Навігація gps що. GPS у смартфоні: що це і як працює? Коли "Літаюча Гондола" замінить звичайний літак

Це комп'ютер та приймач, укладені у загальний корпус. Приймач отримує сигнали від супутників, що знаходяться на орбіті, а комп'ютер, у свою чергу, розшифровує ці сигнали та вказує розташування приймача. У 1977 році було запущено GPS. Його запустили розробники самої програми – американці. Система GPS використовувалася до 1983 року лише військовими, а вже після стала доступною для користування звичайних людей.

Багато власників GPS-навігаторів зауважували, що в місцях знаходження великої кількості високих споруд та будівель пристрій шукає супутники досить тривалий час. Вирішенням цієї проблеми стала система A-GPS.

Розглянемо, що таке A-GPS і коли вона потрібна.

Враховуючи те, що ця система досить молода (її дебют припав на 2001 рік), питання про те, що таке A-GPS, наразі є актуальним. Вона, як і GPS, була розроблена у США. A-GPS є системою, що прискорює роботу GPS-приймача у визначенні координат. Ця система користується сигналом, що виходить від вишок стільникового зв'язку, відповідно, чим у видимості пристрою цих вишок більше, тим вища точність визначення відстані. При кожному стартовому пошуку супутників A-GPS надає навігатору розташування найближчих супутників через спеціальні сервери. Дізнавшись, що таке A-GPS , стає зрозуміло, що з її допомогою робота GPS-навігатора стане набагато ефективнішою. Адже завдяки спільній роботі двох пристроїв місцезнаходження прискорюється в рази.

Визначившись, що таке A-GPS та GPS-навігатор, варто приділити увагу GPS-трекеру. Цей пристрій призначений для спостереження через супутник за пересуванням об'єкта, на якому встановлено цей маленький електронний пристрій. GPS-трекер представляє своєрідний «жучок», який без проблем можна сховати, наприклад, у салоні автомобіля, і таким чином відстежити усі подальші переміщення даного об'єкта.

В основному, GPS-трекер включає 2 пристрої: GPS-приймач і GSM-модем. За допомогою він має можливість визначити координати руху та швидкість, а потім передати ці дані спостерігачеві за допомогою GPRS-каналу (через стільниковий зв'язок).

Дізнавшись із нашої статті все про навігатори, можна сміливо купувати цей пристрій, адже в сучасному місті, особливо якщо просто неможливо обійтися без цієї техніки.

Як нерідко буває із високотехнологічними проектами, ініціаторами розробки та реалізації системи GPS (Global Positioning System – система глобального позиціонування) стали військові. Проект супутникової мережі для визначення координат у режимі реального часу в будь-якій точці земної кулі був названий Navstar (Navigation system with timing and ranging - навігаційна система визначення часу та дальності), тоді як абревіатура GPS з'явилася пізніше, коли система стала використовуватися не тільки в оборонних, а й у цивільних цілях.

Перші кроки з розгортання навігаційної мережі були зроблені в середині сімдесятих, комерційна експлуатація системи в сьогоднішньому вигляді почалася з 1995 року. На даний момент у роботі знаходяться 28 супутників, рівномірно розподілених по орбітах з висотою 20350 км (для повнофункціональної роботи достатньо 24 супутників).

Дещо забігаючи вперед, скажу, що справді ключовим моментом в історії GPS стало рішення президента США про скасування з 1 травня 2000 режиму так званого селективного доступу (SA - selective availability) - похибки, що штучно вноситься в супутникові сигнали для неточної роботи цивільних GPS-приймачів . З цього моменту аматорський термінал може визначати координати з точністю кілька метрів (раніше похибка становила десятки метрів)! На рис.1 представлені помилки в навігації до та після відключення режиму селективного доступу (дані).

Спробуємо розібратися в загальних рисах, як влаштована система глобального позиціонування, а потім торкнемося ряду аспектів користувача. Розгляд почнемо з принципу визначення дальності, що лежить в основі роботи космічної навігаційної системи.

Алгоритм виміру відстані від точки спостереження до супутника.

Дальнометрія заснована на обчисленні відстані за тимчасовою затримкою поширення радіосигналу від супутника до приймача. Якщо знати час поширення радіосигналу, то пройдений ним шлях легко вирахувати, просто помноживши час на швидкість світла.

