Как работает навигация на смартфоне и что такое двухчастотный GPS
Эта статья должна была стать ответом на один из самых распространенных вопросов касательно новых смартфонов Xiaomi с их загадочной поддержкой двойного или двухчастотного (L1+L5) GPS. Но в процессе исследования вместо ясных ответов стали появляться лишь новые вопросы.
Как оказалось, многие производители также устанавливают на свои смартфоны самые современные GPS-приемники, способные в теории определять местоположение пользователя с точностью до 30 сантиметров. Однако эта возможность не только не афишируется, но даже скрывается!
Что же такое двухчастотный (двойной) GPS на смартфонах от Xiaomi и других брендов, почему эти смартфоны работают с точностью обычных смартфонов, как вообще работает GPS и что влияет на точность позиционирования — обо всем этом мы и поговорим дальше.
Как и все наши статьи из серии «Как это работает?», текущий материал будет написан максимально простым языком с рядом упрощений, чтобы даже самый неподготовленный читатель смог разобраться в теме.
Как работает GPS на любом смартфоне?
Прежде, чем обсуждать двухчастотный GPS, давайте поговорим о том, как вообще смартфон определяет свое местоположение.
Естественно, делает он это благодаря сигналу от спутников, летающих в космосе на высоте примерно в 20,000 км от земли. Чтобы лучше осознать, где именно они находятся, посмотрите следующую иллюстрацию:
GPS-модуль в смартфоне — это приемник, не способный передавать сигналы. Другими словами, с помощью GPS-модуля смартфон даже теоретически не может секретно отправлять ваши координаты в Google или другие заинтересованные организации. Делает он это через интернет.
Но каким образом это маленькое устройство может определить, где оно сейчас находится, только принимая радиосигнал?
Давайте рассмотрим простой пример. Представьте, что вам нужно определить координаты человека, зная только одну единственную информацию — он находится в 200 км от радиовышки А:
Это невыполнимая задача! Фактически, человек может быть где угодно в радиусе 200 км от вышки. Да, мы точно знаем, что он не дальше и не ближе, но от этого не легче, ведь количество вариантов очень большое. Мы можем просто начертить круг и наш человек может оказаться в любой точке этой окружности:
Теперь у нас появляется дополнительная информация. Оказывается, человек находится также в 145 км от радиовышки Б. То есть, он может также быть где-угодно в радиусе 145 км от этого места. Но теперь из бесконечного количества вариантов, у нас появляется только два возможных — на пересечении двух окружностей:
Если мы возьмем любую другую точку, кроме этих двух, она не будет отвечать главному требованию — чтобы человек одновременно находился в 200 км от радиовышки А и в 145 км от радиовышки Б.
Что же нам остается сделать, чтобы со 100%-ной точностью указать местоположение? В принципе, ничего! Вспомним, что речь идет о GPS-навигации и вместо радиовышек у нас GPS-спутники в космосе. И теперь задачу можно считать решенной. Дело в том, что только одна из этих двух точек пересечения имеет смысл, так как вторая будет находиться в неправдоподобном месте (высоко в космосе):
Просто мы рассматриваем двухмерный пример и в нем есть только 2 координаты: X (влево-право) и Y (вверх-вниз). Когда мы узнали координаты двух пересечений, у одного из них координата Y (вверх-вниз) оказалась слишком высокой, поэтому с уверенностью выбираем второе пересечение и рисуем на нашей двухмерной карте точную позицию человека.
Но так как мы живем в трехмерном мире, добавляется третья неизвестная координата Z (вперед-назад). Поэтому, нам нужно не два спутника, а уже три. Однако принцип остается тот же, только пересекаться будут 3 сферы, а не 2 круга. В итоге, такое пересечение 3 сфер также приведет нас только к двум точкам, одна из которых будет находиться в космосе.
Расстояние от смартфона до GPS-спутника
Только что мы рассмотрели упрощенную модель того, как смартфон определяет свое местоположение по 3 GPS-спутникам, зная расстояние до каждого из них. Вот только есть одна проблема: откуда смартфон знает расстояние до каждого спутника в любой точке мира? Ведь он лишь принимает сигнал, но откуда ему знать, на каком расстоянии находится тот или иной спутник?
В теории, узнать расстояние от смартфона до спутника — это задачка для детей 5 класса. Помните этот «автомобиль, который выехал из точки А в точку Б и двигался 2 часа…»? Если мы знаем скорость автомобиля и время в пути, тогда просто умножаем одно на другое и получаем расстояние: 100 км/час * 2 часа = 200 км.
В нашем случае, в качестве «автомобиля» выступает электромагнитная волна, излучаемая спутником и «перевозящая» определенную информацию. Точка А — это GPS-спутник, точка Б — смартфон. Скорость волны известна, ведь радиоволны распространяются со скоростью света или
Получается, чтобы «нарисовать» окружности, как в рассмотренных примерах, нужно определить расстояние до нескольких спутников. А для этого мы умножаем скорость света на время, за которое сигнал дошел до смартфона и готово!
Но теперь появляется еще одна проблема — откуда мы можем знать, сколько времени летел сигнал от спутника до смартфона? Мы ведь точно знаем только скорость света, а расстояние и время — нет.
Предположим, что GPS-спутник непосредственно в сам сигнал записывает время, когда он был послан (как известно, с помощью радиоволн можно переносить любую информацию). Теперь принимаем на смартфоне этот сигнал и смотрим текущее время. По идее, оно должно немножко отличаться от закодированного времени. А эта разница и будет временем полета. То есть, если сигнал был отправлен в 12:00:00, а получен в 12:00:05, значит он летел 5 секунд.
И когда, казалось бы, все вопросы решены и осталось подставить числа в уравнение, появляется новая «неразрешимая» проблема — с чего мы взяли, что часы на смартфоне и часы на GPS-спутнике работают синхронно (всегда показывают идентичное время до микросекунд)?
Ведь если часы на смартфоне отстают или спешат от часов на спутнике всего на 1 секунду, тогда с учетом сумасшедшей скорости сигнала, наше местоположение будет определяться с погрешностью в
300 тысяч километров. Другими словами, с такой погрешностью мы можем оказаться либо возле Эйфелевой башни, либо на луне.
