Мы уже привыкли, что найти дорогу до любой точки города можно буквально за пару секунд: открываешь на телефоне карты и вбиваешь адрес или название пункта назначения. Навигатор сразу просчитывает время в пути и даже предлагает несколько вариантов: дойти пешком, доехать на машине или общественном транспорте. Но как программа вычисляет ваше местоположение, да еще и с такой феноменальной точностью? Все благодаря спутниковой системе GPS. В этом материале расскажем, как работает gps, разберем принцип работы gps и ответим на другие вопросы, связанные с технологией gps.
Что такое GPS
GPS — это сокращение от аббревиатуры Global Positioning System — система глобального позиционирования. Она нужна для удобства навигации: чтобы, выйдя из метро, вы смогли дойти до ближайшего магазина или аптеки, а следуя на машине в незнакомом городе, не были привязаны к огромной бумажной карте с необходимостью чертить себе маршрут карандашом на бумаге. Эти примеры уместны в повседневно-бытовом плане, но GPS также активно используется в логистике (как морской, так и на суше) и других сферах бизнеса.
История возникновения GPS
Как и многие другие достижения человеческого гения, система gps изначально разрабатывалась исключительно для военных целей. После запуска Советским Союзом первого искусственного спутника Земли «Спутник-1» в 1957 году американские ученые обратили внимание, что частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении.
Спутник-1
Запуск первого искусственного спутника Земли. Источник: Роскосмос
Благодаря этому наблюдению исследователям стало понятно, что при знании своих точных координат на Земле можно измерить положение и скорость спутника, что также работает и в обратную сторону: точно зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты.
Практическое применение эти знания начали обретать только через 10 лет, в 1967 году. Тогда вооруженные силы США запустили на низкую околоземную орбиту собственные военные спутники, эта космическая программа получила название Timation. Далее концепция подверглась серии ребрендингов — система спутников переименовывалась в DNS, позже в NavSTaR, а современное название GPS получила только в 1973 году.
Космический корабль TIMATION-1 на пусковой установке. Источник: NRL
За последующие два десятилетия на орбиту было выведено 24 спутника, последний встал на вооружение в 1993 году. С этого момента стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле.
О гражданском применении GPS речи тогда даже не шло, так как бизнес-сектор не видел потенциала для заработка на этой технологии. Использование GPS до сих пор является бесплатным.
Как работает система GPS
Для того чтобы понять, как устроена работа GPS, надо разобраться, из чего состоит GPS-система.
GPS включает три главные составляющие: космическую, управляющую и пользовательскую.
Для функционирования всей системы в космосе должны находиться минимум 24 спутника. На данный момент их больше 30, и США с различной регулярностью выводят на орбиту новые модули.
Вычисление координат и определение местоположения происходит следующим образом. Пользовательское устройство подсчитывает, сколько gps сигнал идет от спутника до него, приемника. В этом сигнале также содержится массив данных, среди которых — координаты спутника в космосе.
Получить данные о широте и долготе позволяют сигналы сразу от трех спутников. Устройство-приемник проводит вычисления с помощью геометрических формул и находит координаты пользователя с погрешностью 1–5 метров. А если нужно вычислить еще и высоту над поверхностью Земли, достаточно получить сигнал с четвертого спутника.
Управляющий сегмент — это станции обслуживания, расположенные преимущественно в тропических регионах Земли. К ним также можно отнести наземные антенны и станции мониторинга. Они нужны для того, чтобы избежать сбоев программного обеспечения спутников и по мере необходимости вносить коррективы в их прошивки.
Для чего используется и зачем нужен GPS
Для чего нужен GPS? На первый взгляд может показаться, что на этот вопрос без труда ответит даже школьник без интернета. Но на самом деле тема не такая простая (но довольно интересная).
Нетривиальных способов использования технологии предостаточно. Различаются они в первую очередь в зависимости от того, на каком устройстве используется GPS. Разберем на конкретных примерах. Но для начала разрушим один из мифов, созданных преимущественно голливудскими блокбастерами о том, что «любого человека можно найти через GPS». Это действительно очень эффектно выглядит в кино, когда очередной подражатель Джеймса Бонда на своем лэптопе увеличивает изображение со спутника, чтобы рассмотреть пароль от сейфа, напечатанный на карточке, лежащей в кармашке злодея.
В действительности все несколько иначе. Конечно же, спецслужбы различных стран могут использовать в оперативных целях в качестве вспомогательных методов современные технологические достижения, но чаще им хватает других, более традиционных способов. GPS для этих целей подойдет далеко не всегда: разыскиваемому человеку достаточно спуститься в подземку, чтобы избавиться от такого рода преследования.
Виды GPS-устройств
GPS-модули сегодня есть во всех, даже самых ультрабюджетных моделях смартфонов. И их вполне хватает для того, чтобы не заблудиться в незнакомой местности, найти нужный адрес или добраться на машине в другой город. Но есть и более узкоспециализированные устройства, которые заточены под определенные цели и задачи. О них и пойдет речь далее.
Навигаторы
Это самый популярный класс устройств, использующий GPS. Приложения для навигации также есть и в смартфонах, но в них задействована технология A-GPS (англ. Assisted GPS), работа которой показывает лучший результат при постоянном соединении с интернетом. Автомобильные навигаторы чаще не нуждаются в дополнительном подключении ко всемирной паутине, поэтому больше подходят дальнобойщикам или водителям, которые чаще передвигаются по трассам без покрытия мобильных сетей.