Кожен супутник системи GPS безперервно генерує радіохвилі двох частот - L1=1575.42МГц та L2=1227.60МГц. Потужність передавача становить 50 і 8 Ватт відповідно. Навігаційний сигнал є фазовоманіпульованим псевдовипадковим кодом PRN (Pseudo Random Number code). PRN буває двох типів: перший, C/A-код (Coarse Acquisition code - грубий код) використовується в цивільних приймачах, другий Р-код (Precision code - точний код), використовується у військових цілях, а також іноді для вирішення завдань геодезії та картографії. Частота L1 модулюється як С/А, і Р-кодом, частота L2 існує лише передачі Р-коду. Крім описаних, існує ще й Y-код, що є зашифрованим Р-кодом (у воєнний час система шифрування може змінюватися).

Період повторення коду досить великий (наприклад, для P-коду він дорівнює 267 дням). Кожен GPS-приймач має власний генератор, що працює на тій же частоті і модулюючий сигнал за тим самим законом, що і супутниковий генератор. Таким чином, за часом затримки між однаковими ділянками коду, прийнятого з супутника і згенерованого самостійно, можна обчислити час розповсюдження сигналу, а отже відстань до супутника.

Однією з основних технічних складностей описаного вище методу є синхронізація годинника на супутнику і в приймачі. Навіть мізерна за нормами похибка може призвести до величезної помилки у визначенні відстані. Кожен супутник несе на борту високоточний атомний годинник. Зрозуміло, що встановлювати подібну штуку у кожен приймач неможливо. Тому для корекції помилок у визначенні координат через похибки вбудованих у приймач годинника використовується деяка надмірність у даних, необхідних для однозначної прив'язки до місцевості (детальніше про це трохи пізніше).

Крім самих навігаційних сигналів, супутник безперервно передає різноманітну службову інформацію. Приймач одержує, наприклад, ефемериди (точні дані про орбіту супутника), прогноз затримки поширення радіосигналу в іоносфері (оскільки швидкість світла змінюється при проходженні різних шарів атмосфери), а також відомості про працездатність супутника (так званих "альманах", що містить оновлювані2). хвилин відомості про стан та орбіти всіх супутників). Ці дані передаються зі швидкістю 50 біт/с частотах L1 або L2.

Загальні принципи визначення координат за допомогою GPS.

Основою ідеї визначення координат GPS-приймача є обчислення відстані від нього до декількох супутників, розташування яких вважається відомим (ці дані містяться у прийнятому з супутника альманаху). У геодезії метод обчислення положення об'єкта з вимірювання його віддаленості від точок із заданими координатами називається трилатерацією. Рис2.

Якщо відома відстань А до одного супутника, координати приймача визначити не можна (він може знаходиться в будь-якій точці сфери радіусом А, описаної навколо супутника). Нехай відома віддаленість приймача від другого супутника. У цьому випадку визначення координат також неможливо - об'єкт знаходиться десь на колі (вона показана синім кольором на рис.2), яка є перетином двох сфер. Відстань до третього супутника скорочує невизначеність в координатах до двох точок (позначені двома жирними синіми точками на рис.2). Цього вже достатньо для однозначного визначення координат - справа в тому, що з двох можливих точок розташування приймача лише одна знаходиться на поверхні Землі (або в безпосередній близько від неї), а друга, помилкова, виявляється або глибоко всередині Землі, або дуже високо над її поверхнею. Таким чином, теоретично для тривимірної навігації достатньо знати відстані від приймача до трьох супутників.

Однак у житті все не так просто. Наведені вище міркування були зроблені для випадку коли відстані від точки спостереження до супутників відомі з абсолютною точністю. Зрозуміло, хоч би як витончувалися інженери, деяка похибка завжди має місце (хоча б за вказаною в попередньому розділі неточною синхронізації годинника приймача і супутника, залежності швидкості світла від стану атмосфери і т.п.). Тому визначення тривимірних координат приймача залучаються не три, а мінімум чотири супутника.

Отримавши сигнал від чотирьох (або більше) супутників, приймач шукає точку перетину відповідних сфер. Якщо такої точки немає, процесор приймача починає методом послідовних наближень коригувати свій годинник до тих пір, поки не досягне перетину всіх сфер в одній точці.

