Как работает GPS
2026-02-21 16:24 Diff
https://skillbox.ru/media/code/kak-rabotaet-gps/

#статьи

  • 19 дек 2023
  • 0

Разбираемся в том, как спутники в космосе помогают нам найти дорогу в магазин.

Иллюстрация: Катя Павловская для Skillbox Media

Пишет про digital и машинное обучение для корпоративных блогов. Топ-автор в категории «Искусственный интеллект» на Medium. Kaggle-эксперт.

Если вы водите машину, то, скорее всего, часто пользуетесь навигатором для составления маршрута и объезда пробок. Он работает не просто с помощью карты города и подключения к интернету, а на основе GPS или других навигационных систем. Датчик в устройстве получает сигналы с космических спутников и точно определяет ваше месторасположение в городе.

Сегодня вы узнаете:

GPS (Global Positioning System, или система глобального позиционирования) — это система спутниковой навигации, которая позволяет определить местоположение устройства с GPS-приёмником на Земле и в околоземном космическом пространстве.

GPS-приёмники установлены в смартфонах, планшетах, умных часах и многих других гаджетах. На открытой местности устройства могут определить собственное местоположение с точностью до 1–2 метров. Высокие здания или густой лес мешают радиоволнам, и точность снижается до 3–20 метров.

Система спутниковой навигации появилась в США в 1960-е годы по инициативе военно-морского флота. Тогда на низкую околоземную орбиту было запущено два спутника. Они помогали кораблям ориентироваться в море.

В 1970-е годы систему начали улучшать, на орбиту большей высоты запустили дополнительные спутники. Благодаря этому спутниковую навигацию стали использовать все вооружённые силы США.

Изначально программа называлась DNSS, потом была переименована в Navstar и только в 1973 году — в GPS. Постепенно система спутниковой навигации пришла в гражданские сферы, в первую очередь в авиастроение. Самолёты использовали её для ориентации в пространстве относительно земли во время полётов.

Кроме GPS постепенно появились и другие системы спутниковой навигации. Например, в СССР и России — ГЛОНАСС, в Китае ― BeiDou, в Европе ― Galileo. Подробно мы поговорим о них дальше.

В системе GPS есть три главных звена: спутники на околоземной орбите, контрольные станции на Земле и GPS-приёмники на устройствах.

Инфографика: Майя Мальгина для Skillbox Media

GPS работает с 32 спутниками, вращающимися вокруг Земли на средней околоземной орбите. Это около 20 000 километров над поверхностью планеты.

Каждый спутник непрерывно передаёт сигналы, содержащие информацию о своём местоположении и времени передачи. Он делает это постоянно, а не по запросу. Поэтому любое устройство с GPS-приёмником может получить от него эти данные в любой момент.

Чтобы GPS работала, нужно определять время передачи сигнала с максимальной точностью. Скорость света ― 299 792 458 м/с, поэтому ошибка даже в долю секунды приведёт к погрешности в тысячи километров. Для точного определения времени на каждом спутнике установлено по четверо атомных часов. Это самые точные часы из существующих.

Спутниками управляют контрольные станции на Земле: они отслеживают их положение, корректируют орбиты при необходимости и проверяют синхронность работы часов. Главная контрольная станция находится на военно-воздушной базе Шривер в Колорадо, США. Есть и другие станции, разбросанные по всему миру и обеспечивающие круглосуточный контроль за всеми 32 спутниками.

GPS-приёмник — это отдельный радиомодуль в устройстве, который настроен на частоты спутников и содержит в себе алгоритмы для расчёта расстояния до них на основе времени прохождения сигнала.

Зная расстояние как минимум до трёх спутников, GPS-приёмник может определить своё местоположение с помощью трилатерации. Если говорить просто, то это похоже на рисование кругов на карте, где каждый круг соответствует одному спутнику. Место пересечения этих кругов и есть местоположение приёмника на Земле.

Инфографика: Майя Мальгина для Skillbox Media

Чем больше спутников «видит» GPS-приёмник, тем больше точность. Принцип работы схож с определением расположения смартфона по вышкам мобильных операторов.

Устройства с GPS-приёмниками в зависимости от габаритов и точности определения местоположения делят на стационарные и портативные.

Эти GPS-устройства предназначены для определения координат точки с минимально возможной погрешностью. Например, их используют в геодезии при составлении подробных карт местности. На них любой объект, например мост на реке или здание, должны быть определены с точностью до одного метра.

GPS-приёмники в стационарных устройствах способны одновременно поддерживать связь с четырьмя и более спутниками, и сочетать разные спутниковые навигационные системы. Это повышает точность их работы.

Устройство помогает точно измерить координаты любой точки на местности, например, для проведения строительных работ
Фото: krugloff / Shutterstock

Портативные GPS-устройства предназначены для использования в движении и имеют компактный размер. Их можно найти в смартфонах, умных часах, туристических навигаторах и других гаджетах. Такие устройства помогают нам добраться до нужного места в городе или ориентироваться на маршруте в походе.

«Яндекс Карты» показывают место ДТП в реальном времени с помощью технологии A-GPS
Скриншот: «Яндекс Карты» / Skillbox Media

В портативных GPS-системах часто используют технологию A-GPS (assisted GPS). Она получает данные о расположении не только от спутников, но и через другие системы — Wi-Fi и мобильный интернет. Благодаря этому координаты определяются быстрее и точнее.