Что касается часов GPS-спутника, здесь проблем быть не должно, так как на спутнике используются самые точные в мире атомные часы, да еще и несколько штук сразу! Если быть более конкретным, точность таких часов составляет примерно +/- 1 секунда в 300 миллионов лет.
Минутка занимательной физики или причем здесь Эйнштейн?
Единственная проблема — такие часы идут не совсем «точно» по отношению к нам, людям на земле. Дело в том, что GPS-спутники летят по орбитам земли с огромной скоростью — около 14 тыс. км/час и за сутки облетают землю дважды. Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, время является относительной величиной и оно замедляется при такой скорости. Соответственно, наши суперточные часы «отстают» на 7 микросекунд в сутки по сравнению с тем, как если бы они шли на земле.
Но еще есть и общая теория относительности Эйнштейна, согласно которой, чем слабее гравитация, тем быстрее идет время. А так как спутники находятся достаточно далеко от земли (то есть, гравитация намного слабее), то и время там идет на целых 45 микросекунд быстрее!
Если сложить эти неточности, получится, что атомные часы спешат на 38 микросекунд в сутки. Казалось бы, пустяки! Но с учетом скорости света, при такой неточности накапливалась бы погрешность навигации в +11 километров каждый день!
Решили эту проблему очень просто. Атомные часы на земле настроили так, чтобы они отставали на 38 микросекунд. И когда такие «немножко сломанные» часы отправятся на орбиту и наберут нужную скорость, то снова начнут спешить на те самые 38 микросекунд, исправив отставание.
Нам не нужно синхронизировать часы смартфона по GPS
Так что же делать со смартфоном? Использовать атомные часы — слишком дорогое удовольствие (цены на эти устройства начинаются от $50 тысяч), да и громоздкое очень.
Решение снова оказалось элементарным — нужно вообще игнорировать синхронизацию и точное время на смартфоне, а вместо этого просто использовать еще один дополнительный спутник.
Чтобы было проще понять, как дополнительный спутник решает эту проблему, вернемся в наш двухмерный пример с двумя спутниками. Для решения проблемы синхронизации часов, добавим третий спутник (его сигнал изображен красным цветом). И теперь посмотрим, как совпали все 3 сигнала в одной точке. Только давайте вместо расстояния запишем время, за которое долетает сигнал (в реальности, конечно же, это время гораздо короче):
Как видим, ничего не изменилось. Все три окружности по-прежнему пересекаются в одной точке, изображенной зеленым цветом. Это и есть наше реальное местоположение, которое должен определить смартфон.
Но что будет, если часы на смартфоне спешат на 1 секунду относительно атомных часов на GPS-спутниках и даже не догадываются об этом? Тогда вместо трех, четырех и двух секунд мы получим 4, 5 и 3 секунды соответственно. В этом случае все круги уже не пересекутся в одной точке (светлым цветом показаны предыдущие правильные расстояния):
Как видим, в красной точке пересеклись только две окружности, а третий сигнал ушел куда-то в сторону. Все из-за того, что время на смартфоне расходится на секунду со временем на спутниках. Соответственно, все 3 расстояния до спутников высчитаны с ошибкой. Такие неточные расстояния называются псевдодальностями.
Просчитав все координаты и пересечения с учетом псевдодальностей, смартфон очень быстро понимает, что здесь что-то не то, так как все условные круги должны были пересекаться в одной точке. Ведь сигнал дошел со всех спутников, соответственно, смартфон находился в их поле зрения.
Значит, проблема с часами — они идут на смартфоне не синхронно со спутниками. Дело осталось за малым — откорректировать время. К примеру, если мы прибавим ко всем измерениям еще по 1 секунде — ошибка лишь усугубится, то есть, третья окружность еще сильнее отдалится от пересечения двух других. Значит, нужно убрать по 1 секунде. Убираем и теперь всё сошлось идеально. Вот теперь смартфон знает точное время на спутниках!
Конечно, смартфон не перебирает миллионы разных значений, подставляя и проверяя каждое из них. Он просто решает 3 уравнения с тремя неизвестными: X и Y (координаты смартфона в двухмерном пространстве), а также t (погрешность часов смартфона). Но если бы спутников было 2, мы бы не смогли определить погрешность часов ни геометрически (рисуя только две окружности, которые бы всегда пересекались), ни математически (пытаясь как-то решить два уравнения с тремя неизвестными).
И опять-таки, не забываем, что мы рассматривали для простоты двухмерный пример. В реальной жизни есть 3 координаты и соответственно нужны сигналы от 3 спутников, а для вычисления рассинхронизации часов смартфона и GPS дополнительно необходимо взять четвертый спутник (и уже легко решить четыре уравнения с четырьмя неизвестными).
Краткий итог
Теперь, точно зная время, за которое долетает GPS-сигнал, мы можем определить расстояние от смартфона до каждого конкретного спутника. Для этого нашему смартфону нужно видеть минимум 4 спутника, иначе он не сможет сделать поправку на время.
Именно по этой причине, количество и расположение спутников по орбитам таково, что в каждый момент времени в любой точке мира будут видны минимум 4 спутника.
Если смартфон получил сигнал с четырех спутников, тогда он легко определяет расстояние до каждого из них и вычисляет свои координаты по принципу, который мы рассмотрели в самом начале. Именно так и работает GPS.
Кое-что осталось «за кадром»
Дабы не перегружать материал, мне пришлось умолчать о многих вещах. Для самых пытливых читателей, я лишь вскользь их упомяну, но без подробных объяснений.
К примеру, как быть с тем фактом, что GPS-спутники не висят на одном месте, а постоянно находятся в движении? Или почему GPS-антенна в смартфоне такая маленькая, но без проблем принимает слабый сигнал от спутника? Ведь для спутникового телевидения мы используем огромные «тарелки», а здесь всего пара сантиметров внутри корпуса?
Дело в том, что радиосигнал от спутников несет определенную информацию. В частности, помимо точного времени отправки сигнала, местоположения конкретного спутника и параметров орбит всех спутников (альманах), также передаются эфемериды.