Слід зазначити, що точність визначення координат пов'язана не тільки з прецизійним розрахунком відстані від приймача до супутників, а й з величиною похибки місця розташування самих супутників. Для контролю орбіт та координат супутників існують чотири наземні станції стеження, системи зв'язку та центр управління, підконтрольні Міністерству Оборони США. Станції стеження постійно ведуть спостереження за всіма супутниками системи і передають дані про їх орбіти до центру управління, де обчислюються уточнені елементи траєкторій та поправки супутникового годинника. Зазначені параметри вносяться в альманах і передаються на супутники, а ті, у свою чергу, надсилають цю інформацію всім приймачам.

Крім перелічених, існує ще маса спеціальних систем, що збільшують точність навігації, - наприклад, особливі схеми обробки сигналу знижують помилки від інтерференції (взаємодії прямого супутникового сигналу з відбитим, наприклад, будівель). Ми не заглиблюватимемося особливо функціонування цих пристроїв, щоб надмірно не ускладнювати текст.

Після скасування описаного вище режиму селективного доступу цивільні приймачі "прив'язуються до місцевості" з похибкою 3-5 метрів (висота визначається з точністю близько 10 метрів). Наведені цифри відповідають одночасному прийому сигналу з 6-8 супутників (більшість сучасних апаратів мають 12-канальний приймач, що дозволяє одночасно обробляти інформацію від 12 супутників).

Якісно зменшити помилку (до кількох сантиметрів) у вимірі координат дозволяє режим так званої диференціальної корекції (DGPS – Differential GPS). Диференціальний режим полягає у використанні двох приймачів - один нерухомо знаходиться в точці з відомими координатами і називається базовим, а другий, як і раніше, є мобільним. Дані, отримані базовим приймачем, використовуються корекції інформації, зібраної пересувним апаратом. Корекція може здійснюватися як у режимі реального часу, так і при "оффлайновій" обробці даних, наприклад, на комп'ютері.

Зазвичай як базовий використовується професійний приймач, який належить будь-якій компанії, що спеціалізується на наданні послуг навігації або геодезією, що займається. Наприклад, у лютому 1998 року неподалік Санкт-Петербурга компанія "НавГеоКом" встановила першу в Росії наземну станцію диференціального GPS. Потужність передавача станції – 100 Ватт (частота 298,5 кГц), що дозволяє користуватися DGPS при віддаленні від станції на відстані до 300 км морем і до 150 км суходолом. Крім базових наземних приймачів, для диференціальної корекції GPS-даних можна використовувати супутникову систему диференціального сервісу компанії OmniStar. Дані для коригування передаються з кількох геостаціонарних супутників компанії.

Слід зазначити, що основними замовниками диференціальної корекції є геодезичні та топографічні служби – для приватного користувача DGPS не становить інтересу через високу вартість (пакет послуг OmniStar на території Європи коштує понад 1500 доларів на рік) та громіздкості обладнання. Та й навряд чи у повсякденному житті виникають ситуації, коли треба знати свої абсолютні географічні координати з похибкою 10-30 см.

На закінчення частини, що оповідає про "теоретичні" аспекти функціонування GPS, скажу, що Росія і у випадку з космічною навігацією пішла своїм шляхом і розвиває власну систему ГЛОНАСС (Глобальна навігаційна супутникова система). Але через відсутність належних інвестицій нині на орбіті перебувають лише сім супутників із двадцяти чотирьох, необхідні нормального функціонування системи…

Короткі суб'єктивні нотатки користувача GPS.

Так уже вийшло, що про можливість визначати своє місцезнаходження за допомогою приладчика, що носиться розмірами з стільниковий телефон, я дізнався року в дев'яносто сьомому з якогось журналу. Однак чудові перспективи, намальовані авторами статті, були безжально розбиті заявленою в тексті ціною навігаційного апарату майже 400 доларів!

