Современные технологии год от года все плотнее внедряются в наш быт, облегчая и упрощая решение повседневных задач. Сегодня мало кто из нас может представить свое существование без персонального компьютера, мобильного телефона или цифрового фотоаппарата. Тем не менее, буквально 5-10 лет назад мы жили, не задумываясь об этих устройствах. Но прогресс не стоит на месте, и с каждым годом эти предметы становятся все совершеннее и удобнее, изредка пополняя свои ряды новыми достижениями науки, призванными еще более облегчить нашу жизнь.

Одним из таких достижений можно считать технологию GPS NAVSTAR (Global Positioning System), в дословном переводе — глобальная система позиционирования. Для большинства пользователей она стала известной и доступной лишь несколько лет назад. Однако мало кто знает, что в феврале следующего года ей исполнится 30 лет. Именно столько пройдет с момента запуска первого спутника. Впрочем, не только для нас система GPS стала доступной столь недавно. Началом ее коммерческого использования можно считать 1 мая 2000 года, когда Президент соединенных штатов (именно этой стране, вернее ее военным, принадлежат все спутники системы) подписал указ об отмене так называемого «избирательного доступа» («Selective Availability»). Смысл последнего состоял в том, чтобы намерено вносить искажения в сигнал, передаваемый со спутников, снижая при этом точность позиционирования до 100-150 метров. Без него погрешность определения координат стала составлять не более 3 метров. Впрочем, в характеристиках большинства приемников мы встречаем цифру 10 метров, она объясняется лишь ограничениями законодательства той или иной страны.

Вся система функционирует на основе орбитальных спутников. Первый из них был запущен в 1978 году. Это был спутник первого поколения — Block I. Всего существует четыре поколения GPS-сателлитов: Block I, Block II/II-A, Block II-R и Block II-M. Отличаются они временем жизни на орбите, размерами и надежностью бортового оборудования. Спутников первого поколения на орбите уже не осталось, они использовались в основном для испытания, проверки и отладки системы GPS и ее оборудования. Сейчас же основу орбитальной группировки составляют Block II-A (15) и Block II-R (12). Наиболее совершенными являются спутники системы Block II-M, на данном этапе их всего три, однако в дальнейшем их количество будет только увеличиваться. Они имеют ряд серьезных преимуществ перед своими предшественниками. В первую очередь это время «жизни», для Block II-M оно составляет 15 лет, для сравнения: Block II-A «живет» в два раза меньше — 7.5 лет. Также новая модель обладает новейшей системой коррекции ошибок непосредственно в полете, что позволяет получать еще большую точность в определении координат пользователем.

Стоит отметить еще одну особенность спутников семейства Block II — в их задачу, помимо определения координат, входит еще обнаружение ядерных взрывов, в любом месте по всей поверхности земли.

Спутники находятся на шести орбитах, высота которых составляет порядка 20000 километров, а скорость движения равна 3000 м/сек. Таким образом, за сутки каждый сателлит делает два «витка» вокруг земли.

Теоретически для определения местоположения необходимы данные с трех спутников. Попробуем разобраться, как происходит этот процесс. Допустим, нам известна величина расстояния от одного спутника до приемника. Зная ее, мы можем нарисовать окружность вокруг спутника, на краю которой и будет находиться наш приемник.

Добавим данные со второго спутника.

Таким образом, мы сузили сектор поиска до пересечения двух окружностей. Остается прибавить информацию о третьем спутнике.

Таким образом, мы получаем точные координаты приемника, который находится на пересечении трех окружностей.
Мы постарались максимально упростить схему, изобразив двухмерную модель. В действительности все происходит в трехмерном пространстве, но принцип вычислений используется тот же.
Теперь нам осталось выяснить, как рассчитывается расстояние от спутников до приемника. Все очень просто: достаточно умножить скорость света (скорость распространения радиоволн) на время прохождения сигнала от спутника до приемника. Полученная величина и будет искомым расстоянием. При этом для вычисления времени необходима точнейшая синхронизация часов космического аппарата с часами принимающего устройства, так как разница даже в 0.0000003 секунды впоследствии вызывает ошибку равную 100 метрам. Для этого на каждом спутнике установлено четверо точнейших атомных часов. Стоит отметить, что одни такие часы стоят порядка 100000$. Но даже они могут содержать отклонения от эталонного времени. Что же говорить об обычных кварцевых часах, установленных непосредственно в принимающих устройствах, тут возможность погрешности в разы больше. Именно поэтому для точного определения координат нужно не три, а четыре спутника. Последний как раз и призван нивелировать временные ошибки первых трех.

