Как телефон понимает, где ты находишься: объясняем, как работает GPS

GPS — это спутниковая навигационная система. Она работает благодаря трём элементам: спутникам на орбите, наземным станциям контроля и устройствам, которые принимают сигнал, — например, смартфонам и навигаторам.

Вокруг Земли находится 31 спутник GPS. Они движутся по орбите на высоте 20 200 км и постоянно передают радиосигналы. В каждом сигнале есть данные о времени отправки и положении спутника.

Телефон принимает сигналы сразу от нескольких спутников и сравнивает время отправки и получения. Так он понимает, сколько сигнал шёл до устройства, и вычисляет расстояние до каждого спутника.

Чтобы определить координаты, телефон должен очень точно измерить время прохождения сигнала. Радиоволны движутся со скоростью света, поэтому даже небольшая ошибка в расчётах может привести к большой погрешности.

Поэтому на спутниках установлены атомные часы — самые точные из существующих: их погрешность не превышает нескольких миллиардных долей секунды. Точность критична: если часы спутника и приёмника разойдутся всего на 0,01 секунды, ошибка в расчёте расстояния составит около 3000 км — сигнал идёт со скоростью света, и любая неточность во времени сразу превращается в неточность расстояния. Наземные станции регулярно проверяют работу часов и передают спутникам поправки.

Телефон получает сигналы от нескольких спутников и рассчитывает расстояние до каждого из них. Затем система ищет точку, которая подходит под все полученные измерения. Этот способ называется трилатерацией. В отличие от триангуляции, где положение объекта определяют по углам, GPS работает с расстояниями.

Для точного определения координат обычно нужны минимум четыре спутника. Дело в часах: у спутников они атомные и сверхточные, а у телефона — обычные и куда менее надёжные. Из-за этой разницы сигналов от трёх спутников недостаточно — расчёт получается неоднозначным. Четвёртый спутник даёт системе дополнительное уравнение, которое позволяет вычислить и скорректировать погрешность часов самого телефона.

GPS и мобильный интернет решают разные задачи. Спутники помогают телефону определить координаты, а интернет нужен приложениям — например, чтобы загрузить карту, найти пробки или построить маршрут.

Но без интернета некоторые функции могут работать хуже: например, карта не загрузится, а первый поиск спутников может занять больше времени.

Сам GPS не зависит от мобильной сети. Телефон принимает радиосигналы от спутников и рассчитывает координаты самостоятельно.

Интернет помогает ускорить этот процесс. Например, технология A-GPS использует данные мобильных сетей и других источников, чтобы быстрее понять, какие спутники искать. Благодаря этому первое определение местоположения происходит быстрее.

Если телефон долго не использовал GPS или находится в новом месте, поиск спутников может занять больше времени. Это называют холодным стартом.

Спутниковый сигнал рассчитан на открытое пространство, поэтому внутри зданий GPS часто работает хуже. Стены, перекрытия и металлические конструкции ослабляют сигнал, а рядом с высотками он может отражаться от зданий и приходить к телефону несколькими путями. Из-за этого устройство получает менее точные данные и может показывать местоположение с ошибкой.

Чтобы улучшить результат, смартфон использует дополнительные источники информации: данные Wi-Fi-сетей, мобильных вышек и встроенных датчиков. Wi-Fi помогает определить примерное положение по базам известных точек доступа, а мобильные сети дают более грубую оценку — например, по ближайшей вышке связи.

Даже на открытом пространстве GPS не определяет координаты идеально. На точность влияют несколько факторов.

Сигнал проходит через атмосферу, а её состояние может немного изменять скорость распространения радиоволн. Кроме того, важно расположение спутников: если телефон видит их только в одном участке неба, расчёт будет менее точным.

Современный смартфон обычно использует не только GPS. Он может одновременно получать данные от нескольких спутниковых систем, а также учитывать информацию от других датчиков и сетей. Чем больше источников данных доступно телефону, тем устойчивее работает навигация — особенно в городе, где часть спутников может быть закрыта зданиями.

ГЛОНАСС: замена GPS или дополнение

ГЛОНАСС — российская спутниковая навигационная система. Как и GPS, она состоит из спутников на орбите и наземной инфраструктуры, а принцип работы основан на измерении времени прохождения радиосигнала.

На практике смартфоны обычно используют сразу несколько навигационных систем. Это помогает увеличить количество доступных спутников и повысить точность расчёта. Поэтому вопрос «что точнее — GPS или ГЛОНАСС» не всегда имеет однозначный ответ. В реальной жизни важнее не название системы, а качество сигнала, количество видимых спутников и условия вокруг.

Как датчики помогают телефону ориентироваться

GPS — не единственный источник информации о положении телефона. Внутри смартфона есть датчики, которые помогают отслеживать движение.

Акселерометр измеряет ускорение, гироскоп определяет изменение положения устройства, а другие сенсоры помогают оценивать движение и направление. Например, если телефон временно теряет связь со спутниками, эти данные позволяют приложению лучше понять, что происходит: человек продолжает идти, остановился или изменил направление.

Когда на телефоне включена геолокация, может показаться, что устройство постоянно передаёт кому-то информацию о твоём местоположении. Но сама работа GPS устроена иначе. Спутники только отправляют сигналы, а телефон их принимает. Они не знают, кто использует GPS и где находится устройство.

Данные о местоположении появляются у приложений только тогда, когда у них есть доступ к геолокации.

Например, карты используют координаты, чтобы построить маршрут, сервисы доставки — чтобы определить адрес, а приложения такси — чтобы найти водителя и пассажира.

Какие программы могут получать данные о местоположении, зависит от разрешений в настройках телефона. Обычно можно выбрать несколько вариантов: разрешить доступ всегда, только во время использования приложения или запретить его полностью.

Отключать GPS полностью не всегда удобно: без него хуже работают карты, навигация и другие сервисы. Гораздо полезнее проверить, какие приложения имеют доступ к местоположению, и оставить разрешения только тем, которым они действительно нужны.

GPS работает проще, чем кажется: спутники передают сигналы, телефон измеряет время их прохождения и рассчитывает свои координаты.

При этом современная геолокация — это не только спутники. Смартфон объединяет данные GPS, других навигационных систем, Wi-Fi, мобильных сетей и датчиков, чтобы точнее определить, где ты находишься.