HDG объясняет: как работает GPS?

Когда вы в последний раз использовали свой телефон, Карты Google определяют ваше точное местоположение Вы когда-нибудь останавливались на карте и задавались вопросом, как GPS работает так точно?

Система глобального позиционирования (GPS) была фактически запущена Министерством обороны США в 1973 году (известная как NAVSTAR). К 1993 году на орбите Земли находилось 24 спутника GPS, которые передавали орбитальные и позиционные данные, которые военные могли использовать для навигации и других военных целей. Сегодня, на момент написания этой статьи, их 28.

В 1980-х годах данные, передаваемые со спутников GPS, были открыты для общественности, что открыло целый рынок для широкого ассортимента устройств GPS-навигации, которые мы имеем сегодня.

На момент написания этой статьи Россия, Китай, Европа и Индия имели свои собственные активные системы GPS. Япония разрабатывает собственную систему GPS, которую планируется ввести в эксплуатацию в 2023 году.

Как работает GPS?

Хотя спутниковая технология, на которой основана GPS, является очень продвинутой, принцип работы системы впечатляюще прост.

Каждая отдельная навигационная система GPS состоит из трех компонентов.

• Спутники: Спутники GPS вращаются вокруг Земли и передают свое текущее время и орбитальную позицию всем приемникам GPS на своей стороне планеты.
• Командный центр: Центр управления передает орбитальные данные, поправки времени и орбитальную позицию других спутников на спутники на орбите.
• GPS-приемники: Приемник GPS на Земле получает время обращения по орбите от такого количества спутников в пределах досягаемости и вычисляет свое собственное положение на Земле на основе положений как минимум четырех спутников GPS.

Приемники GPS используют математический принцип, известный как триангуляция, для расчета своего местоположения.

Как работает GPS-триангуляция

Из любой точки планеты, если вы держите GPS-приемник (например, в телефоне), GPS-приемник получает отметки времени от синхронизированных часов на каждом из спутников GPS над головой.

Используя разницу во временных метках и постоянную скорость света, с которой распространяются радиоволны, приемник GPS может определить расстояние между вашим местоположением и каждым спутником.

Это обеспечивает приемник GPS радиусом сфер со спутниками в центре и вашим местоположением на краю сферы.

Поскольку каждый спутник движется по предсказуемой орбите над Землей, приемник может использовать сохраненный альманах текущего известное положение всех спутников GPS, чтобы определить, где, приблизительно, эти спутники в настоящее время расположены над земля.

Благодаря известному положению каждого спутника и измеренному расстоянию между этими спутниками и вашим положением ваш GPS-приемник может чтобы вычислить ваше приблизительное местоположение, определив место пересечения этих трех сфер на поверхности Земля.

Затем приемник отображает это местоположение на карте.

Три спутника обеспечивают приблизительное местоположение, а приемникам GPS требуется четвертый сигнал от другого спутника GPS, чтобы Определите вашу текущую высоту на поверхности Земли, используя другой математический принцип, известный как трилатерация.

Как работает GPS-датчик вашего телефона

Большинство современных смартфонов сегодня оснащены чипом GPS-приемника. Этот чип может принимать радиосигналы со спутников GPS.

Часы вашего телефона - это не атомные часы, поэтому их время не синхронизируется с атомными часами спутников на орбите. Однако это не имеет значения, когда дело доходит до расчета местоположения по сигналам этих спутников.

Это связано с тем, что приемник GPS вашего телефона фокусируется на данных, которые он получает со спутников, и на базе данных известных местоположений спутников на Земле. Поскольку на всех спутниках есть атомные часы, текущее время на каждом спутнике точно такое же в любой момент.

Однако из-за удаленности от спутника и того факта, что радиосигналы распространяются со скоростью света, разница между каждой полученной меткой времени показывает расстояние между вашим телефоном и каждым из спутники.

Вот как работает этот процесс GPS:

• Все четыре спутника передают на ваш телефон одну и ту же метку точного времени в 17:12:14.
• Ваш телефон получает эту метку времени в 5:12:15 со спутника 1.
• Он получает метку времени в 5:12:16 от спутника 2.
• Наконец, в 5:12:17 он получает метку времени от спутника 3.

Это сообщает вашему GPS-приемнику, что радиосигналу потребовалась 1 секунда, чтобы достичь его со спутника 1, 2 секунды со спутника 2 и 3 секунды со спутника 3.

Известная постоянная скорость света составляет 299 792 458 метров в секунду.

Используя простую математику, приемник может рассчитать, что его расстояние составляет примерно 300 тысяч метров от спутника 1, 600 тысяч метров от спутника 2 и 900 тысяч метров от спутника 3.

Используя таблицу поиска из спутниковой базы данных GPS, GPS-приемник вашего телефона знает приблизительный ток расположение над землей всех трех спутников, которое обеспечивает координаты долготы и широты всех три.

Имея эту информацию, ваш телефон может рассчитать ваши собственные координаты долготы и широты на земле.

Используя ваши известные координаты, ваш GPS-приемник может затем использовать расстояние, измеренное между ним и четвертым спутником, чтобы определить, на какой высоте над Землей вы находитесь.

Что такое вспомогательная система глобального позиционирования?

До того, как в смартфоны начали интегрировать схемы GPS, люди обычно использовали портативные GPS-приемники, работающие от батареек AA. Или они устанавливали устройства GPS в автомобили, которые работали подключенными к батарее телефона.

Это произошло потому, что радиосвязь требует большей мощности. Ограничением этого является то, что вам часто приходилось ждать несколько минут, пока ваш GPS-приемник «захватит» достаточное количество спутников GPS для расчета вашего местоположения.

Производители смартфонов обошли это ограничение батареи, объединив существующую технологию сотовой триангуляции. Задолго до того, как в телефонах была включена функция GPS, они могли использовать сигналы, поступающие с вышек сотовой связи, для триангуляции. ваше местоположение, используя такую ​​же технологию триангуляции, как временную метку и расстояние, что и в случае с GPS спутники.

К сожалению, поскольку вышки сотовой связи находятся на уровне земли, этот навигационный расчет гораздо менее точен. Таким образом, программное обеспечение GPS вашего смартфона сначала будет использовать триангуляцию сотового сигнала для определения вашего приблизительного местоположения, а затем обновит это положение, как только данные спутникового GPS будут готовы.

Это позволяет современным смартфонам резервировать заряд батареи, используя данные GPS только тогда, когда требуются эти обновления местоположения. Вот почему вы часто можете увидеть ваше местоположение на Картах Google иногда переходят в новое место, когда доступны более точные данные.