Років через півтора (у серпні 1998) доля занесла мене до маленької спортивної крамнички в американському місті Бостон. Якого ж було моє здивування та радість, коли на одній із вітрин я випадково помітив кілька різних навігаторів, найдорожчий з яких коштував 250 доларів (прості моделі пропонувалися за $99). Звичайно, піти з магазину без приладу я вже не міг, тому почав катувати продавців про характеристики, переваги та недоліки кожної моделі. Нічого зрозумілого від них я не почув (і аж ніяк не через те, що погано знаю англійську), тож довелося розумітися на всьому самому. І в результаті, як це нерідко буває, була придбана найпросунутіша і найдорожча модель - Garmin GPS II+, а також спеціальний чохол до неї та шнур для живлення від гнізда прикурювача автомобіля. У магазині було ще два аксесуари для тепер мого апарату - пристрій для кріплення навігатора на велосипедному кермі і шнур для з'єднання з РС. Останній я довго крутив у руках, але, зрештою, все ж таки вирішив не купувати через чималу ціну (трохи більше 30 доларів). Як потім виявилося, шнур я не купив абсолютно правильно, бо вся взаємодія приладу з комп'ютером зводиться до "вершки" в ЕОМ пройденого маршруту (а також, думаю, координат в режимі реального часу, але щодо цього є певні сумніви), та й то при умови купівлі софту від Garmin. Можливість завантажувати в пристрій карти, на жаль, відсутня.

Давати докладний опис свого приладу я не буду хоча б тому, що він уже знятий з виробництва (бажаючі ознайомитися з детальною технічною характеристикою можуть зробити це). Зауважу лише, що вага навігатора – 255 гр., розміри – 59х127х41 мм. Завдяки своєму трикутному перерізу апарат виключно стійко розташовується на столі або панелі приладів автомобіля (для міцнішої фіксації в комплект входить липучка Velcro). Живлення здійснюється від чотирьох пальчикових батарей АА (їх вистачає лише на 24 години безперервної роботи) або зовнішнього джерела. Спробую розповісти про основні можливості мого приладу, які, гадаю, має переважну більшість присутніх на ринку навігаторів.

З першого погляду GPS II+ можна сприйняти за мобільний телефон, випущений кілька років тому. Лише придивившись, помічаєш незвичайно товсту антену, величезний дисплей (56х38 мм!) і мала, за телефонними мірками, кількість клавіш.

При включенні приладу починається процес збору інформації з супутників, а на екрані з'являється простенька мультиплікація (земна куля, що обертається). Після початкової ініціалізації (яка у відкритому місці займає кілька хвилин) на екрані з'являється примітивна карта неба з номерами видимих ​​супутників, а поруч - гістограма, що свідчить про рівень сигналу від кожного супутника. Крім того, вказується похибка навігації (в метрах) – чим більше супутників бачить прилад, тим, зрозуміло, точнішим буде визначення координат.

Інтерфейс GPS II+ побудований за принципом сторінок, що "перегортаються" (для цього навіть є спеціальна кнопка PAGE). Вище була описана "сторінка супутників", а крім неї, є "сторінка навігації", "картка", "сторінка повернення", "сторінка меню" та ряд інших. Слід зауважити, що описуваний апарат не русифікований, проте навіть з поганим знанням англійської можна зрозуміти його роботу.

На сторінці навігації відображаються: абсолютні географічні координати, пройдений шлях, миттєва та середня швидкості руху, висота над рівнем моря, час руху та, у верхній частині екрану, електронний компас. Треба сказати, що висота визначається з набагато більшою похибкою, ніж дві горизонтальні координати (щодо цього є навіть спеціальна ремарка в посібнику користувача), що не дозволяє використовувати GPS, наприклад, для визначення висоти парапланеристами. Зате миттєва швидкість обчислюється виключно точно (особливо для об'єктів, що швидко рухаються), що дає можливість використовувати прилад для визначення швидкості снігоходів (спідометри яких мають звичай значно брехати). Можу дати "шкідливу пораду" - взявши напрокат автомобіль, відключіть його спідометр (щоб він нарахував поменше кілометрів - адже оплата найчастіше пропорційна пробігу), а швидкість і пройдену відстань визначайте за GPS (благо він може вести вимірювання як в милях, так і в кілометрах) ).

Середня швидкість руху визначається за дещо дивним алгоритмом - час простою (коли миттєва швидкість дорівнює нулю) у обчисленнях не враховується (логічне, на мій погляд, було б просто ділити пройдену відстань на загальний час поїздки, але творці GPS II+ керувалися якимись іншими міркуваннями).

