GPS — это система, без которой сложно представить современную навигацию. Но как она появилась и работает?
История начинается в 60-х годах с первых спутников ВМС США, а сегодня на орбите уже 31 спутник, обеспечивающий глобальное покрытие. Разбираемся в деталях: как устроена система, какие бывают альтернативы и что влияет на точность позиционирования.
Глобальная система позиционирования (GPS) — спутниковая навигационная система, разработанная Министерством обороны США, которая позволяет определять местоположение объектов на Земле с высокой точностью независимо от погодных условий, доступна для использования как военными, так и гражданскими пользователями по всему миру.
Первоначально в 1960-е годы по инициативе ВМС США на орбиту земли было запущено 2 спутника для помощи в навигации кораблей. В 1973 году в США была утверждена концепция оборонной навигационной спутниковой системы «DNSS», позже переименованная в «NavStar» (Navigation Satellite Timing and Ranging). Спутники по этой программе выводились на среднюю околоземную орбиту. Современное название «GPS» программа получила в декабре 1973. Спутники предполагалось использовать исключительно в военных целях. Первым спутником, в рамках программы «NavStar» стал «NTS-1», принадлежавший ВМС США, запуск которого состоялся 14 июля 1974 года, а уже в 1982 году, благодаря выводу первого советского спутника аналогичной системы позиционирования ГЛОНАСС, конгресс США ускорил работы по выводу остальных спутников на орбиту.
К 1985 году Федеральное правительство США заключило контракты с частными предприятиями на создание «бортовых, судовых и портативных» приемников, которые будут использоваться в системе GPS. Всего программа предусматривала вывод 24 спутников, нужных для полного покрытия земли, последний из которых был запущен в 1993 году, а система GPS стала широко применятся в самых разных навигационных устройствах. По состоянию на 2025 год, на орбите размещён 31 спутник. Несмотря на то, что для полного покрытия нужно всего лишь 24 спутника, остальные 8 спутников используются для повышения точности сигнала, дублирования функций, коррекции помех и в качестве резерва.
Основу GPS составляют три компонента: космический сегмент, наземная система управления и пользовательские устройства. Космический сегмент включает в себя 24 основных спутника и 7 дополнительных, расположенных на шести орбитальных плоскостях на высоте около 20 180–20 200 км над Землей. Спутники совершают полный оборот вокруг планеты за 11 часов 58 минут, это обеспечивает глобальное покрытие и постоянную доступность сигнала для пользователей.
Наземная система управления состоит из главной управляющей станции и нескольких станций слежения, расположенных по всему миру. Они контролируют орбиты спутников, корректируют их положение и обеспечивают синхронизацию времени, что необходимо для точного определения координат.
Такие устройства как смартфоны, автомобильные навигаторы или специализированные GPS-приемники принимают сигналы от спутников и вычисляют свое местоположение. Для этого используется принцип трилатерации: измеряется расстояние до нескольких спутников, зная точное время отправки и получения сигнала, и на основе этих данных определяются координаты. Для точного расчета положения обычно требуется сигнал всего от четырех спутников: трёх для определения координат и ещё одного для корректировки возможных ошибок времени в приемнике.
Точность определённого местоположения зависит от нескольких факторов: в первую очередь от качества самого приёмника (навигатора, смартфона), условий окружающей среды и наличия помех. На открытых пространствах современные устройства могут обеспечивать точность определения местоположения до нескольких метров, однако в условиях плотной городской застройки или густых лесов точность может снижаться из-за отражения сигналов от зданий и деревьев.
Существуют и альтернативные системы спутниковой навигации, такие как российская ГЛОНАСС, европейская Galileo и китайская BeiDou. Многие современные устройства поддерживают работу с несколькими системами одновременно, что повышает надежность и точность определения местоположения.