Это заранее просчитанные координаты движения спутника по своей орбите. Фактически, смартфону не нужно определять, где будет находиться спутник через пол часа или секунду после получения сигнала. Эта информация передается ему в закодированном сообщении, так как она известна заранее. Наземные станции следят за всеми спутниками и постоянно пересчитывают все координаты с учетом различных отклонений и обновляют эту информацию на спутниках.
Ответом на второй вопрос является псевдослучайный код. Но, к сожалению, эта тема для отдельного разговора.
Что такое двухчастотный (L1+L5) GPS?
Теперь мы подошли ко второму вопросу. Летом 2018 года компания Xiaomi с гордостью представила свой флагман Xiaomi Mi 8 с первым в мире двухчастотным GPS-модулем.
Все смартфоны до Xiaomi Mi 8 принимали сигнал от GPS-спутников только на одной частоте (1575 МГц), которая называется L1. Эту частоту поддерживают все до единого спутники: американские GPS, российские ГЛОНАСС, европейские Galileo и др.
Но в отличие от других смартфонов, Xiaomi Mi 8 умел принимать сразу два сигнала на разных частотах от одного и того же спутника.
Вторая частота (1176 МГц) получила название L5. Изначально она предназначалась для применения в ситуациях, от которых зависит жизнь человека, например, в авиации.
Такое одновременное использование двух частот позволяет устранить один из главных источников погрешности при определении координат — запаздывание сигнала, проходящего через ионосферу земли (атмосфера, ионизированная от облучения космическими лучами). Точно определить эту задержку невозможно. Но когда у нас появляется два сигнала разной частоты (а время запаздывания зависит от частоты), тогда определить влияние ионосферы нетрудно, исключив эту погрешность.
Кроме того, частота L5 на 3 дБ мощнее. То есть, этот сигнал мощнее в 2 раза сигнала L1, что упрощает его поиск и отслеживание. Также полоса пропускания частоты L5 в 10 раз шире частоты L1. И главное, этот сигнал менее подвержен искажениям от многолучевости (многочисленных отражений сигнала от зданий и других объектов, вызывающих искажения сигнала).
Все это позволяет действительно очень точно определять свои координаты. Однако по факту этого не происходит и многие пользователи Xiaomi Mi 8/9 на форумах жалуются на очень плохую работу GPS (даже хуже, чем в обычных устройствах).
Для точного позиционирования недостаточно лишь добавить поддержку второй частоты. Огромную роль играет качество самой антенны и, конечно же, программное обеспечение. И на Xiaomi Mi 8 (как и на Android в целом) оно оставляет желать лучшего. По этой ссылке можно почитать подробное исследование на эту тему, правда, текст на английском.
Очевидно, что спутники также должны отправлять сигналы на частоте L5, чтобы смартфоны могли их принимать. Но здесь не все так просто.
Российская система ГЛОНАСС вообще не поддерживает L5 (как и китайская BeiDou) и только планирует начать вещание на этой частоте после 2030 года.
Американская система NavStar (более известная под названием GPS) поддерживает частоту L5 только на 12 спутниках, но для полноценного покрытия всего земного шара их нужно минимум 24. Такое количество планируется запустить к 2021 году.
У европейской Galileo 22 рабочих GPS-спутника и все они поддерживают вещание на частоте L5a.
Японская система QZSS имеет всего 4 спутника, а к 2024 году их количество увеличится до 7 штук. Все они поддерживают L5 сигналы, но их количество ничтожно мало.
Кроме того, обработку двух сигналов должно поддерживать программное обеспечение. А с этим также не все понятно. К примеру, на момент старта продаж Google Pixel 4 на официальной странице продукта была указана поддержка двухчастотного GPS (L1+L5) с пометкой, что эта функция заработает позже с обновлением прошивки.
Более того, популярный флагманский чип Snapdragon 855 уже поставляется с двухчастотным GPS-модулем. То есть, технически все смартфоны, работающие на этом процессоре, поддерживают частоты L1 и L5, но во многих из них данная опция просто заблокирована программным путем.
То же касается и смартфонов от Samsung на платформе Exynos 9825. К примеру, Galaxy Note10 без проблем ловит спутники на частоте L5. Но об этой возможности производитель вообще нигде не упоминает. С флагманами от Huawei на базе Kirin такая же ситуация. Многие из них имеют поддержку двух частот.
Другими словами, полноценная поддержка смартфонами двухчастотного GPS на текущий момент еще не реализована, хотя и рекламируется очень активно некоторыми производителями, вводя в заблуждение многих пользователей.
Как определить, поддерживает ли мой смартфон двухчастотный GPS (L1+L5 частоты)?
Если вам интересно, поддерживает ли ваш смартфон двухчастотный GPS, вы можете самостоятельно это проверить. Для этого установите приложение GPS Test и запустите его:
После запуска приложения смартфон начнет поиск всех GPS-спутников в зоне видимости, отображая частоту сигнала. Если на скриншоте будут частоты L5 или E5a (аналог L5 на европейских спутниках Galileo), значит, ваше устройство поддерживает двухчастотный GPS. Но, как уже было сказано ранее, не спешите радоваться, так как на текущий день такие устройства не показывают точность, на порядок (в десять раз) превышающую точность обычных GPS-модулей.
На момент написания этих строк следующие устройства официально поддерживают двухчастотный GPS и должны отображать в указанном выше приложении частоты L1 и L5:
- Xiaomi Mi 8/9/10
- Samsung Galaxy Note 10/10+
- Huawei P30 Pro
- One Plus 7/7 Pro
- Huawei Mate 20/20 X/20 Pro
И последнее. Если вы хотите измерять точность работы GPS своего смартфона и используете для этого приложение GPS Test, как на скриншоте ниже:
Тогда вам следует кое-что знать. Цифра 4 метра на скриншоте говорит лишь о следующем: если нарисовать круг, радиусом 4 метра, тогда ваше местоположение будет находиться где-то внутри этого круга с вероятностью 68%. То есть, существует 32% вероятность, что в действительности точность вашего GPS гораздо ниже. Поэтому, для проверки точности GPS-смартфона эта методика не лучшая.