Пройдений шлях відображається на карті (пам'яті апарату вистачає кілометрів на 800 - при більшому пробігу автоматично стираються найстаріші мітки), так що при бажанні можна подивитися схему своїх блукань. Масштаб карти змінюється від десятків метрів до сотень кілометрів, що, безперечно, винятково зручно. Саме чудове полягає в тому, що в пам'яті приладу є координати основних населених пунктів усього світу! США, звичайно, представлено докладніше (наприклад, всі райони Бостона присутні на карті з назвами), ніж Росія (тут зазначено розташування лише таких міст як Москва, Тверь, Подільськ тощо). Уявіть, наприклад, що Ви прямуєте з Москви до Бреста. Знаходьте в пам'яті навігатора "Брест", тиснете спеціальну кнопку "GO TO", і на екрані з'являється локальний напрямок Вашого руху; глобальне спрямування на Брест; кількість кілометрів (по прямій, зрозуміло), що залишилася до точки призначення; середня швидкість та розрахунковий час прибуття. І так у будь-якій точці світу – хоч у Чехії, хоч в Австралії, хоч у Таїланді…

Не менш корисною є так звана функція повернення. Пам'ять апарата дозволяє записувати до 500 ключових точок (waypoints). Кожну точку користувач може називати на власний розсуд (наприклад, DOM, DACHA тощо), також передбачені різні піктрограми для відображення інформації на дисплеї. Включивши функцію повернення до точки (будь-який із заздалегідь записаних), власник навігатора отримує ті ж можливості, що і в описаному вище випадку з Брестом (тобто відстань до точки, розрахунковий час прибуття та решта). У мене, наприклад, був такий випадок. Приїхавши до Праги автомобілем і влаштовуючись у готелі, ми з приятелем вирушили до центру міста. Залишивши машину на стоянці, пішли поблукати. Після безцільної тригодинної прогулянки та вечері в ресторані ми зрозуміли, що не пам'ятаємо, де залишили машину. На вулиці ніч, ми - на одній з маленьких вуличок незнайомого міста… На щастя, перш ніж залишити автомобіль, я записав його розташування у навігатор. Тепер же, натиснувши пару кнопок на апараті, я дізнався, що машина коштує за 500 метрів від нас і через 15 хвилин ми вже слухали тиху музику, прямуючи на автомобілі в готель.

Крім руху до записаної мітки по прямій, що не завжди зручно в умовах міста, Garmin пропонує функцію TrackBack - повернення своїм шляхом. Грубо кажучи, крива руху апроксимується рядом прямолінійних ділянок, а в точках зламу ставляться мітки. На кожній прямолінійній ділянці навігатор веде користувача до найближчої мітки, після досягнення її здійснюється автоматичне перемикання на наступну мітку. Винятково зручна функція при їзді автомобілем незнайомою місцевістю (сигнал із супутників крізь будівлі, звичайно, не проходить, тому, щоб отримати дані про свої координати в умовах щільної забудови, доводиться шукати більш-менш відкрите місце).

Я не далі заглиблюватимуся в опис можливостей приладу - повірте, що крім описаних, в ньому є ще маса приємних і потрібних примочок. Одна зміна орієнтації дисплея чого варта – можна використовувати апарат як у горизонтальному (автомобільному), так і у вертикальному (пішохідному) положенні (див. рис.3).

Однією з основних принад GPS для користувача я вважаю відсутність будь-якої плати за користування системою. Купив один раз прилад – і насолоджуйся!

Висновок.

Я думаю, немає потреби перераховувати сфери застосування розглянутої системи глобального позиціонування. GPS-приймачі вбудовують в автомобілі, стільникові телефони і навіть наручний годинник! Нещодавно я зустрів повідомлення про розробку чіпа, що поєднує в собі мініатюрний GPS-приймач і модуль GSM - пристроями на його базі пропонується оснащувати собачі нашийники, щоб господар міг легко виявити пса, що загубився, за допомогою стільникової мережі.

Але в будь-якій бочці меду є ложка дьогтю. У разі в ролі останнього виступають російські закони. Я не буду докладно міркувати про юридичні аспекти використання GPS-навігаторів в Росії (щось про це можна знайти), зауважу лише, що теоретично високоточні навігаційні прилади (якими, без сумніву, є навіть аматорські GPS-приймачі) у нас заборонені, а їх На власників чекає конфіскація апарату та чималий штраф.

На щастя для користувачів, у Росії строгість законів компенсується необов'язковістю їх виконання - наприклад, по Москві роз'їжджає величезна кількість лімузинів із шайбою-антеною GPS-приймачів на кришці багажника. Все більш-менш серйозні морські судна обладнані GPS (і вже виросло ціле покоління яхтсменів, які важко орієнтуються в просторі за компасом та іншими традиційними засобами навігації). Сподіваюся, влада не вставлятиме палиці в колеса технічному прогресу і найближчим часом легалізує користування GPS-приймачами в нашій країні (скасували ж дозволи на стільникові телефони), а також дадуть добро на розсекречення та тиражування докладних карт місцевості, необхідних для повноцінного використання автомобільних навігаційних. систем.

