Что такое джиперс в смартфоне
GPS-навигатор в смартфоне: что это, как работает
Современные телефоны уже давно перестали быть обыкновенными устройствами для осуществления звонков. Теперь можно использовать мобильные ресурсы, дабы найти полезную информацию в интернете, снимать качественные фотографии, играть в различные приложения, слушать музыку и просматривать любимые фильмы.
Вишенкой на торте является встроенная навигационная система, которая позволяет использовать смартфон в качестве GPS-навигатора, например, для определения своего местоположения в лесу, на прогулке или в путешествии. Все подробности ниже.
Что такое GPS-навигатор в смартфоне?
GPS в телефоне – это навигационная система, которая предназначена для определения местоположения устройства на карте, а также для построения маршрута и поиска необходимых пользователю объектов. Абсолютно каждый современный смартфон имеет встроенный навигационный модуль. Маленький прибор представляет собой антенну, которая расположена во внутренней части корпуса.
Первоначально данное устройство предназначалось для определения местонахождения врагов в военных конфликтах. Однако со временем, когда мобильные технологии начали столь динамично развиваться, навигационный сигнал стал доступным в повседневной жизни каждому. Этот модуль способен принимать сигналы с поддерживаемых антенн, однако передавать информацию он не способен. Когда определенный сигнал приходит в смартфон, пользователь видит свое положение на карте.
Навигационная система в мобильном телефоне уже давно обрела широкую популярность. Данная функция очень полезна людям, которые постоянно путешествуют или находятся в бесконечных разъездах, командировках и т.д. Особо важную роль GPS-навигатор играет в густонаселенных территориях.
Сейчас многие социальные службы, курьеры, таксисты и доставщики продуктов не могут представить свою жизнь без мобильного навигатора. Также смартфоны со встроенным GPS-модулем широко пользуются спросом у охотников и рыболовов. Для последних в официальном магазине Play Market существуют специальные приложения с удобным интерфейсом и полезными инструментами.
Функциональные особенности
Как правило, навигационная система более стабильно функционирует в той местности, которая не содержит большое количество многоэтажных зданий и прочих построек. Большинство смартфонов плохо ловят сигнал в помещении, так как толстые бетонные стены отбивают сигнал, выступая в качестве блокирующего экрана. Однако некоторые устройства, относящиеся к более дорогому ценовому сегменту, справляются со своей задачей в самых суровых условиях.
Пешеходам и водителям, которые находятся далеко от населенных объектов, следует помнить о возможных системных сбоях во время плохих погодных условий. Проблема заключается в том, что сильная влажность и порывы ветра искажают передающийся сигнал, в результате чего координаты местонахождения могут отображаться с большими погрешностями.
Подавляющее число GPS-навигаторов в мобильных телефонах обладают следующими особенностями:
Как активировать навигационную систему на телефонах Android?
Для активации навигационного модуля можно воспользоваться двумя методами:
Когда GPS-модуль находится в активном состоянии, аккумулятор устройства начинает потреблять гораздо больше энергии, нежели в обычном режиме. Если пользователь находится в дороге, которая занимает много времени, необходимо обзавестись внешним аккумулятором с большой емкостью. Водителям автомобилей намного проще, ведь они могут воспользоваться специальным зарядным устройством.
Главное требование во время работы навигационной системы – место положение гаджета на открытой местности. GPs-модуль работает нестабильно, если пользователь находится в туннеле, метро или в помещении с толстыми бетонными стенами.
Кстати, гаджет (от англ. gadget — устройство) — это приспособление улучшающее нашу жизнь, например, смартфон, смарт-часы, гугл-очки, фитнесс-браслет и т.д.
Что касается типов навигационных систем, на мобильных телефонах iOS и Android технология GPS была одной из самых лучших до последнего времени. Сейчас многие устройства функционируют под предводительством китайского аналога «Beidou» и российского «GLONASS».
Навигаторы в онлайн-режиме
Данный тип приложений функционирует исключительно с доступом к высокоскоростному интернету. Любая программная составляющая навигатора находится на сервере разработчика, поэтому пользователь сможет получить доступ к картам и базе данных, только подключившись к сети. Подобные утилиты постоянно подгружают недостающие файлы, тем самым экономя память телефона. Стоит учитывать, что во время функционирования программа будет потреблять огромное количество трафика мобильного оператора, поэтому целесообразней использовать модуль Wi-Fi (если есть такая возможность).
Основное преимущество онлайн-навигаторов заключается в том, что система автоматически загружает необходимые для перемещения данные. Стоит только запустить приложение, как программа самостоятельно подгрузит информацию.
Подобными функциями может похвастаться 2 системы:
Оба варианта абсолютно бесплатны и просты в использовании. Если в телефоне отсутствует необходимое ПО, то для скачивания можно использовать официальный магазин Google Market. Также стоит отметить, что эти навигаторы идеально справляются с поставленными задачами в любых условиях, будь-то густой населенный город или сельская местность.
Наибольшей продуктивности можно добиться в том случае, если пользователь установит на свой смартфон онлайн и оффлайн-навигатор. В случае потери связи или израсходования мобильного трафика в любой момент можно переключиться в последний режим. Что касается оффлайн-навигаторов, более подробно с их возможностями можно ознакомиться ниже.
Навигаторы в оффлайн-режиме (без интернета)
Основное отличие подобных систем заключается в том, что вся база данных и карты местности хранятся во внутренней памяти мобильного телефона. Следовательно, подобные приложения занимает больше объема, чем онлайн варианты. В любом случае для подзагрузки недостающих элементов потребуется периодически подключаться к интернету, однако это не нужно на постоянной основе.
Оффлайн-системами удобно пользоваться, когда владелец устройства находится далеко от населенной местности и не имеет доступа к сети. В таком случае можно экономит денежные средства на приобретение трафика. Но, большинству подобных программ характерен платный доступ. Конечно, можно ознакомиться с базовыми инструментами в пробной версии, однако данный период будет составлять не больше 7 дней.
Самыми распространенными вариантами считаются приложения «Maps.ME», «Navitel» и «TomTom». Они стабильно функционируют в любой местности, главное – своевременно загруженные карты и база данных.
Установка сторонних навигационных приложений
Большинство смартфонов имеют интегрированные навигационные сервисы Яндекс.Навигатор и Google карты. Они полностью бесплатны и удобны в использовании. Однако что делать, если в телефоне не предусмотрено такой возможности? Единственный выход – установка стороннего ПО. Данный тип программ функционирует за счет позиционирования спутников в реальном времени или благодаря заранее загруженным картам местности. Конечно, более эффективным считается первый вариант, однако такие приложения имеют платный доступ.
Чтобы воспользоваться полезными инструментами и обеспечить комфорт во время перемещения по дороге, стоит выбрать следующие навигационные системы:
Как работает GPS
Содержание
Содержание
Надо найти библиотеку в 3 часа ночи — пожалуйста, доехать до Рубинштейна «24» — нет проблем, найти север без фокусов с иголкой — запросто. Портативные гаджеты давно заменили бумажные карты и компасы благодаря GPS и ее аналогам. Система спутниковой навигации — популярная тема для споров, обросшая мифами и легендами, как исландское дерево мхом. Попытаемся разобраться во всем по порядку.
Маленький, но уже военный
В 1967 году руководство СССР задумалось о создании системы глобальной навигации. Спустя 9 лет родился «Циклон» — комплекс спутников, снабженных атомными часами, передатчиками и возобновляемым источником питания. Перспективный космический страж не долго сиял золотыми эполетами солнечных батарей. В начале 90-х прекратили выделять ассигнования, несколько спутников сломались и сошли с орбиты. Сменив в 1993 году военную форму на гражданский костюм, Циклон взял новое имя — ГЛОНАСС. В этом же году американцы запустили двадцать четвертый спутник, завершив девятнадцатилетнюю эпопею создания GPS. До этого момента СССР и США шли ноздря в ноздрю, создавая практически идентичные системы, но кризис 1998 года изменил расстановку сил навсегда.
Слухи и факты
Среди форумных забияк бытует мнение, что ГЛОНАСС — плохая система с очень низкой точностью позиционирования, ее работе может помешать даже дерево. Слухи начали распространяться в начале 2000 годов.
Десяток спутников отправились в космос полетать, один сошел с орбиты, их осталось девять.
Девять спутников, в космосе летая, ловили солнца луч, один не смог поймать, их осталось восемь.
Из-за недостатка финансирования в 2001 году количество летунов сократилось до шести. В те времена пациент был скорее мертв, чем жив. В 2007 аппаратов стало 18, в 2010 на орбиту вывели 26 штук. Космические скитальцы постоянно падают, срок жизни американского образчика технического искусства — 10 лет, у российского меньше.
Как это работает?
Спутник в космосе — летающая радиостанция, посылающая приветственные сигналы приемникам. Роль приемников играют наши смартфоны и навигаторы. Вопреки расхожему заблуждению, телефон никуда и никакие сигналы не отправляет с помощью супермощной антенны. Для точного вычисления координат необходимо минимум 4 спутника — три передают данные о своем местоположении относительно земли и друг друга, четвертый фиксирует время прохождения сигнала от передатчика к приемнику. Местоположение устройства определяет процессор — он должен быть мощным. Флагманский вычислитель обрабатывает информацию практически мгновенно. Старенький же процессор, как Сусанин, будет долго водить по кустам, кочкам и болотам. Современные устройства умеют принимать сигналы от 12 летающих радиостанций, в скором времени научатся и от всех 24. Чем больше источников информации — тем лучше.
Кроме широко известной GPS и отечественного аналога, существует еще несколько похожих систем навигации — китайский Beidou, европейский Galileo, индийский IRNSS. Но чтобы точно определять координаты, достаточно только одной. Такое многообразие обуславливается лишь страхом пред отключением GPS и необходимостью координировать передвижение войск в случае войны.
Не такой, как все
У ГЛОНАСС, в отличии от GPS, отсутствует привязка к планете. Из-за этого спутники не видят краев и часто падают, сгорая в атмосфере. Точность тоже страдает — 4–8 метров против 2,5 метров у американцев. Зато в России можно пользоваться двумя системами одновременно, получая точность в 1,5 метра. В США такая опция доступна только в некоторых штатах, устройства просто не видят российские спутники. Для точного определения местоположения на территории РФ достаточно 18 спутников на орбите. ГЛОНАСС лучше всего ловит на севере, потому что изначально система создавалась для позиционирования войск в северных регионах страны. GPS info — приложение, помогающее ловить сигналы от двух систем одновременно. Узнать, сколько космических летунов видит конкретное устройство, можно с помощью софта GPS Test.
Почему тупит?
Спутники все время находятся в движении, их траекторию отслеживают наземные станции. Актуальная информация отправляется на гаджеты в альманахах — библиотеках с самыми точными сведениями о местоположении всех доступных спутников. Обновляются альманахи по воздуху через GPRS или Wi-Fi. Если скорость Интернет-соединения низкая, процедура поиска может затянутся на 5–10 минут. В нормальном режиме на обновление уйдет 30 секунд.
Для тех, у кого с интернетом все норм, придумали A-GPS — специальный софт, передающий данные о местоположении спутника с помощью всемирной сети. Используется там, куда не пробиться сигналу от крылатой радиостанции — горы, подвалы, низины. По сути A-GPS — это цифровой репитер, повторяющий сигналы от GPS по другим каналам.
Незаменимые помощники
Акселерометр приходит на помощь спутникам, показывая куда поворачивает телефон, с какой скоростью он движется.
Магнитометр помогает акселерометру понять, где север, чтобы сориентировать в пространстве. Чем больше всяких датчиков в гаджете, тем точнее будут определены координаты.
Датчик компаса помогает определить направление движения. Если он не настроен, точность позиционирования значительно снижается. Чтобы привести его в рабочее состояние, достаточно запустить приложение и откалибровать, следуя инструкции от производителя.
А что в целом?
ГЛОНАСС — ровесник GPS, идеален для северных регионов, об этом хорошо осведомлены Шведы, использующие именно эту систему спутниковой связи. Самый большой минус — низкая точность, компенсируется подключением GPS-спутников через специальное приложение для Android и iOS.
В смартфонах антенна не важна, главное процессор и вспомогательные датчики, топовые устройства не имеют проблем с навигацией. A-GPS и другой софт — отличные костыли, помогающие престарелым устройствам ориентироваться в условиях мегаполисов и бездорожий. Для быстрого и правильного позиционирования навигатор необходимо подключать к 4G или регулярно обновлять информацию с помощью ноутбука, смартфона по Bluetooth.
Путешествуйте чаще, не бойтесь открывать новые места, ведь современные технологии не стоят на месте и в ногу идут с желаниями человека, помогая и упрощая ему жизнь в исследовании неизведанного.
Что такое GPS в телефоне?
GPS (сокращение от английского Global Positioning System — система глобального позиционирования) — это спутниковая система навигации, работающая во всемирной системе координат WGS 84. GPS позволяет определять местоположение и скорость объектов практически в любом месте Земли. Интересно, что система была разработана и реализована Министерством обороны США, однако в настоящее время используется и для гражданских целей. Россией был создана своя собственная спутниковая система навигации, которая называется ГЛОНАСС и мы о ней уже писали. Системы работают аналогично, однако спутники ГЛОНАСС имеют большую стабильность.
Некоторое время назад GPS в телефонах использовался редко, а потому представлял из себя некую диковинку, которой можно было удивлять людей. Но те времена давно прошли и сегодня нужно хорошенько потрудиться, чтобы найти смартфон, в котором отсутствует поддержка GPS.
Для чего нужен GPS в телефоне/смартфоне/планшете?
GPS используется в первую очередь для определения местоположения устройства. Уже исходя из этого, пользователь может понимать, где находится в данный момент. На этом принципе основаны навигационные карты, которые используются, к примеру, автолюбителями. А вкупе с интернетом карты могут показывать не только местоположение устройства и путь к цели, но и загруженность дорог. Яркий пример — Яндекс.Карты.
Смартфоны с GPS используются не только простыми автомобилистами, они очень популярны у курьеров, а также у таксистов — особенно когда речь идет о крупных городах.