Принцип работы GPS- модуля в смартфоне
Как правило, раздел управления навигацией в смартфонах вынесен отдельным пунктом меню. И в этом же разделе можно делать настройки параметров пользования навигацией.
Первая загрузка навигационной программы может занять несколько минут, последующие будут проходить быстрее.
Если есть интерес, то оценить качество работы встроенного GPS-модуля можно при помощи утилиты GPS Test (скачивается бесплатно из Play Market). После запуска утилита показывает, сколько спутников GPS и/или ГЛОНАСС видит смартфон в данный момент. Также на экране отображаются точность позиционирования, текущие координаты и уровень сигнала от каждого спутника.
Скорость нахождения спутников
Скорость загрузки данных о спутниках зависит от того, сколько времени был выключен GPS-модуль в смартфоне. Дело в том, что каждый спутник передает два вида координатных данных: альманахи и эфемериды. Альманах включает в себя общие параметры всех спутниковых орбит, эти данные актуальны более месяца, но не отличаются точностью. Эфемерида же подразумевает точные координаты спутника и корректировку его текущего положения. Обновляется она каждые 30сек и актуальна около получаса.
После отключения больше, чем на 30 мин (так называемый «холодный старт») GPS-модуль смартфона ищет спутники на основе данных альманаха, что требует определенного времени (до 5 мин). Сам смартфон в это время должен быть неподвижен, чтобы не нарушилось скачивание альманаха. «Теплый старт» (при устаревании эфемерид, но сохранении актуальности альманаха) занимает около 1 мин. «Горячий старт» (после выключения на несколько минут и сохранении актуальности эфемерид) – несколько секунд.
Особенности работы
Лучше всего GPS-модуль работает на открытой местности, где нет многоэтажных зданий или иных высотных объектов. В помещениях модуль фактически не функционирует, так как межэтажные бетонные перекрытия выступают в роли своеобразных экранов и блокируют сигнал.
Кроме того, на работоспособность GPS в смартфоне влияет и погода. Скопления облаков и сильные осадки вызывают преломление и искажение спутникового сигнала. В результате местоположение либо не определяется, либо определяется неточно.
Онлайн и оффлайн навигация
Навигационные программы по умолчанию уже установлены во всех современных смартфонах. То есть даже если вы захотите купить дешевый смартфон — в нём, вероятней всего, будет установлена навигационная программа. Но пользователи могут воспользоваться возможностями смартфонов и самостоятельно закачивать другие программы навигации по своему усмотрению. Выбор таких программ (и для iOS, и для Android) очень обширен, причем как среди платных, так и среди бесплатных приложений. Но все эти программы делятся на две группы: для онлайн и для оффлайн навигации. По умолчанию в смартфонах устанавливаются обычно программы онлайн-навигации.
- Оффлайн-программы
(например, TomTom или «Навител») хранят все карты на внутренней памяти смартфона. Подключение к интернету им необходимо только для задействования онлайн-сервисов вроде отображения пробок. Иными словами, такие навигационные приложения проложат маршрут по незнакомой местности, где практически отсутствуют средства связи и интернет. А это, помимо прочего, позволяет экономить деньги на трафике. Подобные приложения платные, но у них есть бесплатный ознакомительный период.
Таким образом, оффлайн-приложения работают везде, даже в глуши, главное – наличие загруженной в памяти карты (поэтому они отлично подходят для поездок по городу или автодорогам общего назначения). Однако они сильно «съедают» внутреннюю память смартфона (из-за большого объема карт) и требуют регулярного обновления картографических данных.
- Онлайн-навигаторы
работают только при подключении к интернету. Все их карты, базы данных и т.д. находятся на серверах разработчика, на смартфон устанавливается только программа-интерфейс для работы с ними. Таким образом, карты постоянно подгружаются на смартфон, что требует стабильного интернет-канала. У этих приложений довольно значительный расход мобильного трафика, это нужно учитывать выбирая тарифный план у вашего сотового оператора. Особенно в роуминге.
Главный плюс подобных программ – возможность подгружения карт разных типов (автомобильных, спутниковых, топографических и т.д.). Все обновления данных грузятся автоматически при каждом запуске. Самые популярные – Яндекс.Навигация, Goole Навигатор. Их базовые версии бесплатны. Лучше всего использовать их на внедорожье или для пеших прогулок в крупных городах.
Как правило, пользователи устанавливают на смартфон несколько приложений, например, одно – для онлайн, второе – для оффлайн-навигации. Таким образом, можно использовать наиболее удобную в данный момент программу в зависимости от текущих целей.
Итак, сегодня Вы можете купить и дешёвый смартфон, и приобрести дорогой имиджевый аппарат – в любом случае у вас будет возможность воспользоваться навигацией.
Навигация в смартфонах Highscreen
Среди смартфонов Highscreen, все модели старше 2018-2019 имеют прекрасное сочетание GPS+ГЛОНАСС, что значительно повышает точность маршрута.
Интернет-магазин мобильных телефонов Хайскрин
Каталог смартфонов Highscreen
Как на самом деле работает GPS и почему многие GPS-устройства могут переставать работать правильно
Большинство людей не осознают вездесущность системы GPS, которая разрабатывалась в течение десятилетий. Она используется не только для навигации. Предельная точность отсчёта времени GPS (+/- 10 миллиардных долей секунды) позволяет бесчисленным предприятиям со всего мира применять её в различных целях, начиная от помощи в управлении энергосистемой и заканчивая регулированием фондового рынка и проведением банковских операций. GPS позволяет компаниям достигать уровня точности атомных часов, включая лёгкую синхронизацию времени по всему земному шару, без необходимости иметь атомные часы или придумывать собственные системы для глобальной синхронизации. Проблема в том, что, ввиду причудливых оригинальных спецификаций, многие GPS-устройства могут перестать работать правильно, если оперативно не обновить их прошивку. Итак, что происходит, каким образом работает система GPS и кто первым придумал её?
