Что такое GPS и как работает эта система — от картографии до геокэшинга

Технология глобального позиционирования прошла долгий путь от военной и авиационной сферы к использованию в практически каждом потребительском устройстве. Смартфоны, фитнес-трекеры, умные метки — вот лишь несколько примеров гаджетов с GPS, которыми мы пользуемся ежедневно. Рынок GPS-технологий продолжает расти за счет развития потребительской электроники, автономного транспорта, точного земледелия и других отраслей. Прогнозируется, что к 2034 году он достигнет $472,16 млрд по сравнению с $109,42 млрд в 2024-м. Разбираемся, как появилась эта технология и как она работает.

Что такое GPS

GPS (Global Positioning System, система глобального позиционирования) — это американская система спутниковой навигации, которая позволяет точно определить местоположение устройства с GPS-приемником на Земле и в околоземном пространстве. Она предоставляет пользователям услуги позиционирования, навигации и синхронизации.

Спутник GPS (Фото: nasa.gov)

История GPS

Развитие системы началось в США в 1960-е годы по инициативе военно-морского флота. Тогда на низкую околоземную орбиту запустили два спутника, которые помогали кораблям ориентироваться в море. Эту систему назвали Transit.

Постепенно система спутниковой навигации пришла в гражданские сферы, и в первую очередь в авиацию. Самолеты использовали ее для ориентации в пространстве относительно земли во время полетов.

Индустрия 4.0 Интернет, GPS, клейкая лента — что еще придумали военные

В 1970-е годы систему начали улучшать. На более высокую орбиту запустили дополнительные спутники. В 1973 году в Пентагоне решили создать «оборонную навигационную спутниковую систему». Изначально программа называлась DNSS, но потом была переименована в Navstar. Первый спутник сети запустили в 1978 году. В течение следующего десятилетия последовало еще девять запусков, а с 1989-го по 1993 год на орбиту отправили 23 более тяжелых и производительных модели. Созвездие GPS окончательно сформировалось в 1994 году.

Для чего нужна GPS

Технология имеет множество применений, но в основном используется одним из следующих способов:

• навигация. Устройства с поддержкой GPS позволяют выстраивать маршруты и отслеживать движение по ним;
• картографирование. Геодезисты используют технологию GPS для получения точных и подробных координат на картах;
• геокэшинг. Устройства GPS помогают пользователям ориентироваться по координатам, которые указывают положения различных достопримечательностей и необычных мест;
• отслеживание. Устройства GPS можно крепить к транспортным средствам, грузам и даже к диким животным для отслеживания их перемещений.

Индустрия 4.0 Не просто фото: кто и как создает панорамы в онлайн-картах

Технология применяется во многих сферах, в том числе:

• сельского хозяйства — системы GPS могут собирать информацию о составе почвы и погодных условиях, помогают в навигации фермерам;
• логистики и транспорта — компании используют GPS для более точного управления перемещением товаров и отслеживания трафика;
• горнодобывающей промышленности — GPS может отслеживать местоположение рабочих, оборудования и полезных ископаемых, маршруты и скорость техники;
• коммунальных услуг — предприятия используют отслеживание GPS для управления и обслуживания сетей, чтобы реагировать на сбои, выявлять проблемные места и производить техническое обслуживание;
• космонавтики — для отслеживания орбиты, траектории космических кораблей, а также в приложениях дистанционного зондирования Земли.

Индустрия 4.0 Иммерсивность и краудсорсинг: четыре тренда геосервисов

GPS предоставляет два уровня обслуживания: стандартную службу позиционирования (SPS) и службу точного позиционирования (PPS). Доступ к PPS могут получить только вооруженные силы США, федеральные агентства страны и некоторые союзные армии и правительства. SPS же доступна пользователям по всему миру бесплатно.

Сколько спутников в GPS

Группировка GPS принадлежит правительству США и управляется Космическими силами страны. Она состоит из 31 спутника, которые вращаются вокруг Земли на орбите высотой 20,1 тыс. км и движутся со скоростью 14 тыс. км/ч, совершая оборот вокруг нашей планеты каждые 12 часов. Приемники на Земле улавливают эти сигналы, используя их для расчета времени, местоположения и скорости движения отслеживаемых объектов.

