Он следит за вами днем и ночью. Вся правда о GPS.

Неисчислимое количество лет назад полинезийцы придумали собственную систему навигации, которая позволяла им путешествовать по островам и изучать новые земли. Звезды, погода, течения, цвет моря, животные — все это запоминали и передавали из уст в уста, ориентировались на то, что показывала природа. Так работали «навигаторы» на воде и следопыты на суше, а позже стали появляться специализированные инструменты.

Астролябия и компас — активное их применение началось в XV веке, тот период называют эпохой Великих географических открытий. Европейцы активно изучали морские пути, отправляясь в дальние и длительные путешествия, первая кругосветка завершилась в 1522 году. Само слово «навигация», кстати, происходит от латинского navigationem и относится в первую очередь к путешествиям по морю, однако теперь термин используется более широко.

Как это бывает в истории, развитие технологий происходит во время вооруженных конфликтов — то, что вначале находит применение у военных, может оказаться и на службе у гражданских. Позже угля в топку добавила космическая гонка между двумя сверхдержавами — СССР и США.

До появления спутниковой навигации применялась «обычная» наземная радионавигация — в будущем в основу GPS ляжет логика систем LORAN и Decca, изобретенных в США (но Decca разрабатывалась британскими инженерами). Обе стали обретать черты завершенности в начале 40-х годов, после начала Второй мировой войны.

Все началось со «Спутника-1» и атомных подводных лодок

AN/APN-4 для системы Loran. Фото: National Air and Space Museum, Smithsonian Institution

А вот идея того, чем в будущем станет NAVSTAR GPS (позже — просто GPS), начала появляться после запуска Советским союзом в космос первого искусственного спутника в 1957 году. Холодная война была в самом разгаре, «Советы» показали свое превосходство в космосе, весь мир следил за перемещением по небосводу 84-килограммового КА «Спутник-1».

«Спутник-1». Фото: Wikimedia

Следили и американские ученые — поймать радиосигнал было не слишком сложно. Уильям Гайер и Джордж Виффенбах из Лаборатории прикладной физики (APL) при университете Джонса Хопкинса записывали сигналы «Спутника-1», позже сообразив: эффект Допплера (в зависимости от расстояния менялась частота сигнала) позволяет вычислить местоположение спутника.

Слева направо: Уильям Гайер, глава исследовательского центра APL Фрэнк Т. МакКлур и Джордж Виффенбах. Фото: Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

Спустя некоторое время ученых пригласили к руководству лаборатории, где задались вопросом: можно ли использовать сигнал со спутника для определения координат объекта на Земле? То есть проделать все то же самое, только наоборот. Такое решение требовалось в первую очередь для АПЛ с ракетами UGM-27 Polaris. Глава APL грезил о создании сети спутников, которые отправляли бы сигнал на подлодки, а компьютеры на борту вычисляли их месторасположение.

Гайер и Виффенбах заявили, что это возможно. В итоге была создана команда для разработки системы, которая получила название Transit Navigational System. Возглавлял ее доктор Ричард Кершнер. Именно Transit называют первой в мире спутниковой системой навигации. Средства, среди прочего, поступали от ARPA (ныне — DARPA), а покровительство обеспечивали ВМС США.

Стремительная разработка в условиях Холодной войны

Transit 2A со спутником GRAB 1 наверху. Фото: Wikimedia

Первый прототип спутника Transit вывели на орбиту уже в 1960 году (в 1959-м был неуспешный запуск) — реализацию программы подталкивало противостояние США и СССР. Испытания начались в середине 1960 года, вскоре на орбиту вывели шесть аппаратов — для военных этого было достаточно, чтобы эффективно определить координаты. Для сравнения, теперь для глобального покрытия нужно 24 действующих спутника.

К 1964 году APL разработала и запустила полтора десятка навигационных спутников и восемь исследовательских. Кроме того, в 60-х на околоземную орбиту были отправлены несколько спутников Timation, передававших точное время, — это требовалось для точного позиционирования (по этой же причине гонка ученых в создании сверхточных атомных часов актуальна до сих пор).