4 октября 1957 года Советский Союз запустил «Спутник». Как вы можете себе представить, за этим крошечным спутником следили учёные со всего мира. Наиболее подходящими для рассматриваемой сегодня темы были два физика из Университета Джона Хопкинса – Уильям Гийер и Джордж Вайффенбах.
Изучая орбиты и сигналы, исходящие от спутников, пара осознала, что, благодаря скорости движения и характеру передач, мы можем точно определить их положения, используя эффект Доплера.
Вскоре после этого некий Фрэнк Макклюр, также из Университета Джона Хопкинса, попросил пару определить, возможно ли сделать это наоборот. Вскоре они обнаружили, что, действительно, используя известную орбиту спутника и изучая сигнал, поступающий от него, наблюдатель на Земле способен в относительно короткий промежуток времени установить собственное местоположение.
С этого всё и началось.
Были предложены и в некоторых случаях разработаны различные системы. Наиболее заметной в конечной эволюции GPS стала Transit (Navy’s Navigation Satellite System), которая была запущена к 1964 году. Эта система теоретически могла сообщить членам экипажа подводной лодки или корабля, где они находились, хотя местоположение можно было обновлять только один раз в час, и это занимало около 10-15 минут. Более того, если корабль двигался, страдала точность.
Ещё одной важной системой стала Timation, которая первоначально использовала кварцевые часы, синхронизированные на земле и на спутниках, в качестве ключевого компонента того, как система определяла местоположение наблюдателя на Земле. Однако часы не отличались высокой точностью, поэтому первые испытания показали большую погрешность (точность составляла всего 0,3 морских мили); более того, получение данных заняло около 15 минут. Последующая модернизация Timation привела к некоторым улучшениям, даже тестированию атомных часов для повышения точности. Однако далее дело не сдвинулось.
К началу 1970-х годов была предложена система Navigation System Using Timing and Ranging (Navstar), которая, по сути, объединяла элементы Transit, Timation и прочих.
Перенесёмся в 1983 год. На тот момент в США не было полноценно функционирующей системы GPS, однако были запущены первые прототипы спутников, и система постепенно тестировалась и внедрялась. Именно в этот момент самолёт «Корейских авиалиний», совершавший рейс 007, вылетел из Нью-Йорка, совершил дозаправку в Анкоридже (Аляска) и направился в Сеул (Южная Корея).
Какое отношение это имеет к вездесущей системе GPS, какой мы её знаем сегодня?
Экипаж не заметил сбой в работе автопилота, в результате чего он непреднамеренно заблудился в советском воздушном пространстве.
Подумав, что пассажирский самолёт был шпионом, советские власти приказали поднять в небо Су-15, чтобы перехватить его.
Были сделаны предупредительные выстрелы, хотя пилот, который совершил это действие, позднее заявил во время интервью: «Я выпустил четыре очереди, более 200 патронов. А толку было никакого. В конце концов, я был заряжен бронебойными снарядами, а не зажигательными. Маловероятно, чтобы их кто-то заметил».
Вскоре после этого члены экипажа самолёта 007 связались с токийским центром управления и попросили разрешения увеличить высоту полёта с 330 (около 10000 метров) до 350 (примерно 10700 метров). Это привело к тому, что самолёт замедлился ниже скорости, с которой обычно работали отслеживающие высокоскоростные перехватчики. Это было воспринято как уклончивый манёвр, хотя в действительности это было сделано из соображений экономии топлива.
Среди советских руководителей разгорелся жаркий спор о том, стоит ли тратить время на опознание самолёта, который мог быть просто пассажирским авиалайнером. Но поскольку он направлялся в международные воды или, возможно, уже достиг их, было принято решение сначала стрелять, а потом задавать вопросы.
Пилот, отвечавший за атаку, описал то, что произошло дальше, следующим образом: «“Уничтожить цель…!” Легко сказать. Но как? Снарядами? Я уже потратил 243 патрона. Протаранить его? Я всегда считал это дурным вкусом. Таран – последнее, к чему стоит прибегать. На всякий случай я развернулся и начал опускаться сверху на него. Затем мне в голову пришла идея. Я опустился ниже его на 2000 метров… форсажный режим. Приготовил запуск ракет и резко поднял нос. Успех! Он на крючке».
Были выпущены две ракеты, которые взорвались возле Boeing, причинив существенный ущерб, хотя в доказательство того, насколько безопасны коммерческие самолёты, пилоты смогли восстановить контроль над авиалайнером и даже на время сохранить ровный и стабильный полёт. Однако, в конце концов, они оказались в медленной спирали, что привело к крушению и гибели 269 человек на борту.
В результате этой трагедии президент Рональд Рейган заявил 16 сентября 1983 года, что система GPS, которая ранее предназначалась только для военного использования, теперь будет доступна для всех, причём первоначальная идея заключалась в многочисленных преимуществах безопасности, которые такая система предоставляла гражданской авиации, по сравнению с использованием доступных на тот момент навигационных инструментов.
Это подводит нас к тому, как именно работает система GPS в первую очередь. Она является удивительно сложной на некоторых уровнях, однако в действительности основы относительно просты для понимания.
Для начала рассмотрим, что происходит, когда вы стоите в неизвестном месте и спрашиваете кого-то, где вы находитесь. Этот человек отвечает просто: «Вы находитесь в 340 километрах от Сиэтла, штат Вашингтон».
Теперь вы можете нарисовать круг на карте с радиусом 340 километров от Сиэтла. Предполагая, что человек, предоставивший вам эту информацию, прав, вы знаете, что находитесь в пределах этой круговой линии.
Теперь, предположим, кто-то другой сказал вам, что вы находитесь в 240 километрах от Ванкувера (Канада). Теперь вы, наверное, начинаете понимать. Когда вы нарисуете второй круг на карте, вы поймёте, что он пересекается с первым в двух точках. Вы находитесь в одной из них.
Затем вы спрашиваете третьего человека, который говорит вам: «Вы находитесь в 800 километрах от Бойсе (штат Айдахо)». Вы рисуете третий круг, и теперь вы точно знаете, где вы находитесь в двумерном пространстве. Недалеко от Камлупса (Канада), оказывается.
