Как работает система навигации GPS и причем здесь атомные часы

Каждый день миллиарды людей полагаются на GPS навигацию, чтобы найти нужный адрес, определить местоположение, проложить оптимальный маршрут или даже просто отследить посылку. Эта система стала неотъемлемой частью нашей жизни, но многие до сих пор не знают, как именно она работает или имеют неправильное представление о принципе работы спутниковой навигации. Поэтому предлагаем далее разобраться как GPS навигация позволяет нам ориентироваться в пространстве с поразительной точностью и какое отношение к ней имеют атомные часы.

Многие люди даже не представляют по какому принципу работает GPS навигация

Что такое GPS и кто создал эту систему

GPS (Global Positioning System) — это глобальная спутниковая система навигации, созданная Министерством обороны США. Впервые она была разработана в 1970-х годах для военных целей, но уже в 1980-х была частично открыта для гражданского использования, а с 2000 года — полностью доступна всем.
Система GPS состоит из трех ключевых компонентов – это группы спутников, вращающихся вокруг Земли, станций слежения и управления, которые контролируют работу спутников, а также устройств, принимающие GPS-сигналы

Что такое атомные часы

Атомные часы — это самые точные устройства измерения времени, из когда-либо созданных человеком. В их основе лежит постоянство колебаний атомов. Чаще всего используются атомы цезия-133 или рубидия. Правда, у них тоже есть погрешность, причем, как и у обычных часов, она различается. Ранее мы рассказывали, что российские ученые создали самые точные атомные часы в мире.

Как работают атомные часы? Атомы цезия при возбуждении излучают электромагнитные волны со стабильной частотой — 9 192 631 770 колебаний в секунду. Эта частота служит “эталоном” для измерения одной секунды. Поскольку поведение атомов не зависит от внешних условий (температуры, давления и т.д.), такие часы могут ошибаться всего на 1 секунду за миллионы лет.

Каждый спутник оснащен атомными часами. Источник: trends.rbc.ru

На каждом GPS-спутнике стоят именно такие часы. Они обеспечивают идеально синхронизированное время, необходимое для точного позиционирования.

Как спутники определяют местоположение

На орбите Земли постоянно находятся не менее 24 GPS-спутников, которые расположены таким образом, чтобы в любой точке планеты можно было одновременно “видеть” как минимум четыре из них. Каждый спутник в системе GPS непрерывно транслирует точное время отправки сигнала (по атомным часам), а также текущее положение спутника в пространстве.

Когда приемник (например, ваш смартфон) получает этот сигнал, он сравнивает время, когда сигнал был отправлен и время, когда он его получил. Разница между этими двумя значениями позволяет определить время в пути сигнала и расстояние до каждого спутника. Этот процесс называется триангуляцией. Получив расстояния до четырех спутников, устройство может точно определить ваше местоположение — с точностью до нескольких метров, а иногда и сантиметров.

Таким образом, GPS невозможен без сверхточного времени. Только представьте, что если ошибка в измерении времени составляет всего 1 микросекунду (1 миллионная доля секунды) — это уже приведет к погрешности в 300 метров. Поэтому атомные часы и синхронизация между спутниками — критически важны.

Для работы GPS-навигации требуется минимум четыре спутника. Источник: cartetika.ru

Зачем для навигации требуется минимум четыре спутника

Наши смартфоны и навигаторы не имеют атомных часов, но как же в таком случае обеспечивается точность вычислений. Именно по этой причине требуются минимум четыре спутника. Дело в том, что первый спутник дает местоположение на сфере, второй сужает его до круга, третий — до двух точек. Четвертый спутник помогает выбрать одну из этих точек и синхронизирует внутренние часы приемника.

Обязательно посетите наши каналы Дзен и Telegram, здесь вас ждут самые интересные новости из мира науки и последние открытия!

Таким образом, минимум четыре спутника — это обязательное условие для корректного позиционирования. Подводя итоги, можно сказать, что благодаря объединению спутников, точных часов и сложных вычислений, мы можем с легкостью ориентироваться в любом уголке планеты. Современная навигация невозможна без этой системы, и в будущем ее роль будет только расти — особенно в сочетании с другими навигационными системами, такими как ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou.