В тази публикация в блога ще разгледаме как работи GPS, как изчислява местоположението ни и как GPS сателитите предоставят информация за местоположението навсякъде по Земята.
GPS е технология, с която сме много добре запознати в ежедневието си, независимо дали става въпрос за полицията, която проследява местоположението на заподозрян, или за използването на навигация за смартфон. Ето сцена от романа на Дан Браун „Шифърът на Леонардо“. Софи и Лангдън се крият в тоалетна. Софи решава да помогне на Лангдън да избяга; тя вади проследяващото устройство от левия джоб на палтото му, поставя го в сапун и го хвърля към преминаващ ремарке. Полицията погрешно смята, че Лангдън се е качил на ремаркето и го преследва напразно, което позволява на Лангдън и Софи да избягат безопасно от музея Лувър. Как полицията е успяла да проследи местоположението на Лангдън, използвайки проследяващото устройство? Принципът зад него се крие в GPS.
GPS (Глобална система за позициониране) е сателитна навигационна система, която изчислява местоположението на потребителя, използвайки сигнали, предавани от спътници.
Може ли дадено местоположение да бъде определено само с помощта на един спътник? За съжаление, не. Това е така, защото информацията за разстоянието, предоставена само от един спътник, съответства на безброй възможни местоположения на точно това разстояние. С увеличаването на броя на спътниците, припокриващите се местоположения се стесняват от област до линия, а след това до една точка.
За да разберем оптималния брой спътници, първо трябва да разберем концепцията за размерите. Размерите се определят от броя посоки, в които даден обект може да се движи независимо. Това е така, защото знанието колко далеч и в каква посока се е преместил даден обект от дадена референтна точка ни позволява да определим неговата позиция.
В едно измерение позицията на обекта може да се определи просто като се знае колко се е преместил напред или назад. В две измерения е необходима информация в две посоки – напред/назад и наляво/надясно. А какво да кажем за триизмерното пространство? Необходими са и трите посоки – напред/назад, наляво/надясно и нагоре/надолу. Тъй като пространството, което обитаваме, е триизмерно, за да се изчисли позицията, е необходима информация относно всичките три посоки.
Следователно, за да се изчисли точната позиция в триизмерното пространство, са необходими четири спътника, тъй като е необходима информация относно референтната точка, както и посоките напред-назад, ляво-дясно и нагоре-надолу. Използвайки обаче факта, че потребителят е на земната повърхност, самата Земя може да служи като референтна равнина, което означава, че на теория позицията може да се изчисли само с помощта на три спътника. Реалните GPS системи обаче използват общо четири спътникови сигнала. Допълнителният спътник се използва за коригиране на времеви грешки, които възникват по време на предаването и приемането на сигнали; той помага за определяне на по-точна позиция чрез изчисляване на времето, необходимо на светлината да пътува.
Сега нека разгледаме как се изчислява информацията за разстоянието, получена от спътниците. В този раздел ще видите защо питагоровата теорема и тригонометричните функции, които научихте в час по математика в прогимназията, са важни.
Триангулацията е метод за изчисляване на координатите и разстоянието на дадена точка, използвайки свойствата на триъгълниците. Ако са дадени две референтни точки, ако измерите ъглите, образувани от основата и другите две страни на триъгълника, образуван от неизвестното местоположение и двете референтни точки, и знаете дължините на страните, можете да изчислите координатите и разстоянието, използвайки синусовата теорема и други формули.
Например, да предположим, че измерваме разстоянието от плажа до кораб в открито море. Наблюдател измерва ъгли α и β от две фиксирани точки, съответно A и B. Ако е дадено разстоянието l между A и B или ако координатите на двете точки са известни, координатите на кораба в точка C могат да бъдат изчислени, използвайки свойствата на подобните триъгълници и синусовата теорема, а разстоянието d от плажа до кораба също може да бъде определено. GPS работи на същия принцип.
Той изчислява местоположението на обект на Земята, като комбинира позициите на спътниците с информацията за разстоянието, измерено от тях.
В момента GPS системата се състои от приблизително 31 оперативни спътника; от тях обикновено 24 или повече формират основната оперативна система, докато останалите служат като резервни копия или осигуряват подобрения в производителността. Тези спътници обикалят около Земята по множество орбитални равнини и са проектирани така, че да могат да се наблюдават едновременно множество GPS спътници от всяка точка на света. Това осигурява стабилен сигнал от поне четири спътника, предоставяйки по-точна информация за местоположението. GPS спътниците се захранват от слънчеви панели.
Отделете малко време, за да погледнете към нощното небе. Ако видите особено ярка, движеща се точка, това може да е GPS сателит, който изчислява местоположението ви.
