Как работает GPS

Главная идея: время = расстояние

Радиосигнал идёт со скоростью света. Если знать, когда сигнал отправлен и когда он пришёл, можно посчитать, какое расстояние он пролетел. На этом и построена GPS^[1]:

1. Каждый спутник постоянно передаёт сигнал, в котором записаны его точное положение и время отправки.
2. Приёмник — например, в телефоне — замечает, когда сигнал пришёл.
3. Разница во времени, умноженная на скорость света, — это расстояние до спутника.

Почему нужно четыре спутника

Одно расстояние говорит, что вы где-то на сфере вокруг спутника. Два — на окружности, где две сферы пересекаются. Три — почти в точке. Но есть подвох: часы в телефоне не такие точные, как атомные часы спутников, а ошибка в миллионную долю секунды даёт ошибку в сотни метров.

Поэтому приёмнику нужен четвёртый спутник. С четырьмя измерениями он решает задачу с четырьмя неизвестными: три координаты и ошибку своих часов.

Спутники и атомные часы

Система рассчитана на 24 спутника^[2], а фактически работает около 31. Они летают на средней орбите — на высоте около 20 200 км — и делают два оборота вокруг Земли за звёздные сутки. Расположены они так, чтобы из любой точки планеты было видно не меньше четырёх.

На каждом спутнике — атомные часы. Наземные станции следят за их орбитами и синхронизируют часы.

Насколько точно

• До 2000 года гражданский сигнал намеренно ухудшали (это называлось Selective Availability), и точность была около 100 метров.
• После отключения этого режима точность выросла примерно до 5 метров.
• Современные приёмники с новым диапазоном L5 достигают 30 сантиметров, а геодезическое оборудование — 2 сантиметров.
• Смартфоны, подсказывая себе по сетям Wi-Fi, дают точность около 4,9 метра и лучше.

История

• 1973 — Министерство обороны США начало проект GPS. Сегодня систему обслуживают Космические силы США.
• 1993 — заработала полная группировка из 24 спутников.
• 1995 — объявлена полная готовность системы.
• 2000 — отключено намеренное ухудшение точности для гражданских пользователей.