Майже всі сучасні телефони оснащуються GPS-чіпом. Навігаційний модуль є і в більшості планшетних комп'ютерів, що функціонують під керуванням операційної системи Android. Однак далеко не всі користувачі знають про те, що найчастіше за умовчанням робота чіпа відключена. В результаті такі люди дивуються, що на фотографіях немає геометок, а сервіс Google Now не показує маршрут до дому. На щастя, увімкнути GPS на планшеті та смартфоні можна без будь-яких трудовитрат.

Навіщо потрібний GPS?

Десятки років тому GPS-супутники були доступні лише військовим. Але американці швидко збагнули, що на навігаційних чіпах, додатках та картах можна робити великі гроші. В результаті доступ до технології отримали звичайні люди - потрібно було лише придбати відповідний пристрій. Спочатку це були спеціалізовані GPS-навігатори. А зараз навігаційний модуль серйозно зменшився в розмірах, тому його можна вбудувати навіть у рядовий смартфон.

GPS сигнал допомагає зрозуміти, в якій точці земної кулі ви зараз перебуваєте. Це корисно з кількох причин:

• Навігаційний додаток допоможе не заблукати в лісі;
• З навігацією можна орієнтуватися навіть у незнайомому місті;
• Ви легко знаходите потрібну вам адресу;
• Ви рятуєтеся від заторів – уникати їх допомагає сервіс «Пробки»;
• Різні програми показують вам найближчі забігайлівки та торгові центри;
• GPS допомагає визначити швидкість пересування.

Словом, навігаційний чіп може бути дуже корисним. Але за його використання доведеться розплатитися. Якщо ви вирішили включити GPS на Андроїді, готуйтеся до більш високого енергоспоживання. Найсильніше це помітно на старих девайсах, де немає підтримки технології A-GPS. Також на недорогих і є проблема із прийомом сигналу GPS. Наблизитися до її вирішення допоможе наша.

Активація GPS

Але досить лірики ... Давайте з'ясуємо, як включити GPS на телефоні під керуванням Android. Робиться це дуже просто:

Крок 1. Перейдіть в меню пристрою та топніть по іконці « Налаштування».

Крок 2. Тут виберіть пункт « Розташування».

Крок 3. Натисніть на « Режим».

Крок 4. Виберіть режим позиціонування « За всіма джерелами» або « По супутниках GPS».

На смартфонах, що працюють на більш актуальних версіях Android GPS, можна увімкнути через панель повідомлень. Для цього достатньо активувати кнопку GPS(Залежно від фірми виробника може мати іншу назву). Зробивши довге натискання на цей пункт, ви зможете перейти в налаштування розташування та змінити інші параметри. Наприклад, увімкнути режим економії енергії або високу точність.

Зверніть увагу:на смартфонах та деяких інших назв пунктів можуть відрізнятися. Наприклад, розділ « Розташування» може мати назву « Геодані».

Практично кожен сучасний телефон вже має вбудований модуль GPS-приймача, за допомогою якого є можливість досить точно визначити своє місцезнаходження на планеті Земля. Для роботи та точного визначення місцезнаходження GPS не потрібне інтернет та вежі мобільних мереж. Система може працювати навіть у пустелі далеко від цивілізації. Ми знаємо, що це можливо завдяки супутникам, але як саме це працює?

Основою системи GPS є навігаційні супутники, що рухаються навколо Землі по шести кругових орбітальних траєкторіях (по чотири супутники в кожній), на висоті 20180 км. Супутники GPS звертаються навколо Землі за 12 годин, їх вага на орбіті становить близько 840 кг, розміри – 1.52 м завширшки та 5.33 м завдовжки, включаючи сонячні панелі, що виробляють потужність 800 Ватт.

24 супутники забезпечують 100% працездатність системи навігації GPS у будь-якій точці земної кулі. Максимальне можливе число супутників, що одночасно працюють, у системі NAVSTAR обмежено числом 37. Практично завжди на орбіті знаходиться 32 супутники, 24 основних і 8 резервних на випадок збоїв.