Ранее мы рассказывали:
Топ-12 лучших навигаторов для пешеходов
Трекеры
Устройства для отслеживания чего-либо или кого-либо в пространстве. Как правило, в самом минималистичном исполнении у трекеров отсутствует дисплей и какие-либо органы управления. По беспроводному соединению GPS трекер коннектится к приложению на смартфоне или компьютеру, после чего можно получить с него данные о перемещении или актуальном местоположении.
Трекер может быть установлен в детские часы, чтобы вы всегда были в курсе, где в данный момент времени находится ваше чадо. Есть аналогичные трекеры, которые устанавливаются в ошейники домашних питомцев, чтобы, например, знать, где сама по себе гуляет ваша кошка, ушедшая с дачного участка.
Особенно полезную службу GPS трекеры сослужат заядлым путешественникам. Если авиакомпания потеряет ваш багаж, внутри которого находился трекер, вам легче будет предоставить данные о его местоположении, и вы быстрее его разыщите.
Используются трекеры и правоохранительными органами. При избрании меры пресечения в виде домашнего ареста подозреваемым на ногу надевается специальный браслет, который фиксирует попытки покинуть помещение, а в случае побега — указывает местоположение злоумышленника.
GPS-приемники
К GPS-приемникам относится уже профессиональное оборудование. От обычных навигаторов и трекеров оно отличается повышенной точностью определения местоположения — они изготовляются из более качественных компонентов. Особенно это касается принимающих антенн, из-за чего, соответственно, и стоимость их значительно отличается в большую сторону относительно бытовых устройств. GPS-приемники используются для проведения геодезических работ при составлении карт местности, а также в военных целях.
Картплоттеры-эхолоты
Для современных моряков и рыбаков картплоттер-эхолот — это обязательный гаджет. Основная фишка — в сочетании доступной картографии надводной и подводной местности. Наиболее продвинутые модели обладают множеством техник эхолокации и имеют инструменты для создания собственных карт, на которых можно отмечать для себя наиболее рыбные места. Девайс будет полезен как в открытом море, так и в походе по реке.
Источник: Lowrance
Какие еще есть технологии
Учитывая, что GPS — технология исключительно американская и контролируемая Министерством обороны США, трудно представить, что другие страны, имея свои космические программы, сидели бы сложа руки и не пытались запустить аналогичные по функциям и назначению системы. Вот какие альтернативы технологии GPS существуют в настоящее время.
Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС)
Также изначально разрабатывалась исключительно для военных целей. Российская ГЛОНАСС запущена в 1982 году, в настоящее время предоставляет навигационные услуги на безвозмездной основе и без ограничений. В гражданском применении с отечественной навигационной системой взаимодействуют устройства, работающие на чипсетах от следующих производителей: Mediatek, Qualcomm, Apple, Samsung и HiSilicon.
«Бэйдоу» (BeiDou)
Китайская глобальная спутниковая система навигации. Ее разработка стартовала в 1994 году, первая версия системы получила название «Бэйдоу-1», затем функционировала промежуточная система «Бэйдоу-2», после чего в 2020 году полномасштабно развернулась версия «Бэйдоу-3», которая функционирует и сейчас. В настоящее время производители техники в Поднебесной переживают небывалый подъем, поэтому практически каждый новый выпускаемый смартфон или другой носимый гаджет совместим с системой «Бэйдоу» для навигации и определения местоположения.
«Галилео» (Galileo)
Плод совместных усилий Европейского союза и Европейского космического агентства. Система разработана в первую очередь для решения геодезических и навигационных задач. Она наиболее молодая из представленных — запуск первого спутника состоялся в 2011 году, а ее стоимость оценивается в 4,9 млрд евро.
В отличие от GPS и ГЛОНАСС, «Галилео» изначально разрабатывалась как система для точной навигации для применения в гражданской сфере. Так, например, в протоколах «Галилео» предусмотрена «Коммерческая служба» предоставления доступа к спутникам — с ее помощью на совместимые устройства посылается специальный кодированный сигнал, позволяющий обеспечить повышенную точность позиционирования. Дополнительная опция, соответственно, предоставляется заинтересованным юзерам за отдельную плату.
Ранее мы рассказывали:
Как доказать свою правоту на дороге? Топ-12 лучших видеорегистраторов в 2022 году
Какие недостатки у системы GPS
Исходя из вышеописанного, один из самых явных недостатков — контроль за GPS лишь одной организацией, то есть Министерством обороны США. Сценарий, в котором спутники GPS перестанут быть доступными для жителей одной конкретной страны, трудноосуществим: для реализации такой задумки также понадобится потратить определенное количество ресурсов и человеческих усилий. Но все же такая вероятность не равна нулю. Примеров в наше время хватает, когда невидимая рука отключает, как рубильником, технологические решения, казалось бы, такие обыденные и плотно вошедшие в повседневную жизнь.
При этом сама технология GPS не лишена и других, чисто технических недостатков. Например, на качество передаваемого сигнала негативно влияют погодные условия и электромагнитные помехи.
Также и в городской обстановке — за высотными зданиями, в туннелях — GPS-сигнал может проходить с помехами, в связи с чем местоположение будет определяться с сильной погрешностью. Аналогичная ситуация возможна и в гористой местности или, наоборот, в ущельях или долинах.
Хотите стать автором «Эльдоблога»? Тогда присылайте нам свои обзоры и видео техники и получайте до 1000 бонусов на новые покупки!