Примерно по такому же принципу работает GPS, за исключением того, что в данном случае вам нужно мыслить в терминах 3D-сфер, а не 2D-кругов. Система сообщает вам точное расстояние от контрольной точки посредством передачи точного местоположения спутников на орбите и точного времени, когда была осуществлена эта передача. Это время синхронизируется между различными спутниками в группе GPS.
Затем, после получения данных, приёмник вычитает текущее известное время из предоставленного, чтобы определить время, которое ушло на то, чтобы сигнал был передан туда, где он находится, со спутников.
Объединяя это с известными местоположениями спутников и известной скоростью света, с которой распространяется радиосигнал, приёмник может затем обработать числа, чтобы определить с поразительной точностью своё местоположение, с учётом погрешностей ввиду таких вещей, как ионосфера, мешающая распространению сигнала, и прочих факторов реального мира.
Даже с такими потенциальными проблемами, однако, последнее поколение GPS-систем теоретически может определить ваше местоположение с точностью до фута (или около 30 сантиметров).
Однако, возможно, вы заметили кое-что. В то время как спутники GPS используют чрезвычайно точные и синхронизированные атомные часы, в GPS-системе вашего автомобиля их нет. Итак, каким же образом она точно определяет то, сколько времени нужно сигналу, чтобы дойти к ней от спутника?
В процессе просто задействуется четыре (вместо трёх) спутника, что позволяет приёмнику получить дополнительные данные, необходимые для того, чтобы решить уравнение и получить соответствующую пропущенную переменную времени. Короче говоря, есть только одна точка во времени, которая будет соответствовать краю всех четырёх сфер, пересекающихся в одной точке на Земле. Таким образом, как только переменные получены, приёмник может отрегулировать собственное время, чтобы достичь идеальной синхронизации с гораздо более точными атомными часами. В некотором смысле это делает GPS чем-то вроде 4D-системы: с её помощью вы можете узнать своё точное положение не только в пространстве, но и во времени.
Постоянно обновляя собственные внутренние часы таким образом, приёмник на Земле становится почти таким же точным, как атомные часы, и является хронометражным устройством, которое затем почти идеально синхронизируется с другими приёмниками по всему миру. Всё это практически бесплатно для конечных пользователей, потому что правительство США оплачивает дорогостоящие счета за поддержку системы.
Говоря об обслуживании, другая проблема, которую вы, возможно, заметили, заключается в том, что под влиянием различных факторов GPS-спутники могут постоянно сдвигаться с первоначальных орбит. Как решается эта проблема?
Специальные станции на Земле постоянно отслеживают точные орбиты различных GPS-спутников. Данные используются для хранения информации о статусе и местоположении спутников. Они регулярно передаются приёмникам, благодаря чему они знают точное положение спутников, в первую очередь.
Сами спутники также могут при необходимости корректировать свои орбиты. В процессе спутник помечается как «нездоровый», чтобы приёмники могли игнорировать его. Затем он перемещается на новое положение, орбита отслеживается, после чего информация обновляется, и спутник снова помечается как «здоровый».
Вот как примерно работает навигатор на высоком уровне. Как насчёт того, что мы сказали, что многие GPS-устройства могут потенциально перестать работать, если их не обновлять?
На рубеже веков произошло то, чего прежде никогда не случалось в мире – «генеральная репетиция ошибки Y2K». Видите ли, существует такое понятие, как «Номер Недели» – буквально количество недель, прошедших с начала эпохи, 6 января 1980 года. Вместе с этим Номером Недели отправляется количество секунд, прошедших с предыдущего субботнего вечера, что позволяет GPS-приёмнику вычислять точную дату.
Так в чём же проблема? Оказывается, каждые 1024 недели (примерно каждые 19 лет и 8 месяцев) с начала эпохи число откатывается до 0 из-за того, что эта целочисленная информация находится в 10-битном формате.
Таким образом, когда это происходит, любой GPS-приёмник, не учитывающий этот фактор, перестаёт функционировать правильно, хотя характер неисправной работы варьируется от поставщика к поставщику. Всё зависит от того, ка поставщик реализовал свою систему.
В некоторых случаях неисправность может быть связана с неправильным определением даты, что может привести к разным последствиям, начиная от неправильной выдачи местоположения и заканчивая полным сбоем системы.
Если у вас всё хорошо с математикой, то наверняка вы пришли к выводу, что данная проблема впервые возникла в августе 1999 года, всего через четыре года после того, как GPS-система стала полностью функциональной.
На тот момент, конечно же, GPS не был столь вездесущим и популярным, как сегодня. Согласно отчёту Управления телекоммуникаций Министерства торговли США, по состоянию на 1999-й год, во всём мире насчитывалось всего 10-15 миллионов GPS-приёмников. Сегодня число устройств, естественно, исчисляется миллиардами.
Очередной сброс Номера Недель пришёлся на 6-е апреля 2019 года. И, к счастью, большинство компаний, которые полагаются на GPS в плане критических систем, такие как авиакомпании, банковские учреждения, сотовые сети, электросети и прочие, заранее приняли необходимые меры для решения этой проблемы.
Тем не менее, сброс Номера Недели больше всего касается потребительского уровня, поскольку большинство людей вообще не знают о проблеме.
Если вы недавно обновили прошивку своего GPS-устройства или просто являетесь владельцем GPS-устройства, приобретённого пару лет назад, то всё нормально.
Однако если вы владеете GPS-устройством, которому несколько лет, то существует проблема, и вам определённо нужно перейти на сайт производителя и загрузить соответствующие обновления.
Если вы сейчас задаётесь вопросом, почему нельзя просто изменить спецификацию, чтобы перестать зависеть от 10-битного Номера Недели, то вы не первый, кто об этом думает. В соответствии с последними спецификациями интерфейса GPS, теперь используется 13-битный Номер Недели. Это значит, что в новейших устройствах, поддерживающих его, проблема не возникнет в течение 150 лет точно.