Функция местоположения используется в некоторых сервисах. Например, в социальной сети вы можете разместить фотографию и уточнить координаты, где она была только что запечатлена. Есть сервисы, которые позволяют отмечать свое местоположение не на простых картах, а в магазине или кафе — таким образом пользователь может послать свое сообщение друзьям и пригласить их.
Есть даже сервисы знакомств, основанные на местоположении пользователя в данный момент. Так, пользователь указывает, где он находится и на карте видит других пользователей. К примеру, пользователи могут познакомиться друг с другом, если они находятся в непосредственной близости на карте.
Есть ли недостатки у GPS?
Как таковых недостатков у GPS не существует, однако стоит помнить, что местоположение не всегда может быть достоверным, так как есть пределы погрешности. Для более точного позиционирования можно использовать сразу обе навигационных системы — GPS и ГЛОНАСС, тем более, что они обе используются во многих устройствах.
В остальном GPS имеет сплошные плюсы. К тому же система фактически никак не сказывается на стоимости устройства, что вы можете проследить по стоимости смартфонов: даже самые недорогие устройства оснащаются GPS.
Друзья! Если наш сайт помог вам или просто понравился, вы можете помочь нам развиваться и двигаться дальше. Для этого можно:
Принцип работы GPS- модуля в смартфоне
Включение
Включение Как правило, раздел управления навигацией в смартфонах вынесен отдельным пунктом меню. И в этом же разделе можно делать настройки параметров пользования навигацией.
Первая загрузка навигационной программы может занять несколько минут, последующие будут проходить быстрее.
Если есть интерес, то оценить качество работы встроенного GPS-модуля можно при помощи утилиты GPS Test (скачивается бесплатно из Play Market). После запуска утилита показывает, сколько спутников GPS и/или ГЛОНАСС видит смартфон в данный момент. Также на экране отображаются точность позиционирования, текущие координаты и уровень сигнала от каждого спутника.
Скорость нахождения спутников
Скорость загрузки данных о спутниках зависит от того, сколько времени был выключен GPS-модуль в смартфоне. Дело в том, что каждый спутник передает два вида координатных данных: альманахи и эфемериды. Альманах включает в себя общие параметры всех спутниковых орбит, эти данные актуальны более месяца, но не отличаются точностью. Эфемерида же подразумевает точные координаты спутника и корректировку его текущего положения. Обновляется она каждые 30сек и актуальна около получаса.
После отключения больше, чем на 30 мин (так называемый «холодный старт») GPS-модуль смартфона ищет спутники на основе данных альманаха, что требует определенного времени (до 5 мин). Сам смартфон в это время должен быть неподвижен, чтобы не нарушилось скачивание альманаха. «Теплый старт» (при устаревании эфемерид, но сохранении актуальности альманаха) занимает около 1 мин. «Горячий старт» (после выключения на несколько минут и сохранении актуальности эфемерид) – несколько секунд.
Особенности работы
Лучше всего GPS-модуль работает на открытой местности, где нет многоэтажных зданий или иных высотных объектов. В помещениях модуль фактически не функционирует, так как межэтажные бетонные перекрытия выступают в роли своеобразных экранов и блокируют сигнал.
Кроме того, на работоспособность GPS в смартфоне влияет и погода. Скопления облаков и сильные осадки вызывают преломление и искажение спутникового сигнала. В результате местоположение либо не определяется, либо определяется неточно.
Онлайн и оффлайн навигация
(например, TomTom или «Навител») хранят все карты на внутренней памяти смартфона. Подключение к интернету им необходимо только для задействования онлайн-сервисов вроде отображения пробок. Иными словами, такие навигационные приложения проложат маршрут по незнакомой местности, где практически отсутствуют средства связи и интернет. А это, помимо прочего, позволяет экономить деньги на трафике. Подобные приложения платные, но у них есть бесплатный ознакомительный период.
Таким образом, оффлайн-приложения работают везде, даже в глуши, главное – наличие загруженной в памяти карты (поэтому они отлично подходят для поездок по городу или автодорогам общего назначения). Однако они сильно «съедают» внутреннюю память смартфона (из-за большого объема карт) и требуют регулярного обновления картографических данных.
работают только при подключении к интернету. Все их карты, базы данных и т.д. находятся на серверах разработчика, на смартфон устанавливается только программа-интерфейс для работы с ними. Таким образом, карты постоянно подгружаются на смартфон, что требует стабильного интернет-канала. У этих приложений довольно значительный расход мобильного трафика, это нужно учитывать выбирая тарифный план у вашего сотового оператора. Особенно в роуминге.
Главный плюс подобных программ – возможность подгружения карт разных типов (автомобильных, спутниковых, топографических и т.д.). Все обновления данных грузятся автоматически при каждом запуске. Самые популярные – Яндекс.Навигация, Goole Навигатор. Их базовые версии бесплатны. Лучше всего использовать их на внедорожье или для пеших прогулок в крупных городах.
Как правило, пользователи устанавливают на смартфон несколько приложений, например, одно – для онлайн, второе – для оффлайн-навигации. Таким образом, можно использовать наиболее удобную в данный момент программу в зависимости от текущих целей.
Итак, сегодня Вы можете купить и дешёвый смартфон, и приобрести дорогой имиджевый аппарат – в любом случае у вас будет возможность воспользоваться навигацией.
Навигация в смартфонах Highscreen
Среди смартфонов Highscreen, все модели старше 2018-2019 имеют прекрасное сочетание GPS+ГЛОНАСС, что значительно повышает точность маршрута.
Как работает навигация на смартфоне и что такое двухчастотный GPS
Эта статья должна была стать ответом на один из самых распространенных вопросов касательно новых смартфонов Xiaomi с их загадочной поддержкой двойного или двухчастотного (L1+L5) GPS. Но в процессе исследования вместо ясных ответов стали появляться лишь новые вопросы.
Как оказалось, многие производители также устанавливают на свои смартфоны самые современные GPS-приемники, способные в теории определять местоположение пользователя с точностью до 30 сантиметров. Однако эта возможность не только не афишируется, но даже скрывается!
Что же такое двухчастотный (двойной) GPS на смартфонах от Xiaomi и других брендов, почему эти смартфоны работают с точностью обычных смартфонов, как вообще работает GPS и что влияет на точность позиционирования — обо всем этом мы и поговорим дальше.
Как и все наши статьи из серии «Как это работает?», текущий материал будет написан максимально простым языком с рядом упрощений, чтобы даже самый неподготовленный читатель смог разобраться в теме.
Как работает GPS на любом смартфоне?
Прежде, чем обсуждать двухчастотный GPS, давайте поговорим о том, как вообще смартфон определяет свое местоположение.
Естественно, делает он это благодаря сигналу от спутников, летающих в космосе на высоте примерно в 20,000 км от земли. Чтобы лучше осознать, где именно они находятся, посмотрите следующую иллюстрацию:
GPS-модуль в смартфоне — это приемник, не способный передавать сигналы. Другими словами, с помощью GPS-модуля смартфон даже теоретически не может секретно отправлять ваши координаты в Google или другие заинтересованные организации. Делает он это через интернет.
Но каким образом это маленькое устройство может определить, где оно сейчас находится, только принимая радиосигнал?
Давайте рассмотрим простой пример. Представьте, что вам нужно определить координаты человека, зная только одну единственную информацию — он находится в 200 км от радиовышки А:
Это невыполнимая задача! Фактически, человек может быть где угодно в радиусе 200 км от вышки. Да, мы точно знаем, что он не дальше и не ближе, но от этого не легче, ведь количество вариантов очень большое. Мы можем просто начертить круг и наш человек может оказаться в любой точке этой окружности:
Теперь у нас появляется дополнительная информация. Оказывается, человек находится также в 145 км от радиовышки Б. То есть, он может также быть где-угодно в радиусе 145 км от этого места. Но теперь из бесконечного количества вариантов, у нас появляется только два возможных — на пересечении двух окружностей:
Если мы возьмем любую другую точку, кроме этих двух, она не будет отвечать главному требованию — чтобы человек одновременно находился в 200 км от радиовышки А и в 145 км от радиовышки Б.
Что же нам остается сделать, чтобы со 100%-ной точностью указать местоположение? В принципе, ничего! Вспомним, что речь идет о GPS-навигации и вместо радиовышек у нас GPS-спутники в космосе. И теперь задачу можно считать решенной. Дело в том, что только одна из этих двух точек пересечения имеет смысл, так как вторая будет находиться в неправдоподобном месте (высоко в космосе):
Просто мы рассматриваем двухмерный пример и в нем есть только 2 координаты: X (влево-право) и Y (вверх-вниз). Когда мы узнали координаты двух пересечений, у одного из них координата Y (вверх-вниз) оказалась слишком высокой, поэтому с уверенностью выбираем второе пересечение и рисуем на нашей двухмерной карте точную позицию человека.
Но так как мы живем в трехмерном мире, добавляется третья неизвестная координата Z (вперед-назад). Поэтому, нам нужно не два спутника, а уже три. Однако принцип остается тот же, только пересекаться будут 3 сферы, а не 2 круга. В итоге, такое пересечение 3 сфер также приведет нас только к двум точкам, одна из которых будет находиться в космосе.
Расстояние от смартфона до GPS-спутника
Только что мы рассмотрели упрощенную модель того, как смартфон определяет свое местоположение по 3 GPS-спутникам, зная расстояние до каждого из них. Вот только есть одна проблема: откуда смартфон знает расстояние до каждого спутника в любой точке мира? Ведь он лишь принимает сигнал, но откуда ему знать, на каком расстоянии находится тот или иной спутник?
