Смартфон показывает наше положение на карте с точностью до нескольких метров. Для этого ему не нужно видеть дорожные знаки или отправлять запрос спутнику. Навигационный модуль принимает слабые радиосигналы из космоса и измеряет время их распространения.
За привычной синей точкой на карте скрывается большая техническая система: спутники, наземные станции, атомные часы, радиотехника, математические модели и даже поправки из теории относительности. Разберёмся, как всё это работает.
GPS и ГЛОНАСС — разные системы с общим принципом
GPS — американская глобальная навигационная спутниковая система, а ГЛОНАСС — российская. Наряду с ними работают европейская Galileo и китайская BeiDou. Все они относятся к глобальным навигационным спутниковым системам — ГНСС.
Современный смартфон обычно способен принимать сигналы сразу нескольких систем. Это увеличивает число доступных спутников и помогает быстрее и устойчивее определять координаты.
Принцип работы общий: спутники передают информацию о своём положении и точном времени отправки сигнала. Приёмник сравнивает несколько сигналов и вычисляет собственные координаты. ГЛОНАСС предназначена также для навигационно-временного обеспечения: определения координат, скорости и точного времени.
Что передаёт навигационный спутник
Каждый навигационный спутник постоянно транслирует радиосигнал. В нём содержатся две принципиально важные величины:
- точное время отправки сигнала;
- расчётное положение спутника на орбите в этот момент.
Смартфон не ведёт со спутником двусторонний разговор. Его навигационный модуль работает прежде всего как приёмник: получает сигнал и определяет, сколько времени тот находился в пути.
Радиоволны распространяются со скоростью света — приблизительно 300 000 километров в секунду. Поэтому расстояние до спутника можно оценить по простой зависимости:
Расстояние = скорость света × время распространения сигнала.
Если сигнал шёл до приёмника 0,07 секунды, спутник находился примерно в 21 000 километров от него. На практике вычисления сложнее: учитываются орбита спутника, состояние часов, атмосфера Земли и другие факторы.
Почему одного спутника недостаточно
Если известно только расстояние до одного спутника, определить единственную точку невозможно. Приёмник может находиться в любом месте на поверхности воображаемой сферы вокруг него.
Второй спутник добавляет ещё одну сферу, а область возможного положения сокращается до линии их пересечения. Третий спутник позволяет получить несколько возможных точек. Одну из них обычно можно отбросить, поскольку она окажется далеко от поверхности Земли.
Кажется, что трёх спутников достаточно. Но остаётся ещё одна неизвестная величина — ошибка часов самого приёмника. Поэтому для определения трёх пространственных координат и поправки времени обычно требуется не менее четырёх спутников.
Четвёртый сигнал позволяет согласовать обычные кварцевые часы смартфона с высокоточной шкалой времени навигационной системы. Этот метод правильнее называть не триангуляцией, а трилатерацией: приёмник использует расстояния до известных точек, а не углы между ними.
Почему в спутниках нужны атомные часы
Ошибка времени всего в одну микросекунду превращается примерно в 300 метров ошибки расстояния. За одну наносекунду радиосигнал проходит около 30 сантиметров.
Обычные кварцевые часы недостаточно стабильны для самостоятельного решения такой задачи. Поэтому навигационные спутники несут атомные стандарты частоты и времени. Они формируют исключительно стабильный ритм, на основе которого создаются временные метки навигационного сигнала.
Устанавливать атомные часы в каждый смартфон не требуется. Приёмник использует сигналы как минимум четырёх спутников и одновременно рассчитывает:
- широту;
- долготу;
- высоту;
- отклонение собственных часов от системного времени.
За работой спутников следит наземная инфраструктура. Станции контроля уточняют параметры орбит, сравнивают шкалы времени и передают необходимые данные обратно на спутники.
В России государственный первичный эталон единиц времени и частоты хранится во ВНИИФТРИ. Институт также обеспечивает сравнение национальной шкалы времени со шкалой системы ГЛОНАСС.
При чём здесь теория относительности
Спутниковая навигация — один из наиболее наглядных примеров практического применения теории относительности. На ход спутниковых часов одновременно влияют два эффекта.
Специальная теория относительности: спутник быстро движется относительно наблюдателя на Земле, поэтому его часы идут немного медленнее.
Общая теория относительности: на орбите гравитационное поле слабее, чем на поверхности Земли, поэтому спутниковые часы идут быстрее.
Для спутников GPS первый эффект замедляет часы приблизительно на 7 микросекунд в сутки, а второй ускоряет примерно на 45 микросекунд. Итоговое расхождение составляет около 38 микросекунд в сутки.