Один из спутников Timation. Фото: geocaching.com

Таким образом, американцы за короткий промежуток времени смогли создать инфраструктуру как в околоземном пространстве, так и на планете. Спустя же еще три года американское правительство разрешило пользоваться спутниковой навигацией Transit гражданским. Стоит отметить, что количество и сроки выведения спутников на околоземную орбиту варьируются от источника к источнику.

В начале 1970-х министерство обороны США заинтересовалось созданием стабильной и развернутой спутниковой навигационной сети. Так был дан старт проекту Navigation System with Timing and Ranging — NAVSTAR GPS, который в будущем трансформировался в «просто GPS».

К слову, примерно в это же время в СССР велись разработки в рамках военной программы «Парус» (последний спутник отправили в 2010 году, все они выведены из эксплуатации) и «Цикада» (гражданский вариант морской спутниковой навигационной системы «Циклон», также выведены из эксплуатации).

Спутник NAVSTAR Block I. Фото: e-education.psu.edu

Первый экспериментальный спутник NAVSTAR Block-I был запущен в 1978 году — вначале их производством занималась компания Rockwell International, однако позже контракт передали Lockheed Martin. Всего в течение будущих семи лет на орбиту пытались отправить 11 КА, но один был уничтожен при запуске.

Сбитый Boeing 747-230B и трагедия «Челленджера»

Пользоваться в будущем системой могли бы лишь военные, но ситуация изменилась после трагического инцидента в 1983 году. Тогда Boeing 747-230B авиакомпании Korean Air Lines, совершавший полет из США в Южную Корею, оказался в закрытом воздушном пространстве СССР. Борт был сбит, погибло 269 человек. Рейган потребовал сделать GPS доступным гражданским, когда система будет готова, чтобы избежать подобных случаев в дальнейшем.

NAVSTAR Block II. Фото: Encyclopædia Britannica

В 1985-м на орбиту отправили еще десять Block-I для подтверждения работоспособности концепта. Еще четыре года шло тестирование и доработка системы, подготовка инфраструктуры — в 1989 году состоялся запуск спутника Block II, в следующие пять лет их количество довели до 24, заменяя некоторые из космических аппаратов. Все могло идти быстрее, если бы не авария «Челленджера» в 1986 году.

В 1994 году GPS вошла в фазу полной функциональности (по другим данным, в 1993-м и 1995-м), однако и до этого ею можно было пользоваться.

Поэтому еще в 1989-м, вскоре после запуска первого Block II, на рынке появились Magellan NAV 1000 — утверждалось, что это первые коммерческие варианты портативных навигаторов. У него был многострочный ЖК-дисплей, питался девайс от шести AA-батареек и стоил $3000. То, как шло создание подобных устройств — отдельная история: в 1989 году, например, на волне роста интереса к GPS была основана компания Garmin (тогда — ProNav), а в 1991-м — менее известная в наших широтах TomTom.

Первый носимый навигатор и война в Персидском заливе

Magellan NAV 1000. Фото: timeandnavigation.si.edu

Война в Персидском заливе в начале 90-х внесла некоторые корректировки в развитие GPS — американские военные получали преимущество от использования системы, но такое же преимущество было и у противника. Так появилось понятие Selective Availability (SA) — гражданским девайсам отправляли искаженный сигнал, что значительно снижало точность позиционирования и добавляло ошибок. По другим данным, на время военных действий передачу сигнала отключили полностью.

«Шоссе смерти» — шоссе между Эль-Кувейтом и Басрой. Фото: Wikimedia

Федеральному управлению гражданской авиации США такой подход не понравился, так как Selective Availability оставалась активной и после войны с участием американских военных, а на поддержание собственной сети радионавигации требовалась уйма средств. Билл Клинтон, будучи американским президентом, в 1996 году рекомендовал все же открыть полный доступ к GPS для гражданских.

Первый GSM-телефон с GPS

В 2000 году действие SA было приостановлено, точность позиционирования составила 15 метров — благодаря дополнительным сигналам для использования не военными. А примерно за год до этого вышел первый GSM-телефон с GPS — Benefon Esc!.

Benefon Esc!. Фото: TechRepublic

Мобильная индустрия быстро подтянулась, в 2002-м выпущен первый портативный навигатор с цветным экраном — Magellan Meridian Color Handheld GPS Navigator (при желании его можно и сейчас найти в продаже). Тому способствовало и развитие технологических процессов — модули стали меньше, энергопотребление снижалось, велась доработка алгоритмов, позволяющих увеличить точность системы.

BeiDou, ГЛОНАСС и Galileo

Magellan Meridian Color Handheld GPS Navigator. Фото: eBay

Дальнейшее распространение GPS касалось в первую очередь развития технологий и их внедрения. У GPS появились конкуренты. Некоторые разработки, впрочем, велись давно, однако в военной плоскости, их распространение на гражданский рынок не происходило. «Почти вовремя» спохватился Китай, который в 2000 году дал старт BeiDou Satellite Navigation System (BDS). Тогда были озвучены планы полностью развернуть систему к 2020 году. К слову, с 1994 года BeiDou существовала как программа эффективной системы противовоздушной обороны.

Вначале Китай развернул экспериментальную сеть из трех спутников с ограниченным покрытием территории. А в 2011 году в работу включили второе поколение BDS (иначе — COMPASS и BeiDou-2), к настоящему времени количество спутников в ней составляет 33. Китайцы уверены, что их платформа более точна в сравнении с конкурентами, а BeiDou-3 позволит вычислять местоположение объектов с точностью до миллиметра.

BeiDou работают на геостационарной орбите, что позволяет сократить количество КА — это одно из преимуществ китайской спутниковой системы над ГЛОНАСС, GPS и европейской Galileo. В то же время «поле зрения» у таких спутников окажется «меньше», и это минус. Однако разработчики системы будут использовать различные типы спутников, размещаемых на разных высотах.

Что касается российской ГЛОНАСС, то она разрабатывалась для военных с начала 70-х годов прошлого века — им требовались данные о положении техники всех типов и видов. Основное отличие от американской GPS заключается, судя по всему, в размещении космических аппаратов на орбитах вокруг Земли. Первый КА запустили в 1982 году, к 1991-му в составе ГЛОНАСС находилось 12 спутников. В этом плане СССР отставал от США.

Фото: Wikimedia

Пара спутников с гражданскими сигналами были выведены на орбиту в 2003 году. Сроки полноценной работы теперь уже российской системы глобальной навигации постоянно сдвигались: изначально в планах указывался 2007 год. 100% покрытия России было достигнуто к 2010 году, полностью (на глобальном уровне) группировка смогла функционировать в 2011 году, однако работы над ней продолжались как минимум несколько лет.

Примерно тогда начали появляться смартфоны с поддержкой ГЛОНАСС и на базе чипов Qualcomm: Xiaomi Mi 2, iPhone 4S и некоторые другие, а «первый в мире» подобный аппарат выпустила ZTE. Но все было совсем не гладко: крупные вендоры не горели желанием обеспечивать поддержку «убийцы» GPS.

Затем МВД РФ обнаружило нецелевое расходование средств на ГЛОНАСС, что, вероятно, сказалось на развитии системы, хотя денег «увели» всего $205 млн.

И наконец, «самая невоенная» и самая молодая система глобального позиционирования — европейская Galileo. В теории она обеспечит независимость от GPS и ГЛОНАСС, контролируемых, соответственно, США и Россией, — а они могут провернуть нечто наподобие Selective Availability. Услуги системы будут доступны бесплатно при невысоком разрешении, сверхвысокая точность будет стоить денег.

Испытательный спутник Galileo отправили в космос в 2005 году, полноценный КА был запущен примерно шесть лет спустя. Как и в случае с ГЛОНАСС, сроки запуска переносятся, на орбитах находятся более 20 аппаратов, но их недостаточно для полноценной работы.

Также Galileo преследовали технические проблемы, которые могли сказаться на точности определения положения объектов. Один из последних сбоев случился в июле 2019 года, когда вся группировка потеряла сигнал.

Сегодня кажется, что лидером на рынке все еще остается GPS, однако на ситуацию влияет российский ГЛОНАСС. Выход BeiDou на глобальный рынок наверняка приведет к перераспределению сил, но на это потребуется время. К сожалению, в одном материале невозможно упомянуть все нюансы создания GPS и тем более всех ее альтернатив — замешаны военные, космос, политика и бесконечные экономические аспекты.

Почему греется смартфон?

Мы решили задать несколько простых, но от этого не менее важных вопросов о GPS специалистам, которые в теме. Нашими собеседниками выступили Владимир Тихончук, тимлид команды HW-специалистов Gurtam, и Олег Порошин — заместитель руководителя группы мобильной разработки этой же компании.

Onliner поинтересовался, почему система геопозиционирования иногда так разогревает мобильник, одновременно выяснив некоторые другие нюансы. Прозвучит банально, но тем не менее: когда GPS-приемник работает, он потребляет энергию. Теперь небольшие пояснения без смеха.

Нагрев

Во-первых, мобильники способны определить местоположение без получения сигнала от GPS, используя сотовые вышки: точность этой информации зависит от плотности размещения БС, координаты которых известны. Поэтому в центре города точность определения координат будет выше, на окраине и за городом погрешность заметно возрастет. Есть «но» — требуется подключение к сети мобильной связи.

При обращении к GPS нагрузка на батарею серьезно возрастает, так как необходимо питать GPS-модуль телефона: он должен проводить вычисления для определения местоположения. Если в этот момент пользователь смотрит на карту, то часть энергии тратится на подсветку экрана и отрисовку самих карт (нагружается процессор), подгрузку их из интернета (грузит GSM-модуль). Все просто: работа любого модуля связана с нагревом, и чем больше вычислений и нагрузки, тем больше выделяется тепла.

Существуют понятия «холодного», «теплого» и «горячего» старта. «Холодный» требует получения определенного объема данных и дальнейшего их обсчета — процесс может занимать от пяти минут и нагреть батарею. Обычно он случается после длительного перерыва в работе устройства или его перемещения на дальнее расстояние.

Во время «теплого» приемник получает меньше специфических данных, процесс занимает около минуты. В отличие от «холодного» старта, во время «теплого» устройство можно перемещать, однако требования к качеству сигнала все так же высоки.

На «горячий старт» уходит пара секунд, так как все данные актуальны.

Точность

Точность координат могут обеспечивать различные программные и аппаратные решения. Во втором случае это, к примеру, наземная станция, высчитывающая коэффициент коррекции. Такие применяются в сельском хозяйстве, управляя техникой, добиваясь погрешности в несколько сантиметров (для гражданского сегмента это очень высокий показатель).

В обычных приложениях применяются программные алгоритмы обработки и анализа данных (географические карты, данные о застройке в городе, модели поведения пользователей и т. п.). К слову, высокая и плотная застройка может породить такой феномен, как переотражение сигнала. В таких случаях вызванное через приложение такси приедет «куда-то не туда».

Очевидно, что чем больше спутников в прямой видимости, тем точнее координаты (в смартфонах при условии, что «все хорошо», погрешность составляет около шести метров). Играет роль и происхождение приемника GPS — здесь есть свои «Мерседесы» и «Жигули». То есть кто-то считает быстрее и точнее, потребляя меньше энергии. Сейчас это встроенные решения, поэтому многое зависит от производителя SoC для вашего смартфона.

Кстати, Владимир и Олег подтвердили: в автомобиле GPS куда точнее определяет скорость, чем спидометр. Погрешность тоже есть, но она заметно меньше.

Android и iOS

В Android и iOS у сторонних приложений нет прямого доступа к данным с приемника GPS — общение идет с операционной системой, которая собирает и компонует данные согласно собственным алгоритмам.

Смартфоны ведут сбор информации о местоположении даже тогда, когда приложения не считывают данные GPS.

Иногда можно угомонить приложение, чрезмерно напрягающее аккумулятор, сократив количество обращений к GPS (во временном интервале или опираясь на преодоленное расстояние). Или повысить его точность, увеличив этот параметр. Понятно, что пешеходу не нужно каждые три метра опрашивать систему, а при движении на авто это надо делать чаще.

Источник