В теории, узнать расстояние от смартфона до спутника — это задачка для детей 5 класса. Помните этот «автомобиль, который выехал из точки А в точку Б и двигался 2 часа…»? Если мы знаем скорость автомобиля и время в пути, тогда просто умножаем одно на другое и получаем расстояние: 100 км/час * 2 часа = 200 км.
В нашем случае, в качестве «автомобиля» выступает электромагнитная волна, излучаемая спутником и «перевозящая» определенную информацию. Точка А — это GPS-спутник, точка Б — смартфон. Скорость волны известна, ведь радиоволны распространяются со скоростью света или
Получается, чтобы «нарисовать» окружности, как в рассмотренных примерах, нужно определить расстояние до нескольких спутников. А для этого мы умножаем скорость света на время, за которое сигнал дошел до смартфона и готово!
Но теперь появляется еще одна проблема — откуда мы можем знать, сколько времени летел сигнал от спутника до смартфона? Мы ведь точно знаем только скорость света, а расстояние и время — нет.
Предположим, что GPS-спутник непосредственно в сам сигнал записывает время, когда он был послан (как известно, с помощью радиоволн можно переносить любую информацию). Теперь принимаем на смартфоне этот сигнал и смотрим текущее время. По идее, оно должно немножко отличаться от закодированного времени. А эта разница и будет временем полета. То есть, если сигнал был отправлен в 12:00:00, а получен в 12:00:05, значит он летел 5 секунд.
И когда, казалось бы, все вопросы решены и осталось подставить числа в уравнение, появляется новая «неразрешимая» проблема — с чего мы взяли, что часы на смартфоне и часы на GPS-спутнике работают синхронно (всегда показывают идентичное время до микросекунд)?
Ведь если часы на смартфоне отстают или спешат от часов на спутнике всего на 1 секунду, тогда с учетом сумасшедшей скорости сигнала, наше местоположение будет определяться с погрешностью в
300 тысяч километров. Другими словами, с такой погрешностью мы можем оказаться либо возле Эйфелевой башни, либо на луне.
Что касается часов GPS-спутника, здесь проблем быть не должно, так как на спутнике используются самые точные в мире атомные часы, да еще и несколько штук сразу! Если быть более конкретным, точность таких часов составляет примерно +/- 1 секунда в 300 миллионов лет.
Минутка занимательной физики или причем здесь Эйнштейн?
Единственная проблема — такие часы идут не совсем «точно» по отношению к нам, людям на земле. Дело в том, что GPS-спутники летят по орбитам земли с огромной скоростью — около 14 тыс. км/час и за сутки облетают землю дважды. Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, время является относительной величиной и оно замедляется при такой скорости. Соответственно, наши суперточные часы «отстают» на 7 микросекунд в сутки по сравнению с тем, как если бы они шли на земле.
Но еще есть и общая теория относительности Эйнштейна, согласно которой, чем слабее гравитация, тем быстрее идет время. А так как спутники находятся достаточно далеко от земли (то есть, гравитация намного слабее), то и время там идет на целых 45 микросекунд быстрее!
Если сложить эти неточности, получится, что атомные часы спешат на 38 микросекунд в сутки. Казалось бы, пустяки! Но с учетом скорости света, при такой неточности накапливалась бы погрешность навигации в +11 километров каждый день!
Решили эту проблему очень просто. Атомные часы на земле настроили так, чтобы они отставали на 38 микросекунд. И когда такие «немножко сломанные» часы отправятся на орбиту и наберут нужную скорость, то снова начнут спешить на те самые 38 микросекунд, исправив отставание.
Нам не нужно синхронизировать часы смартфона по GPS
Решение снова оказалось элементарным — нужно вообще игнорировать синхронизацию и точное время на смартфоне, а вместо этого просто использовать еще один дополнительный спутник.
Чтобы было проще понять, как дополнительный спутник решает эту проблему, вернемся в наш двухмерный пример с двумя спутниками. Для решения проблемы синхронизации часов, добавим третий спутник (его сигнал изображен красным цветом). И теперь посмотрим, как совпали все 3 сигнала в одной точке. Только давайте вместо расстояния запишем время, за которое долетает сигнал (в реальности, конечно же, это время гораздо короче):
Как видим, ничего не изменилось. Все три окружности по-прежнему пересекаются в одной точке, изображенной зеленым цветом. Это и есть наше реальное местоположение, которое должен определить смартфон.