Бонусные факты:
• Вы когда-нибудь замечали, что ваш мобильный телефон, в отличие от других GPS-устройств, имеет тенденцию максимально быстро определять ваше местоположение, даже если он был выключен в течение долгого времени? Оказывается, мобильные телефоны используют технологию Assisted GPS, которая получает информацию не от орбитальных спутников, а от центрального сервера. Конечно, Assisted GPS не работает, если отсутствует сигнал сотовой связи.
• Непосредственно перед войной в Персидском заливе военные ухудшили сигнал GPS для гражданского использования, чтобы сохранить полную точность системы в качестве военного преимущества США. Однако в мае 2000 года президент Билл Клинтон отменил эту политику, и гражданский GPS стал в десять раз точнее за ночь.
Всё, что вы хотели знать о GPS, но боялись спросить. Часть 1: что такое GPS и с чем его едят
GPS (Global Positioning System) — система глобального позиционирования, позволяющая определять координаты движущихся и неподвижных объектов в трёхмерном пространстве с очень высокой точностью. Когда говорят о GPS, имеют в виду систему NAVSTAR GPS (NAVigation System with Timing And Ranging Global Positioning System — навигационная система с определением времени и дальности на базе системы глобального позиционирования; встречается и другой вариант расшифровки слова Navstar — Navigation satellite timing and ranging, то есть навигационный спутник для определения времени и дальности), созданную в 1993 году Министерством Обороны США. Эта технология использует несколько десятков спутников, для которых точно известно местоположение на орбите. При помощи хитрых алгоритмов, вычисляется положение GPS-приемника, который может находиться где угодно – на воде, на суше или в воздухе. Кроме широты и долготы определяется также высота. Точность определения координат зависит от погоды, условий приема сигнала со спутника, местности, помещения и некоторых других факторов и в среднем составляет несколько метров.
Большинство разговоров по сотовому телефону начинаются с вопроса «Ты где?».
Определение координат местоположения пользователя стало возможным благодаря совокупности математических, физических и технических знаний. Спутник позволяет лишь определить расстояние до объекта, измеряя время задержки распространения сигнала. По одному этому числу положение объекта может быть произвольным на воображаемой сфере с радиусом, равным расстоянию от спутника до объекта. Однако если спутников пара, то местоположение объекта сужается до точек пересечения сфер, а это, как некоторые помнят из курса геометрии, есть круг. Три спутника увеличивают точность до двух точек – пересечений трёх сфер. И лишь четыре спутника способны однозначно идентифицировать положение объекта в трёхмерном пространстве. Для того чтобы с любой точки поверхности Земли можно было наблюдать не менее 4 спутников, достаточно 24 таких космических аппаратов, движущихся вокруг Земли на высоте примерно 20180 км по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой). Однако «на всякий случай» (создатели ведь – люди военные) количество спутников избыточно и составляет 32 (максимально поддерживается 37). Сигналы для передачи данных местоположения излучаются спутниками в диапазонах: L1=1575.42 МГц, L2=1227.60 МГц и L5=1176.45 МГц. Гражданский диапазон L 1 является открытым и имеет ограниченную точность, сигналы повышенной точности шифрованы и используются в военных целях Министерством Обороны США. Хотя в 2000 году ограничение точности для гражданского диапазона было снято, так как некоторые любопытные исследователи расшифровали алгоритм снижения точности и использовали GPS «по полной» в своих целях.
Спутник системы NAVSTAR GPS в Аэрокосмическом Музее Сан-Диего
Факт принадлежности системы GPS Министерству Обороны США привёл к созданию конкурирующих решений, которых на данный момент в проекте два:
- Российская система ГЛОНАСС — ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система, создающаяся Министерством Обороны России;
- Европейская система Galileo – проект европейского космического агентства ESA (European Space Agency).
Оба проекта аналогичны NAVSTAR GPS и созданы для снятия зависимости от США в критической ситуации (в качестве примера прецедента можно привести отключение гражданского сектора GPS во время войны в Ираке). В отличие от Galileo, ГЛОНАСС уже функционирует на территории России и с этого года стал доступен гражданским пользователям. Пока запущено 18 из 24 запланированных спутников, после ввода в эксплуатацию которых до конца этого года система станет глобальной. Европейская же система позиционирования готовится вступить в строй через 4 года, после чего станет предоставлять ряд бесплатных и коммерческих сервисов с точностью позиционирования до 10 см. Все три системы частично совместимы друг с другом и в не столь отдалённом будущем будут доступны при помощи одного приемника.
Так что некоторые перемены на рынке услуг спутниковой навигации грядут, однако на сегодняшний день реального выбора нет – обилие недорогих аппаратов с поддержкой GPS , системы, функционирующей по всему миру, сделали выбор за пользователя.
Спутник NAVSTAR-2
Рядом с GPS в последнее время часто упоминается новая технология — A-GPS (Assisted GPS). Эта система является расширением «классической» GPS , ускоряющей определение координат приёмником. Однако для её работы спутников на орбите и приемника в руках мало – необходима дополнительная наземная инфраструктура, в роли которой обычно выступает сеть базовых станций сотового оператора. Для ускорения работы системы глобального позиционирования данные о спутниках передаются клиенту через Wi — Fi или GPRS , а не напрямую со спутника, как это происходит в «обычном» GPS -приемнике. В результате «холодный старт» ускоряется с нескольких минут до считанных секунд.
При работе с GPS следует учесть, что помимо координат, спутники передают также дополнительные служебные данные – альманах и эфемериды. Альманах – это набор данных об орбитах спутников созвездия, их активности и работоспособности. Эти данные передаются каждым спутником в его сообщении и являются актуальными в течение 28 суток. Многие GPS -приемники способны записывать данных альманаха во встроенную память, что позволяет значительно ускорить запуск устройства. Эфемериды – это вычисленные координаты спутника на орбите, то есть его положение в конкретные промежутки времени. Эфемеридные данные актуальны в течение нескольких часов, после чего обновляются. Ускорение глобального позиционирования A-GPS стало возможным как раз благодаря передаче альманаха и эфемерид по скоростному каналу оператора связи. Данные поступают со спутника на базовую станцию, а она рассылает их своим абонентам – ведь в пределах соты базовой станции альманах и эфемеридные данные актуальны для пользователя по причине незначительного удаления. Кстати холодным стартом называют включение GPS -приемника после длительного отключения, когда необходимо загружать обновлённые альманах и эфемериды, а также проводить расчёты текущего положения. Холодный старт может занимать значительное время – вплоть до 10-15 минут в зависимости от прибора.