Оскільки відомо, що кожен із супутників робить по два обороти навколо планети за добу, то неважко обчислити, що швидкість їх руху становить приблизно 14 000 км/год. Саме розташування супутників, так само як і нахил їх орбіт, аж ніяк не випадково: вони розташовані так, щоб з будь-якої відкритої точки планети було видно хоча б чотири супутники - саме така мінімальна кількість, необхідна для визначення розташування об'єкта на Землі. Чому саме чотири та як це працює?

Щоб виміряти якусь дуже довгу відстань, ми можемо послати сигнал і заміряти час, за який він досягне потрібної точки або відіб'ється від неї і дійде до нас знову (головне при цьому точно знати швидкість руху сигналу). У другому випадку час доведеться ділити на два, оскільки сигнал пройшов подвоєну відстань. Цей спосіб зветься ехолокація, і спектр його застосування дуже широкий: починаючи від вивчення форми морського дна (тут сигналом виступає ультразвук) і закінчуючи радарами (сигнал - електромагнітні хвилі).

Проблема в тому, що при використанні цього способу ми повинні знати заздалегідь, де знаходиться приймач. У випадку з системою GPS приймачем сигналу є саме ви на Землі. Супутник не має уявлення про ваше місцезнаходження, він не знає, де ви, і ніколи не дізнається, тому відправляє сигнал відразу на всю поверхню планети під ним. У цьому сигналі він кодує інформацію про те, де розташований сам, а також у який час по його власному годиннику сигнал був відправлений, і на цьому його робота закінчується.

GPS-модуль у вас в руках отримав координати супутника та інформацію про час надсилання сигналу. Програма у вашому телефоні збільшує швидкість розповсюдження сигналу (тобто швидкість світла) на різницю між часом отримання та часом відправки, вираховуючи таким чином відстань до кожного супутника. Якби годинник модуля був точно синхронізований з годинником всіх сателітів, то знадобилося б ще два супутники, щоб визначити місце розташування за допомогою так званої тріангуляції.

Щоб зрозуміти принцип дії тріангуляції, давайте на секунду перейдемо у двомірний простір. Уявіть собі дві точки на площині, розташовані на певній відстані один від одного, допустимо 5 метрів. Ви також знаєте, що якась нова точка знаходиться, у свою чергу, на відомих відстанях від перших двох - наприклад, 3 і 4 метри відповідно. Щоб знайти цю нову точку, ви можете провести два кола з радіусами 3 та 4 метри та центрами у першій та другій точках відповідно. Два отримані кола перетнуться рівно у двох точках, одна з яких і буде шуканою.

Повернемося до тривимірного простору. Тепер нам уже потрібні три опорні точки, якими є наші супутники, і «креслити» навколо них ми не будемо кола, а сфери. Всі три сфери відразу в загальному випадку матимуть дві точки перетину, але одна з них знаходиться над місцем розташування супутників, дуже високо в космосі - вона нам явно не потрібна. А ось друга - це саме ваше місце розташування.

Для вимірювання місця розташування в просторі необхідно знати точний час і мати точний інструмент для його вимірювання.

Реальне завдання ускладнюється тією обставиною, що час на годиннику вашого телефону не збігається з тим, що показує годинник супутників, і ваш годинник є на кілька порядків менш точним. Взагалі, час створює кілька додаткових складнощів у вирішенні цієї проблеми. Так, наприклад, супутники схильні до ефектів релятивістського та гравітаційного спотворення часу. Насправді швидкість ходу годинника, згідно з теорією відносності, залежить у тому числі від сили гравітації в тій точці, де цей годинник розташований, а також від швидкості їх руху.

На висоті 20 000 кілометрів над Землею гравітація досить слабка, а супутники літають, як ми вже розібралися, досить швидко. Через суму цих ефектів годинник доводиться коригувати загалом на 38 мілісекунд на добу. Якщо здається, що це мало, нагадаю, що електромагнітний сигнал, що рухається зі швидкістю світла, пройде за цей час приблизно 11 000 км - приблизно такий і можливо похибка при визначенні координат.

Друга проблема - точність самого годинника. При зазначених швидкостях сигналів кожна мільйонна частка секунди, виміряна похибкою, може спровокувати великі помилки. Через це супутники старого формату дозволяють визначити місцезнаходження не дуже точно і можуть обдурити на цілих 10 метрів. Починаючи з 2010-го на заміну старим запускають нові супутники, оснащені атомним годинником, і їхня похибка зменшилася до 1 метра.