Схема расположения спутников GPS (Фото: gps.gov)

С 1978 по 1981 год для формирования группировки запустили 10 спутников Block I. Более новые версии, Block II, были запущены в начале 1989 года и могли вещать на двух радиочастотах L-диапазона. У GPS Block II было несколько серий разработки, включая Block IIA, IIR, IIR-M и IIF. Третье поколение спутников, Block III, которое поддерживает более высокую мощность вещания, запускают с 2018 года.

Как работает GPS

GPS включает в себя три составляющие: космический сегмент, систему управления и пользовательский сегмент.

Космический сегмент — это орбитальные аппараты, которые передают односторонние сигналы с информацией о своем текущем положении и времени. Для точности времяисчисления они используют атомные часы.

Система управления состоит из станций мониторинга, расположенных по всему миру. Они поддерживают спутники на правильных орбитах, периодически давая команды о синхронных маневрах и корректируют спутниковые часы.

Индустрия 4.0 Стартап из США развернет в космосе энергосеть для подзарядки спутников

Пользовательский сегмент состоит из оборудования приемников GPS, которое принимает сигналы от спутников сети и использует полученную информацию для расчета положения и времени пользователя.

Для точных расчетов приемникам требуется поймать сигнал минимум от четырех спутников, чтобы рассчитать время, широту, долготу и высоту положения объекта. Также они должны учитывать задержки распространения или уменьшение скорости сигнала спутника, вызванные прохождением ионосферы и тропосферы.

Как работает GPS (Фото: space.com)

GPS-устройства

Приемники спутниковых сигналов делятся на два основных типа.

Портативные

Портативные GPS-устройства используются при движении и имеют компактный размер. Их можно найти в смартфонах, умных часах, туристических и автомобильных навигаторах. В них часто используют технологию A-GPS или assisted GPS, которая получает данные о расположении не только от своих спутников, но и через другие системы, в том числе Wi-Fi и мобильный интернет. Также к портативным устройствам относят внешние модули GPS, у которых нет монитора и элементов управления, в том числе умные трекеры, которые позволяют отслеживать объекты.

Как работает умная метка Apple Airtag для отслеживания предметов (Фото: apple.com)

Стационарные

Эти GPS-устройства предназначены для определения координат точки с максимальной точностью. Они обычно используются в промышленности, морской навигации, геодезии и картографии. GPS-приемники в стационарных устройствах способны одновременно поддерживать связь с четырьмя и более спутниками, а также сочетать разные спутниковые навигационные системы.

Стационарный GPS-приемник (Фото: amazon.com)

Система GPS: плюсы и минусы

Система навигации GPS имеет сильные и слабые стороны.

Плюсы GPS:

• высокая точность геопозиционирования — до 2-4 м. При использовании технологии A-GPS или комбинации GPS с другими навигационными системами она может повыситься до одного метра и менее;
• постоянное обновление оборудования;
• широкое применение в потребительских устройствах;
• простота использования — пользователю нужно только запустить приложение с геолокацией.

Минусы GPS:

• снижение точности работы у полюсов планеты, так как спутники расположены в основном в районе экваториальных широт;
• влияние погодных условий на скорость прохождения сигнала;
• снижение точности работы навигации в зданиях и лесах из-за отражения волн;
• повышение расхода батареи устройства при работе GPS-приемника.

Чем GPS отличается от ГЛОНАСС

Помимо разницы в количестве спутников, — у GPS их 31, а у ГЛОНАСС 24, — американская система отличается от российской еще по ряду параметров:

• спутники GPS находятся в шести плоскостях и обращаются синхронно вокруг Земли, поэтому для точного геопозиционирования им требуются наземные корректировочные станции;
• погрешность позиционирования у ГЛОНАСС составляет 3-6 м, у GPS — 2-4 м;
• у ГЛОНАСС информация шифруется по более безопасному протоколу FDMA (Frequency Division Multiple Access с частотным разделением сигналов), а у GPS — по более простому и дешевому протоколу CDMA (Code Division Multiple Access с кодовым разделением). В первом случае каждому пользователю на время сеанса связи выделяется своя полоса частот (частотный канал), а во втором — данные пользователей не разносятся по времени или частотам, а смешиваются, используя всю ширину канала;
• ГЛОНАСС покрывает 100% территории России и 70% планеты, а GPS доступен везде, кроме околополярных широт.