Технология A-GPS, несмотря на «свежесть», уже используется во многих моделях сотовых телефонов и требует поддержки со стороны оператора, что иногда превращает её в платный сервис. A-GPS имеет два режима работы, которые значительно определяют качество определения координат:
- режим On-line используется, когда все определение координат выполняется базовыми станциями наземной инфраструктуры, приемник не имеет связи со спутником. В этом режиме точность определения координат зависит от наземной инфраструктуры и бывает достаточно низкой – ведь реальное положение относительно базовых станций сотовой сети вычисляется при помощи триангуляции по мощности сигнала сотовой связи, что в зонах с неплотным размещением базовых станций практически непригодно для использования;
- режим Off-line — приёмник A-GPS использует наземную инфраструктуру лишь для загрузки данных о спутниках, что значительно ускоряет расчет координат местоположения, при этом точность определения остаётся высокой;
Следует обратить внимание, что некоторые модели сотовых телефонов умеют работать с A-GPS только в режиме On-line, что означает невысокую точность и неработоспособность за пределами покрытия сотовой сети, а также полное отсутствие аппаратного GPS -приемника.
Главным устройством, занимающимся приемом сигналов со спутника и обработкой этих данных, то есть превращением их в реальные координаты на местности, является GPS -ресивер ( GPS -приемник), входящий в состав многих электронных приборов. В настоящее время ресиверы выполняются на базе чипсета – электронной микросхемы, реализующей всю необходимую функциональность. Наиболее популярным на сегодняшний день GPS -чипсетом является SiRFstarIII от калифорнийской компании SiRF Technology. Эта микросхема характеризуется наличием 20 каналов, то есть способностью принимать одновременно сигналы от 20 спутников, чего с избытком хватает для точного определения координат на любой местности. Кроме того, повышенная чувствительность позволяет принимать сигналы спутников, отражённые от верхних слоев атмосферы (учитывая, что одновременно на открытой местности в прямой видимости находятся около 8 спутников, каналов для этого вполне достаточно). Малые габариты и низкое энергопотребление обеспечили SiRFstarIII невероятную популярность и на сегодняшний день этот чипсет установлен в большинстве телефонов и GPS -навигаторов.
чипсет SiRFstarIII с интегрированной антенной
Даже на первый взгляд, ценность системы глобального позиционирования переоценить весьма сложно. Причем, пристальное изучение предмета лишь усугубляет подозрения в его бесценности. GPS -приемники за последние несколько лет стали весьма миниатюрными и начали процесс интеграции в сотовые телефоны, что значительно расширяет функционал последних. Следует отметить, что в этом году внедрение спутниковой навигации в мобильные аппараты будет очень динамичным и приведёт в сторону заметного повышению интереса клиентов сотовой связи к новым сервисам на базе GPS , множество которых уже успешно функционируют в устройствах технически продвинутых пользователей. Большим шагом вперёд к распространению технологии является бесплатность её использования (лишь Galileo к моменту запуска, являясь коммерческим решением, будет взимать лицензионные отчисления с производителей приемников спутникового сигнала и некоторую плату за дополнительные услуги с конечных пользователей) и отсутствие необходимости лицензирования для личного использования (не касающегося «выполнения геодезических и топографических работ при проведении инженерных изысканий, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений, межевании земель, ведении кадастров, а также иных изысканий и специальных работ»).
Среди плюсов, которые даёт система глобального позиционирования в первую очередь приходит на ум спутниковая навигация. Ведь возможность получить своё местонахождение на карте являлась мечтой путешественников и мореплавателей на протяжении многих тысячелетий, а теперь она стала доступна любому жителю планеты. Возможности современных электронных устройств позволили не только показать себя на карте, но также мгновенно прокладывать маршруты из начальной точки в конечную, голосом подсказывая по ходу движения правильный поворот. Мониторинг дорог в реальном времени при помощи той же GPS позволил создать сервисы наподобие Яндекс.Пробки, где на карте чётко видна загруженность участка пути, дабы пользователь мог избежать пробок. Даже без набора карт GPS обеспечивает пользователя прекрасным компасом и возможностью записи маршрута следования (чтобы легко можно был вернуться обратно), сверхточными часами, спидометром (для измерения скорости), акселерометром (для измерения ускорения), альтиметром (для индикации высоты) и т.п.. Внедрение GPS -приемников в фотоаппараты позволило привязать сделанный снимок к местности, отобразив его на карте мира, подобно тому, как это делает сервис Panoramio, за три года своего существования собравший более 12 млн. фотографий, которые удобно интегрированы в сервис Google Earth .
Интересным явлением в мире GPS стала недавно представленная услуга Google Локатор, которая позволяет показать на карте местоположение других людей, разрешивших следить за собой. Естественно, для этого необходимо соблюдение ряда условий — иметь телефон с GPS , установить специальную программу, находиться в одной из 27 стран мира (Россия присутствует), иметь согласие другой стороны (человека, за которым будем «следить»), быть подключенным к сотовой сети. Условий немало, однако, сам факт того, что технология слежки, доступная ранее лишь спецслужбам, стала частью жизни обычных людей, удивителен. Сервис уже вызвал массу негативных эмоций со стороны защитников приватности, однако ничто не мешает и Вам попробовать его в действии.
К GPS -навигации не стоит относиться как к чему-то далёкому и чуждому. Более 70% GPS -устройств, проданных в 2008 году, оказались смартфонами и коммуникаторами, посему тема GPS весьма актуальна для владельцев сотовых телефонов, а значит, большинства жителей планеты. Весьма высока вероятность, что ваш следующий телефон будет оснащён GPS -ресивером, поэтому, чтобы быть готовым к его правильному использованию – читайте следующую статью.