GPS. Как он работает?

GPS-навигатор - полезный, а иногда и просто необходимый спутник для многих путешественников. Все они знают, как пользоваться GPS, но от чего зависит точность его показаний и как, собственно, происходит определение координат - для многих, возможно, остаётся загадкой. Наши пояснения в техническом отношении не будут слишком точны, но Вы сможете составить себе представление о принципах работы этой системы.

GPS-навигатор не посылает радиосигналов, а только их принимает. На высоте около 18000 м над Землей вращаются 25 специализированных спутников (их число может меняться с учётом запасных). Чем больше спутников, тем быстрее и точнее GPS-навигатор будет определять свои координаты - он сможет 'выбирать' спутники с наилучшим взаиморасположением.

В скором будущем, возможно включение навигационных спутников бывшего СССР в систему спутников США.

Каждый спутник совершает один оборот вокруг Земли за 12 часов. Он 'знает', где находится в конкретный момент времени, или, что правильнее - своё точное время по отношению к наземной станции управления. У каждого спутника есть 'журнал', который содержит даты, время запуска и точные параметры орбит всех других спутников.

Если включить GPS-навигатор и направить антенну в небо, то он начнёт принимать сигналы от всех видимых спутников, в первую очередь - от того, у которого сигнал сильнее. Потом приёмник переходит к следующему по силе сигнала видимому спутнику и так далее. Приёмник вычисляет время прохождения сигнала от спутника до GPS-навигатора. Зная скорость сигнала и время, навигатор вычислит и расстояние до спутников. Как же происходит идентификация GPS-навигатора в пространстве? Представим себе спутник, неподвижный в какой-либо момент времени, как точку. Из неё, как из центра провёдем окружность радиусом, равным расстоянию до точки с названием 'я и мой навигатор'. Мы можем находиться в любой точке этой окружности. Теперь из другого спутника, как из центра, тоже проведём окружность радиусом, равным расстоянию до 'меня и моего навигатора'. Окружности пересекутся в двух точках, в каждой из которых можем быть мы. Нам же нужна одна точка. Её нам даст третий спутник, если мы произведём с ним аналогичные действия. Итак, точка нашего расположения на плоскости найдена (2D-режим по терминологии 'Garmin'), а вот высоту нам поможет определить четвёртый спутник (3D-режим).

Разумеется, это весьма упрощённое изложение процесса ориентации GPS-навигатора в пространстве, однако то, что для точного определения координат GPS-навигатору необходимо 'видеть' четыре спутника, - совершенно точно. Если вспомнить об окружностях, на которых может находиться вычисляемое положение GPS-навигатора относительно спутника, станет ясно, насколько положение последних важно для высокой точности определения координат. Очень обобщая, можно утверждать, что чем дальше находятся друг от друга спутники и чем ближе они расположены к горизонту, тем выше точность определения координат с их помощью.

Что касается скорости определения координат, то более совершенная и новая модель GPS-навигатора сделает это, безусловно, быстро. Однако, только что купленный прибор впервые будет определять свои координаты, возможно, до 15 минут! Это называется 'холодный запуск' или 'первичная инициализация' в терминологии разных производителей ('холодный' не имеет, конечно же, никакого отношения к температуре). После начальной инициализации все последующие определения координат займут гораздо меньше времени. При 'горячем запуске' на определение своего положения в пространстве GPS-навигатор потратит менее 1 минуты.

Колебания точности (DOP)

Разнообразие типов GPS-навигаторов может навести пользователя на мысль о различной точности этих устройств в определении координат. Компания 'Garmin' для оценки точности определения координат использует термин 'колебание точности' (DOP). Это не то же самое, что среднее значение ошибки определения координат, которое также вычисляется и может быть выведено на экран (в футах или в метрах). Чем меньше значение DOP, тем точнее определены координаты. Значение DOP в диапазоне от 2,5 до 3 считается хорошим, в частности, для лесостепи. В условиях абсолютного обзора небосвода нам доводилось получать значение колебания точности до 0,9, однако, здесь ещё помогло и хорошее взаимное расположение спутников. При непрерывном перемещении спутников по небосводу, да ещё и под кроной деревьев их сигналы могут на мгновение появляться и так же мгновенно пропадать. Возникают отрезки времени, когда GPS-навигатор не может одновременно принимать сигналы от того числа спутников, которое необходимо для определения координат с удовлетворительной точностью. В таких случаях, для получения приемлемого значения параметра DOP, приходится подождать минут десять. К счастью, это не типичная ситуация. На воде, где горизонт хорошо просматривается, да ещё и при удачном взаиморасположении спутников, координаты будут определяться значительно точнее, равно как и высота, хотя кого может интересовать высота над уровнем моря, если он плывёт по морю? Вообще, ошибка определения высоты обычно в 2-3 раза превосходит ошибку определения 2D-координат.