутника может быть неточным.
Количество видимых спутников – чем больше спутников «видит» GPS-приёмник, тем выше точность. Если сигнал заблокирован, это может привести к ошибкам позиционирования, либо местоположение может вообще не определиться. Как правило, GPS-устройства не работают под водой и под землёй, но очень чувствительные приёмники всё же могут принимать некоторые сигналы внутри зданий или под деревьями.
Геометрия спутников / затенение сигнала – сигналы спутников эффективнее, когда спутники расположены под широкими углами относительно друг друга, а не в ряд или плотной группой. Обычно именно поэтому высота над уровнем моря определяется не так точно, как горизонтальное положение.
Избирательный доступ (Selective Availability, SA) – Министерство обороны США когда-то применяло к спутникам SA, снижая точность сигналов, чтобы «противники» не могли использовать сверхточные сигналы GPS. Правительство США отключило SA в мае 2000 года, что повысило точность гражданских GPS-приёмников.