Інший шлях вирішення проблеми – спеціальні наземні станції корекції. Вони використовуються на території деяких країн і принцип їхньої роботи такий: приймаючи дані про розташування того чи іншого об'єкта, вони коригують їх, і в результаті користувач гаджета отримує більш достовірну інформацію про місцезнаходження.

Чим більше джерел сигналу, тим точніше результат виміру, ось чому в мегаполісі орієнтуватися по навігатору буде простіше, ніж у пустелі.

Однак атомний годинник - пристрій громіздкий і дорогий, тому, щоб вирішити проблему часу приймача, потрібен ще один супутник. Він також передає інформацію про своє місцезнаходження та момент відправлення сигналу. І тепер наш простір стає не три-, а чотиривимірним. Невідомими є широта, довгота, висота та час приймача у момент відправлення сигналів. Положення у цих чотирьох вимірах нам і потрібно визначити, для чого за аналогією з двовимірним та тривимірним просторами нам потрібні саме чотири супутники.

Звичайно ж, насправді добре, коли вдається «зловити» сигнал від більшої кількості джерел, і у великих містах та населених районах із цим проблеми немає: можна легко побачити одночасно десяток сателітів, які забезпечать досить високу для побутового використання точність.

Однак початковий пошук супутників теж не найпростіше завдання. У старих апаратах пристрою могло знадобитися чимало часу, аж до кількох хвилин, щоб уловити та розібрати сигнал від потрібної кількості космічних об'єктів. Тоді це називалося «холодний старт», і для того, щоб прискорити процес, вигадали отримувати дані про поточне розташування небесних тіл з інтернету. Але при переміщенні приймача на велику відстань (десятки кілометрів) або за дуже тривалої бездіяльності «холодний старт» доводилося заново. У сучасних пристроях модуль періодично включається сам, оновлюючи інформацію, тому подібної проблеми немає.

До речі, до 2000 року точність для цивільних осіб була штучно занижена, і дізнатися про своє місцезнаходження дозволялося не ближче, ніж за 100 метрів від реального. Оскільки GPS створювалася, фінансується та підтримується міністерством оборони США, військові хотіли мати певну перевагу. З розвитком і дедалі активнішим впровадженням технології життя громадянського населення це штучне обмеження було прибрано.

Супутник не отримує даних про GPS-пристрої на поверхні Землі і в повітряному просторі, тому послуга безкоштовна. Ми просто не зможемо дізнатися, хто саме їй користується. Виходить, рецепт вирішення загальнолюдської проблеми під кодовою назвою «А де я?» надзвичайно простий: односторонній зв'язок та нехитрі математичні розрахунки.

Сьогодні область застосування системи глобального позиціонування GPS досить велика. Все частіше GPS-приймачі вбудовують у мобільні телефони та комунікатори, в автомобілі, годинник і навіть у собачі нашийники. Люди звикають до такого добра як GPS навігація, і пройде зовсім небагато часу, як вони вже не зможуть обійтися без неї. Саме тому варто сказати пару слів про недоліки GPS.

Недоліками GPS навігації є те, що за певних умов сигнал може не доходити до GPS-приймача, тому практично неможливо визначити своє точне місцезнаходження в глибині квартири всередині залізобетонної будівлі, у підвалі або тунелі.

Робоча частота GPS знаходиться в дециметровому діапазоні радіохвиль, тому рівень прийому сигналу від супутників може погіршитися під щільним листям дерев, в районах із щільною міською забудовою або через велику хмарність, а це позначиться на точності позиціонування.

Магнітні бурі та наземні радіоджерела теж здатні перешкодити нормальному прийому сигналів GPS.

Карти, призначені для GPS навігації, швидко старіють і можуть бути не точними, тому потрібно вірити не тільки даним GPS-приймача, але і своїм власним очам.

Особливо варто відзначити, що робота глобальної системи навігації GPS повністю залежить від міністерства оборони США і не можна бути впевненим, що в будь-який момент США не включить перешкоду (SA – selective availability) або взагалі повністю відключить цивільний сектор GPS як в окремо взятому регіоні, так і і взагалі. Прецеденти вже були.

Система GPS має менш популярну і відому альтернативу у вигляді навігаційних систем ГЛОНАСС (Росія) і Galileo (ЄС), і кожна з цих систем прагне набути широкого поширення.