Помимо орбитальных спутников в состав системы GPS входит 5 наземных станций слежения. Они находятся на пяти военных базах США: на Гавайях, на острове Вознесенья, в Кваджалейн, на острове Диего-Гарсия и в Колорадо-Спрингс. В ближайших планах постройка шестой, на мысе Канаверал. Во главе наземного сегмента стоит Главная управляющая станция, находящаяся в Колорадо на базе ВВС «Шривер».
Все станции слежения оборудованы GPS-приемниками, которые принимают навигационные сигналы со всех спутников. Затем собранные данные посылаются на главную управляющую станцию в Колорадо. Там ведется анализ и обработка полученной информации. Затем на ее основе вводятся необходимые изменения в орбиты спутников и их встроенные часы. Такая операция проводится один раз в 24 часа с каждым сателлитом, входящим в орбитальную группировку.
Стоит отметить, что пяти станций слежения недостаточно для максимально корректной работы системы GPS. Поэтому наряду с перечисленными центрами используются еще шесть, принадлежащих национальному управлению картографии (NIMA).

Существует три типа стартов — «Холодный», «Теплый» и «Горячий».

«Холодный старт» — альманах и эфемериды неизвестны, в современных устройствах занимает несколько минут. «Теплый старт» — альманах известен, а эфемериды нет, длится не более минуты. «Горячий старт» — известны и альманах, и эфемериды, занимает несколько секунд. Определить, какой из стартов используется в данный момент, очень просто: если вы включаете приемник первый раз за 3 месяца, то это будет «холодный старт», если с момента последнего использования устройства прошло более 6 часов, то это будет «теплый старт», если менее 4 часов, то «горячий». Стоит отметить, что указанные нами данные о приблизительном времени стартов характерны исключительно для современных устройств, оснащенных наиболее популярным сегодня чипсетом SIRF StarIII. Если ваш приемник оснащен другим чипом, то это время может отличаться в несколько раз, причем как в худшую сторону, так и в лучшую.

Не стоит забывать и об ошибках, которые могут возникнуть в реальных условиях. В первую очередь на точность определения влияет рельеф местности. Если вы находитесь в зоне плотной застройки, то вероятность ошибки возрастает в разы, так как на полезный сигнал нередко накладывается отраженный, снижая, таким образом, точность позиционирования. Также немалое влияние оказывают погодные явления, например, дождь или снег. Не стоит забывать и про такие банальные источники помех, как листва деревьев, бытовые радиоприборы, кузов автомобиля и даже человеческое тело. Как раз все эти факторы и вынуждают использовать не четыре спутника, которых, в теории, достаточно для определения координат, а намного больше, дополнительно применяя при этом сложнейшие алгоритмы расчетов устранения ошибок, вызванных помехами.

Итак, мы уже знаем, что самой большой проблемой для приемника является старт. Именно в этот момент происходит поиск спутников, запись альманаха и эфемерид. И данный процесс может занимать немалое время. При этом в таком режиме приемник потребляет в несколько раз больше энергии, сажая, таким образом, аккумулятор устройства в считанные часы. Последний факт особенно актуален для обладателей интегрированных устройств, например, коммуникаторов со встроенной функцией GPS. Ведь в случае разряда аккумулятора человек останется не только без навигатора, но и без связи, что в незнакомой местности может привести к совсем неприятным последствиям. Решить вышеописанную проблему призвана технология aGPS.

aGPS — assisted GPS. В дословном переводе — «ассистирующая GPS». Это технология, в которой внешний источник, в большинстве случаев сотовый оператор, помогает приемнику в определении координат. В данном случае встроенный в телефон или коммуникатор GPS-модуль только получает данные от спутников и, не обрабатывая, посылает их на сервер оператора. Сервер в свою очередь анализирует полученные данные в считанные секунды. После чего посылает уже готовые координаты на телефон. Помимо этого, оператор может хранить у себя актуальные данные альманаха и эфемерид, постоянно обновляя их через Интернет. И отсылать их на телефон по первому требованию, ускоряя, таким образом, старт в десятки раз. И это лишь два самых простых варианта использования данной технологии. В будущем благодаря aGPS может появиться множество мобильных сервисов, основанных на позиционировании. Начиная с простейшей загрузки карты местности, на которой вы находитесь, до вызова такси без указания адреса. Причем для развития этой технологии есть все предпосылки, так как ее функционирование напрямую зависит от операторов сотовой связи. А у последних с каждым годом остается все меньше новых интересных услуг.