Что такое GPS и как телефон определяет местоположение
GPS работает так: смартфон принимает радиосигналы нескольких спутников, измеряет время их полёта и по нему вычисляет координаты. Передавать ничего в космос телефону не нужно. Интернет и мобильная связь для самого приёма тоже не обязательны: навигационный модуль работает даже в авиарежиме.
GPS — это американская спутниковая система навигации, которая передаёт с орбиты радиосигналы с точным временем; приёмник в смартфоне по разнице времени прихода сигналов от нескольких спутников вычисляет координаты. Этот приёмник — один из модулей, из которых устроен смартфон: рядом с ним работают модем, Wi-Fi и датчики движения.
Каждый спутник круглосуточно передаёт один и тот же сигнал всем, кто может его принять, — как маяк, которому не важно, какие корабли находятся рядом. В сообщении есть точное время отправки и данные о собственной орбите. Спутник не получает никаких данных о том, кто принял его сигнал.
Сколько спутников GPS находится над головой и кто ими управляет
Для определения координат телефону нужны как минимум четыре спутника, и обычно над горизонтом видно больше. Система рассчитана так, чтобы почти из любой точки Земли приёмник одновременно видел необходимую четвёрку аппаратов.
Основу группировки составляют 24 позиции на шести орбитальных плоскостях. США обязуются поддерживать не менее 24 работоспособных спутников 95% времени, хотя фактически на орбите работает более 30 аппаратов.
- Высота — около 20 200 километров, чуть больше половины длины экватора.
- Скорость — два оборота вокруг Земли в сутки, поэтому набор видимых спутников постепенно меняется.
- Расположение — шесть равноудалённых орбитальных плоскостей, в каждой по четыре позиции, или слота.
- Управление — наземный сегмент: главная станция управления, 11 командных антенн и 17 станций слежения.
Наземные службы ежедневно уточняют орбиты и ход бортовых часов, затем передают поправки спутникам. Телефону не приходится ждать определённый аппарат: он использует те, которые уже видны над горизонтом.
Как GPS измеряет расстояние до спутника
Расстояние до спутника GPS находят по времени, за которое его сигнал долетает до телефона. От аппарата прямо над головой он идёт примерно 67 миллисекунд; от спутника у горизонта путь может достигать почти 25 800 километров и занимать около 86 миллисекунд.
В навигационном сообщении указано время отправки. Смартфон фиксирует время приёма, находит разницу и получает длительность полёта сигнала. Остаётся умножить её на скорость света — так получается расстояние до спутника.
Вся схема зависит от точности часов. Ошибка в миллионную долю секунды даёт почти 300 метров на местности, а миллиардная доля секунды — около 30 сантиметров. Поэтому на спутниках стоят атомные часы, а не обычные кварцевые.
Почему GPS нужны минимум четыре спутника
Четвёртый спутник нужен, чтобы исправить ошибку часов самого телефона. Трёх измерений хватило бы для широты, долготы и высоты, если бы приёмник знал время идеально точно. Но в смартфоне стоят кварцевые часы, которые неизбежно немного спешат или отстают.
Поэтому в задаче четыре неизвестных: широта, долгота, высота и поправка времени. Каждое измеренное расстояние задаёт воображаемую сферу вокруг спутника. Телефон находится где-то на её поверхности; новые измерения последовательно сужают область поиска.
| Сколько спутников принимает телефон | Что можно определить |
|---|---|
| 1 | Известно только расстояние до одного аппарата: телефон находится на поверхности сферы. |
| 2 | Два измерения сужают положение до окружности на пересечении двух сфер. |
| 3 | Можно найти три координаты, но лишь при идеально точных часах приёмника. |
| 4 и больше | Координаты определяются вместе с поправкой времени — это рабочее решение для карты. |
Зачем атомные часы на спутниках заранее замедляют
Часы на спутниках GPS ещё на Земле настраивают немного медленнее номинала. Причина в релятивистских эффектах: на высоте около 20 тысяч километров время идёт иначе, чем на поверхности Земли, и бортовые часы без поправки спешили бы.
Их частоту заранее снижают до 10,229 999 995 43 МГц вместо номинальных 10,23 МГц. Разница кажется незначительной, но без неё часы спутника уходили бы вперёд примерно на 38 микросекунд в сутки. Для навигации это означало бы больше 10 километров ошибки каждый день.
Эта поправка встроена в расчёты каждого спутника. Без неё карта уже через сутки показывала бы положение на другом конце города.
Почему GPS плохо работает в помещении и долго ищет спутники
Внутри зданий GPS работает плохо, потому что сигнал со спутника приходит на Землю чрезвычайно слабым. Его гарантированная мощность у поверхности — 10⁻¹⁶ ватта, или 0,0000000000000001 ватта. Бетонные перекрытия, метро и тоннели могут полностью его заглушить.
Стены также отражают радиоволну. Сигнал приходит по более длинному пути и искажает расчёт координат; этот эффект называют многолучёвостью, или multipath. В городской застройке он заметно ухудшает точность.
Есть и вторая причина задержки: навигационные данные передаются со скоростью всего 50 бит в секунду. Полный кадр с данными о спутниках занимает ровно 30 секунд, и телефону нужно дождаться его окончания.
Так появляется холодный старт — первый поиск, когда в памяти нет свежих данных об орбитах. Обычно он занимает около полминуты, а при слабом городском сигнале может растянуться на несколько минут. При свежих данных горячий старт занимает примерно секунду.
Интернет GPS не заменяет. Сеть лишь быстрее передаёт те же орбитальные данные, которые телефон иначе получил бы из космоса. Эта помощь называется A-GPS и ускоряет первый фикс; без сети координаты тоже определятся, но позже.
Насколько точен GPS в смартфоне
На открытом месте смартфон обычно определяет положение в радиусе около 4,9 метра. В плотной городской застройке синяя точка заметно смещается: на результат влияют препятствия на последних километрах пути сигнала.
- Перекрытия — дома, мосты и деревья закрывают часть неба.
- Помещения и подземка — сигнал туда почти не проникает.
- Отражения — волна от стены приходит с задержкой и портит расчёт.
- Редкие причины — радиопомехи, глушение, сильные солнечные бури и обслуживание спутников.
Погрешность сигнала в космосе и точность точки на экране — разные величины. США гарантируют ошибку сигнала до 2 метров с вероятностью 95%, а 20 апреля 2021 года средняя ошибка по всей группировке составляла около 0,6 метра. На показания телефона дополнительно влияют геометрия спутников, атмосфера, помехи и качество приёмника.
Преднамеренное ухудшение гражданского GPS-сигнала США отключили 1 мая 2000 года. Точность выросла и благодаря двухчастотным приёмникам: они используют L1 и L5. Второй сигнал шире и мощнее, поэтому телефону проще отличить прямую волну от отражённой.
Первым смартфоном с такой поддержкой стал Xiaomi Mi 8 в 2018 году, а теперь L1 и L5 есть у большинства флагманов. Формально L5 и второй гражданский сигнал L2C ещё не объявлены полностью рабочими, хотя спутники уже передают их, а телефоны используют.
Наконец, синяя точка на карте редко строится только по GPS. Смартфон одновременно принимает европейскую Galileo, российскую ГЛОНАСС и китайскую BeiDou, а среди домов добавляет данные Wi-Fi, базовых станций, акселерометра и гироскопа. На экране видна общая оценка, собранная из всех этих источников.