Но что будет, если часы на смартфоне спешат на 1 секунду относительно атомных часов на GPS-спутниках и даже не догадываются об этом? Тогда вместо трех, четырех и двух секунд мы получим 4, 5 и 3 секунды соответственно. В этом случае все круги уже не пересекутся в одной точке (светлым цветом показаны предыдущие правильные расстояния):
Как видим, в красной точке пересеклись только две окружности, а третий сигнал ушел куда-то в сторону. Все из-за того, что время на смартфоне расходится на секунду со временем на спутниках. Соответственно, все 3 расстояния до спутников высчитаны с ошибкой. Такие неточные расстояния называются псевдодальностями.
Просчитав все координаты и пересечения с учетом псевдодальностей, смартфон очень быстро понимает, что здесь что-то не то, так как все условные круги должны были пересекаться в одной точке. Ведь сигнал дошел со всех спутников, соответственно, смартфон находился в их поле зрения.
Значит, проблема с часами — они идут на смартфоне не синхронно со спутниками. Дело осталось за малым — откорректировать время. К примеру, если мы прибавим ко всем измерениям еще по 1 секунде — ошибка лишь усугубится, то есть, третья окружность еще сильнее отдалится от пересечения двух других. Значит, нужно убрать по 1 секунде. Убираем и теперь всё сошлось идеально. Вот теперь смартфон знает точное время на спутниках!
Конечно, смартфон не перебирает миллионы разных значений, подставляя и проверяя каждое из них. Он просто решает 3 уравнения с тремя неизвестными: X и Y (координаты смартфона в двухмерном пространстве), а также t (погрешность часов смартфона). Но если бы спутников было 2, мы бы не смогли определить погрешность часов ни геометрически (рисуя только две окружности, которые бы всегда пересекались), ни математически (пытаясь как-то решить два уравнения с тремя неизвестными).
И опять-таки, не забываем, что мы рассматривали для простоты двухмерный пример. В реальной жизни есть 3 координаты и соответственно нужны сигналы от 3 спутников, а для вычисления рассинхронизации часов смартфона и GPS дополнительно необходимо взять четвертый спутник (и уже легко решить четыре уравнения с четырьмя неизвестными).
Краткий итог
Теперь, точно зная время, за которое долетает GPS-сигнал, мы можем определить расстояние от смартфона до каждого конкретного спутника. Для этого нашему смартфону нужно видеть минимум 4 спутника, иначе он не сможет сделать поправку на время.
Именно по этой причине, количество и расположение спутников по орбитам таково, что в каждый момент времени в любой точке мира будут видны минимум 4 спутника.
Если смартфон получил сигнал с четырех спутников, тогда он легко определяет расстояние до каждого из них и вычисляет свои координаты по принципу, который мы рассмотрели в самом начале. Именно так и работает GPS.
Кое-что осталось «за кадром»
Дабы не перегружать материал, мне пришлось умолчать о многих вещах. Для самых пытливых читателей, я лишь вскользь их упомяну, но без подробных объяснений.
К примеру, как быть с тем фактом, что GPS-спутники не висят на одном месте, а постоянно находятся в движении? Или почему GPS-антенна в смартфоне такая маленькая, но без проблем принимает слабый сигнал от спутника? Ведь для спутникового телевидения мы используем огромные «тарелки», а здесь всего пара сантиметров внутри корпуса?
Дело в том, что радиосигнал от спутников несет определенную информацию. В частности, помимо точного времени отправки сигнала, местоположения конкретного спутника и параметров орбит всех спутников (альманах), также передаются эфемериды.
Это заранее просчитанные координаты движения спутника по своей орбите. Фактически, смартфону не нужно определять, где будет находиться спутник через пол часа или секунду после получения сигнала. Эта информация передается ему в закодированном сообщении, так как она известна заранее. Наземные станции следят за всеми спутниками и постоянно пересчитывают все координаты с учетом различных отклонений и обновляют эту информацию на спутниках.
Ответом на второй вопрос является псевдослучайный код. Но, к сожалению, эта тема для отдельного разговора.
Что такое двухчастотный (L1+L5) GPS?
Теперь мы подошли ко второму вопросу. Летом 2018 года компания Xiaomi с гордостью представила свой флагман Xiaomi Mi 8 с первым в мире двухчастотным GPS-модулем.
Все смартфоны до Xiaomi Mi 8 принимали сигнал от GPS-спутников только на одной частоте (1575 МГц), которая называется L1. Эту частоту поддерживают все до единого спутники: американские GPS, российские ГЛОНАСС, европейские Galileo и др.
Но в отличие от других смартфонов, Xiaomi Mi 8 умел принимать сразу два сигнала на разных частотах от одного и того же спутника.
Вторая частота (1176 МГц) получила название L5. Изначально она предназначалась для применения в ситуациях, от которых зависит жизнь человека, например, в авиации.
