Как работает точность GPS

Спутники, часы и трилатерация

GPS — это группировка примерно из 31 спутника (к ней добавились европейская Galileo, российская ГЛОНАСС и китайская BeiDou, а также региональные системы — индийская NavIC и японская QZSS; современные телефоны используют то, что удаётся поймать), которая летает на высоте около 20 200 км в шести орбитальных плоскостях, наклонённых на 55° к экватору, делая полный оборот вокруг Земли за 11 часов 58 минут. Каждый спутник передаёт предельно точную метку времени со своих бортовых атомных часов — часов, которые без поправок Эйнштейна были бы бесполезны: из-за более слабой гравитации и орбитальной скорости они каждые сутки спешат примерно на 38 микросекунд, а без коррекции эта ошибка ежедневно накапливалась бы в километры отклонения позиции. Телефон измеряет, сколько шёл каждый сигнал; умножьте на скорость света — и получите расстояние до спутника. Одно расстояние помещает вас на сферу, два — на окружность, три — в одну из двух точек, а четвёртый спутник определяет и саму точку, и ошибку собственных часов приёмника. Вот почему для определения позиции нужно минимум четыре спутника и почему первое определение после долгого пребывания в помещении занимает дольше всего: приёмник ещё скачивает данные об орбитах каждого спутника.

Откуда берётся погрешность

Каждый метр погрешности — это ошибка времени в наносекундах. Сигнал непредсказуемо замедляется, проходя ионосферу и тропосферу (2–5 м погрешности), часы и орбиты спутников слегка уходят (±2 м), а главная беда в городе — сигнал отражается от стекла и бетона, прежде чем дойти до вас. Из-за этой многолучевости телефон засекает время отражённого луча вместо прямого, поэтому в городском каньоне точность падает до 30–50 м, тогда как в открытом поле она составляет 3 м. Кроны деревьев, ваше собственное тело и даже низко опущенный телефон добавляют то же самое, только в меньшем масштабе.

Высота измеряется так же, но её погрешность примерно в 1,5–3 раза больше горизонтальной: все спутники находятся над вами — снизу решение ничем не ограничено. Поэтому наш инструмент высоты показывает рядом со значением GPS ещё и высоту по модели рельефа.

Что на самом деле означает круг точности

Круг вокруг точки — это статистика, а не граница: обычно его рисуют так, чтобы истинная позиция попадала внутрь примерно в 68 % случаев. Круг радиусом 20 м не означает, что вы ошиблись на 20 м, — он означает, что собственная оценка погрешности приёмника, выведенная из качества сигнала и геометрии спутников, равна 20 м. Геометрия важна не меньше уровня сигнала: если видимые спутники сбились в одной части неба (это называют высоким геометрическим фактором), небольшие ошибки времени превращаются в большие ошибки позиции — так же криво пересекаются две почти параллельные прямые.

Телефоны хитрят — в хорошем смысле

Позиция телефона редко бывает чисто спутниковой. Assisted GPS (A-GPS) скачивает орбиты спутников через сеть, чтобы приёмник пропустил долгий поиск по небу; определение по Wi-Fi сравнивает соседние точки доступа с картами, собранными пользователями (в помещении даёт ~15–40 м); сотовые вышки мгновенно дают грубую оценку в 100 м–3 км. Операционная система сводит всё это вместе с показаниями акселерометра, гироскопа и магнитометра — поэтому точка иногда перескакивает на новое место: алгоритм объединения передумал, какому источнику доверять. Когда вы проверяете своё местоположение на этом сайте, браузер отдаёт нам то, что получилось у системы, — и мы честно показываем заявленную ею точность, а не делаем вид, что она выше.

Новейшая хитрость — второй частотный диапазон. Современные телефоны — большинство флагманов на Android начиная примерно с 2018 года, iPhone начиная с модели 15 — принимают современный сигнал L5 в дополнение к исходному L1. Сравнение двух частот позволяет приёмнику измерять задержку в ионосфере вместо того, чтобы её моделировать, а более резкая и сильная структура сигнала L5 устойчива к многолучевости — поэтому телефон с двумя частотами способен удерживать точность 1–2 м в городском каньоне, где раньше получалось только 20. Большая часть группировки уже передаёт L5 (сигнал выходит на полную официальную мощность по мере вывода из эксплуатации последних спутников, запущенных до 2010 года), а выделенные приёмники L5 приближаются к точности ~30 см.

Как получить позицию точнее

Что делать, по убыванию пользы: выйдите под открытое небо (даже пара шагов от стены здания даёт больше, чем всё остальное); дайте позиции 30–60 секунд устояться, а не читайте первую же оценку; отключите энергосберегающие режимы геолокации — они незаметно переключают телефон на грубые источники; а при долгих записях, например в нашем GPS-спидометре, держите экран включённым и не закрывайте телефон: многие модели ограничивают работу GPS в заблокированном состоянии. Если два устройства расходятся, верьте тому, у которого круг точности меньше, — и помните, что оба могут быть правы в пределах заявленной погрешности. Чтобы точно передать место независимо от шума GPS, используйте форматы координат со страницы GPS-координат: Plus Code или MGRS-код не плывут.