К группе портативных устройств относят и внешние модули GPS, которые не имеют экрана и элементов управления. Например, трекеры, которые можно положить в сумку или прикрепить на ошейник питомца, чтобы найти их в случае пропажи.

У GPS, как и у любой технологии, есть свои преимущества и недостатки. Разберём основные из них.

Преимущества GPS

  • Высокая точность. Технология позволяет определить местоположение с точностью до нескольких метров. Использование A-GPS или комбинации GPS с другими спутниковыми навигационными системами повышает точность до одного метра и меньше.
  • Широкая распространённость. Сложно найти гаджет, не поддерживающий GPS, так как он стал стандартом подобных систем навигации во всём мире.
  • Лёгкость использования. Принципы работы GPS звучат сложно, но от пользователя не требуется специальных знаний или навыков. Гаджеты определяют местоположение без его участия — достаточно только запустить приложение с геолокацией.
  • Доступность. Технология GPS бесплатна для любых компаний и пользователей. Поэтому придётся купить только смартфон или навигатор.

Недостатки GPS

  • Проблемы в приполярных областях. Если вы планируете использовать GPS или любую другую спутниковую навигационную систему в приполярных зонах, то готовьтесь к снижению точности. Это связано с тем, что спутники преимущественно расположены над экватором и чем ближе GPS-приёмник к Северному или Южному полюсу, тем больше угол между ними. Это уменьшает точность трилатерации.
  • Погодные условия влияют на точность работы. Сигнал от спутников проходит через атмосферу. Поэтому различные природные явления, например гроза или высокая облачность, могут задерживать сигнал, увеличивая погрешность измерения.
  • Плохая работа в зданиях и лесах. Сами радиоволны могут проходить через различные преграды, например через стены. Но если преград на пути сигнала много, то возникает интерференция — радиоволны частично отражаются от объектов и смешиваются с сигналами, преходящими непосредственно от спутников, создавая «шум» для GPS-приёмников. В результате погрешность геолокации повышается. Интерференция сильнее всего заметна при попытке определить местоположение в многоэтажном здании.
  • Большой расход батареи. GPS-приёмники смартфонов, часов и других переносных устройств потребляют довольно много энергии — в 5–10 раз больше, чем при обычном использовании гаджета. Поэтому карты и другие приложения, использующие навигационные системы, стоит закрывать сразу после использования.

GPS ― самая популярная система спутниковой навигации, которая уже стала нарицательным именем для всех аналогичных систем. Но она не единственная.

ГЛОНАСС

Это российская Глобальная навигационная спутниковая система, созданная в Советском Союзе. Её основа — 24 спутника на средней околоземной орбите.

Современные гаджеты, в том числе смартфоны и навигационные приёмники, совместимы с несколькими подобными системами. Благодаря этому они могут использовать ГЛОНАСС одновременно с GPS, повышая точность работы.

BeiDou

BeiDou ― навигационная система из Китая. Она обеспечивает покрытие по всему миру благодаря 48 спутникам. Сервис работает для гражданских и военных целей КНР. BeiDou встроен в мобильные телефоны и другие гаджеты, выпускаемые в стране.

Galileo

Galileo — это независимая глобальная навигационная спутниковая система Европы, разработанная Европейским Союзом и Европейским космическим агентством. Главное её отличие от GPS и ГЛОНАСС— независимость от военных министерств стран-разработчиков.

Quasi-Zenith

Японская QZSS — это региональная навигационная система, направленная на повышение точности позиционирования в Азии и Океании. Работает только в Японии.

Её отличие — размещение спутников на квазизенитных орбитах. Благодаря этому QZSS обеспечивает более точную информацию о местоположении на местности со сложным рельефом, например в горах, совмещая свои данные с информацией от GPS-спутников.

IRNSS

Индийская IRNSS — это региональная спутниковая навигационная система, разработанная Индийской организацией космических исследований (ISRO) для внутренних нужд страны.

Преимущества альтернативных систем в том, что их можно использовать вместе, увеличивая зоны покрытия и обеспечивая надёжную навигацию даже в тех местах, где работа одной системы может быть затруднена.

  • GPS ― это система глобальной навигации, которая используется для определения местоположения устройств. Работает она по принципу трилатерации.
  • Приёмник радиоволн в гаджете определяет расстояние до спутников на основе времени, потраченного на получение сигнала. Сопоставляя расстояния до трёх и более спутников, алгоритмы в радиомодуле вычисляют местоположение устройства.
  • Устройства с GPS бывают стационарными и портативными, в зависимости от решаемых задач. К портативным относят смартфоны, умные часы и другие бытовые гаджеты. Стационарные — системы геодезии, морской навигации и так далее.
  • GPS ― не единственная система навигации. В России есть ГЛОНАСС, в Европе ― Galileo. В Японии, Китае и Индии существуют свои локальные системы.
Бесплатный курс по Python ➞
Мини-курс для новичков и для опытных кодеров. 4 крутых проекта в портфолио, живое общение со спикером. Кликните и узнайте, чему можно научиться на курсе. Смотреть программу