Такое одновременное использование двух частот позволяет устранить один из главных источников погрешности при определении координат — запаздывание сигнала, проходящего через ионосферу земли (атмосфера, ионизированная от облучения космическими лучами). Точно определить эту задержку невозможно. Но когда у нас появляется два сигнала разной частоты (а время запаздывания зависит от частоты), тогда определить влияние ионосферы нетрудно, исключив эту погрешность.
Кроме того, частота L5 на 3 дБ мощнее. То есть, этот сигнал мощнее в 2 раза сигнала L1, что упрощает его поиск и отслеживание. Также полоса пропускания частоты L5 в 10 раз шире частоты L1. И главное, этот сигнал менее подвержен искажениям от многолучевости (многочисленных отражений сигнала от зданий и других объектов, вызывающих искажения сигнала).
Все это позволяет действительно очень точно определять свои координаты. Однако по факту этого не происходит и многие пользователи Xiaomi Mi 8/9 на форумах жалуются на очень плохую работу GPS (даже хуже, чем в обычных устройствах).
Для точного позиционирования недостаточно лишь добавить поддержку второй частоты. Огромную роль играет качество самой антенны и, конечно же, программное обеспечение. И на Xiaomi Mi 8 (как и на Android в целом) оно оставляет желать лучшего. По этой ссылке можно почитать подробное исследование на эту тему, правда, текст на английском.
Очевидно, что спутники также должны отправлять сигналы на частоте L5, чтобы смартфоны могли их принимать. Но здесь не все так просто.
Российская система ГЛОНАСС вообще не поддерживает L5 (как и китайская BeiDou) и только планирует начать вещание на этой частоте после 2030 года.
Американская система NavStar (более известная под названием GPS) поддерживает частоту L5 только на 12 спутниках, но для полноценного покрытия всего земного шара их нужно минимум 24. Такое количество планируется запустить к 2021 году.
У европейской Galileo 22 рабочих GPS-спутника и все они поддерживают вещание на частоте L5a.
Японская система QZSS имеет всего 4 спутника, а к 2024 году их количество увеличится до 7 штук. Все они поддерживают L5 сигналы, но их количество ничтожно мало.
Кроме того, обработку двух сигналов должно поддерживать программное обеспечение. А с этим также не все понятно. К примеру, на момент старта продаж Google Pixel 4 на официальной странице продукта была указана поддержка двухчастотного GPS (L1+L5) с пометкой, что эта функция заработает позже с обновлением прошивки.
Более того, популярный флагманский чип Snapdragon 855 уже поставляется с двухчастотным GPS-модулем. То есть, технически все смартфоны, работающие на этом процессоре, поддерживают частоты L1 и L5, но во многих из них данная опция просто заблокирована программным путем.
То же касается и смартфонов от Samsung на платформе Exynos 9825. К примеру, Galaxy Note10 без проблем ловит спутники на частоте L5. Но об этой возможности производитель вообще нигде не упоминает. С флагманами от Huawei на базе Kirin такая же ситуация. Многие из них имеют поддержку двух частот.
Другими словами, полноценная поддержка смартфонами двухчастотного GPS на текущий момент еще не реализована, хотя и рекламируется очень активно некоторыми производителями, вводя в заблуждение многих пользователей.
Как определить, поддерживает ли мой смартфон двухчастотный GPS (L1+L5 частоты)?
Если вам интересно, поддерживает ли ваш смартфон двухчастотный GPS, вы можете самостоятельно это проверить. Для этого установите приложение GPS Test и запустите его:
После запуска приложения смартфон начнет поиск всех GPS-спутников в зоне видимости, отображая частоту сигнала. Если на скриншоте будут частоты L5 или E5a (аналог L5 на европейских спутниках Galileo), значит, ваше устройство поддерживает двухчастотный GPS. Но, как уже было сказано ранее, не спешите радоваться, так как на текущий день такие устройства не показывают точность, на порядок (в десять раз) превышающую точность обычных GPS-модулей.
На момент написания этих строк следующие устройства официально поддерживают двухчастотный GPS и должны отображать в указанном выше приложении частоты L1 и L5:
И последнее. Если вы хотите измерять точность работы GPS своего смартфона и используете для этого приложение GPS Test, как на скриншоте ниже:
Тогда вам следует кое-что знать. Цифра 4 метра на скриншоте говорит лишь о следующем: если нарисовать круг, радиусом 4 метра, тогда ваше местоположение будет находиться где-то внутри этого круга с вероятностью 68%. То есть, существует 32% вероятность, что в действительности точность вашего GPS гораздо ниже. Поэтому, для проверки точности GPS-смартфона эта методика не лучшая.
Алексей, главный редактор Deep-Review (alexeysalo@gmail.com)
P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на первый научно-популярный сайт о мобильных технологиях — Deep-Review, чтобы не пропустить очень интересные материалы, которые мы сейчас готовим!
Как бы вы оценили эту статью?
Нажмите на звездочку для оценки
Внизу страницы есть комментарии.
Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!
Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?