На человеческом уровне такая разница незаметна. Но радиосигнал за 38 микросекунд проходит более 11 километров. Если бы релятивистские эффекты не учитывались, координаты быстро становились бы непригодными для навигации.
Параметры орбит GPS и ГЛОНАСС различаются, поэтому конкретные величины поправок тоже отличаются. Однако учитывать влияние скорости и гравитации необходимо во всех высокоточных спутниковых системах.
Почему навигатор иногда ошибается
Даже идеальные часы не гарантируют идеального результата. Радиосигнал проходит десятки тысяч километров и сталкивается с несколькими источниками погрешности.
Атмосфера
Ионосфера и тропосфера изменяют время распространения радиоволн. Приёмник может принять задержку сигнала за дополнительное расстояние до спутника. Двухчастотные приёмники сравнивают сигналы на разных частотах и компенсируют значительную часть ионосферной погрешности.
Отражения от зданий
В плотной городской застройке сигнал может попасть в смартфон не напрямую, а после отражения от стены. Его путь становится длиннее, и приёмник получает неверное расстояние до спутника. Этот эффект называют многолучевым распространением.
Расположение спутников
Для точного расчёта важно не только количество спутников, но и их положение на небе. Если все доступные аппараты находятся примерно в одном направлении, геометрия измерений получается неудачной.
Препятствия и помехи
Навигационные сигналы у поверхности Земли имеют очень небольшую мощность. Их ослабляют перекрытия, деревья, мосты и высотные здания. Радиопомехи могут ухудшить приём или полностью его подавить.
Поэтому под открытым небом смартфон обычно определяет положение точнее, чем в помещении или среди высотной застройки.
Зачем смартфону интернет
Для самого вычисления координат постоянный доступ к интернету не обязателен. Спутниковый приёмник может определить местоположение автономно.
Но интернет помогает получить вспомогательные данные:
- актуальные карты и маршруты;
- дорожную обстановку и информацию об организациях;
- предварительные сведения об орбитах спутников;
- приблизительное положение по мобильным сетям и Wi-Fi.
Без подключения телефон всё ещё может определить координаты, но холодный запуск иногда занимает больше времени. А если карта территории заранее не загружена, пользователь увидит координаты, но не полноценную карту.
Навигация — это ещё и система точного времени
ГНСС создавались для навигации, но их значение давно вышло за пределы автомобильных карт. Точное спутниковое время используется для синхронизации:
- телекоммуникационных сетей;
- энергетических систем;
- центров обработки данных;
- банковских операций;
- геодезических измерений;
- научного оборудования;
- транспорта и промышленной автоматизации.
Фактически GPS, ГЛОНАСС и другие системы представляют собой распределённую инфраструктуру координат и времени. Возможность увидеть своё положение на экране смартфона — только одно из её применений.
Главное
Навигатор не получает готовые координаты со спутника. Он рассчитывает их самостоятельно.
Спутники передают своё положение и точное время. Приёмник измеряет задержку нескольких сигналов, преобразует её в расстояния и находит точку пересечения воображаемых сфер. Четвёртый спутник помогает одновременно определить положение и исправить ошибку часов приёмника.
Атомные часы делают такие измерения возможными, наземные станции контролируют систему, а теория относительности не позволяет накопиться километровой ошибке. Поэтому синяя точка на карте — результат совместной работы космической техники, радиофизики, метрологии и фундаментальной науки.
Частые вопросы
Что точнее — GPS или ГЛОНАСС?
Точность зависит не только от названия системы, но и от приёмника, количества видимых спутников, окружающей застройки и атмосферных условий. Современные устройства обычно используют несколько систем одновременно.
Почему нужны четыре спутника?
Три измерения необходимы для определения пространственного положения, а четвёртое позволяет вычислить ошибку часов приёмника.
Работает ли навигатор без мобильной связи?
Да. Приём спутниковых сигналов не требует мобильной сети. Однако без интернета могут быть недоступны карты, пробки, поиск объектов и быстрое получение вспомогательных данных.
Почему навигатор плохо работает в помещении?
Стены и перекрытия ослабляют спутниковые сигналы. Кроме того, отражённые сигналы проходят более длинный путь и создают ошибку измерения.
Действительно ли учитывается теория относительности?
Да. Различие скорости движения и силы гравитационного поля влияет на ход спутниковых часов. Без соответствующих поправок ошибка координат быстро достигала бы километров.
