Стоит ли бегуну полагаться на GPS?

Большинство из нас знают, что GPS — это такая «штука в телефоне», которая помогает найти себя на карте. Многие слышали, что в её работе как-то задействованы спутники. В то же время эти три буквы хорошо знакомы каждому, кто работает над своими беговыми достижениями. Мы привыкли доверять гаджетам отслеживание маршрута или ждать команды увеличить скорость во время интервальной тренировки. Но GPS, как любой инструмент, имеет не только сильные, но и слабые стороны, которые стоит учитывать.

Немного истории

С начала проектирования система NAVSTAR GPS задумывалась исключительно как военный проект, финансируемый министерством обороны США. Однако трагический случай с потерявшим ориентацию корейским самолетом, сбитым в 1983 году над Курилами за незаконное пересечение границы, и сознательность президента США Рональда Рейгана дали возможность ограниченного использования системы гражданскими службами. Ограничение заключалось в преднамеренном огрублении данных для гражданских приёмников. От этой практики было решено окончательно отказаться только в 2007 году.

Бесперебойной работы и повсеместной доступности системы добились только в 1993 году, спустя двадцать лет со дня запуска первого спутника.

Интересно, что косвенным вдохновителем идеи спутниковой навигации оказался первый искусственный спутник земли, запущенный СССР. Американские учёные заметили, что частота его сигнала заметно менялась при приближении или удалении от точки приёма.

Немного фактов

Для полной работоспособности системе достаточно 24 спутника. Это количество является минимальным для стабильного определения координат на всей поверхности Земли, за исключением приполярных областей. Однако на случай выхода из строя части спутников должен быть запас. Сейчас орбитальная группировка состоит из 31 функционирующего спутника.

Самый старший из действующих спутников летом отметил 21 год. Самому новому на днях исполнится полгода на орбите. Всего же было запущено 64 спутника. Из них два не добрались до орбиты, а один так и не был введён в эксплуатацию из-за проблем с передатчиком.

Спутники движутся по круговым орбитам на высоте около 20 000 километров над Землёй. За сутки каждый спутник должен успеть сделать два оборота со скоростью 14 000 км/ч (темп — 0,26 секунд на километр). Если бы на таком аппарате можно было летать, то дорога от Москвы до Питера составила бы всего три минуты.

Положение самих спутников определяется и прогнозируется несколькими станциями слежения. Главная контрольная станция находится на базе ВВС США в штате Колорадо, остальные в основном распределены по тропическим островам.

Мощность передатчика на спутнике около 50 Ватт. Это в шесть раз слабее сигнала станции сотовой связи, а ведь мобильным телефонам часто и этой мощности мало — каждый может назвать несколько мест, где телефон перестаёт ловить.

Скорость распространения радиосигнала равна скорости света, то есть 300 000 км/с. Это значит, что сигнал достигает поверхности Земли за 0,07 секунды.

Немного теории

В то время как мы надеемся, что телефон нападёт на наш след, нарисует на карте точную линию и посчитает подвиг с точностью до метра, гаджету приходится работать с довольно слабыми сигналами от нескольких спутников, мчащихся с первой космической скоростью на расстоянии в 20 000 км над Землёй. Даже если сбросить со счетов ионизированные слои атмосферы, отражения от зданий и другие помехи — получается негусто.

Довольно иронично и то, что навигационный спутник не может самостоятельно определить собственные координаты. При этом он должен непрерывно отправлять что-то в эфир, помогая не заблудиться нам. Данные, которые он шлёт, на самом деле являются всего лишь предположением о том, где спутник будет находиться в это время. На языке учёных эта информация называется эфемеридами.

Что же делает навигатор с данными, полученными с таким трудом? Метод, которым пользуются приёмники для определения координат, называется трилатерацией. Заключается он в вычислении неизвестных координат на основании расстояний до нескольких объектов, координаты которых известны.

Представим на минуту, что мы — GPS-приёмник.

После вычисления расстояния до первого спутника мы все ещё не знаем, с какой стороны от него находимся. Из всех возможных точек, в которых мы можем находиться, получится сфера со спутником в центре.

Теперь узнаем расстояние до второго спутника и представим похожую сферу. Так как оба расстояния отсчитываются от нас, то точка с нашими координатами должна лежать одновременно на обеих сферах. Пересечением двух сфер является окружность (на рисунке слева).

Вычислив пересечение получившейся окружности с третьей сферой получим две точки, с одинаковой широтой и долготой.

Кораблям на море и этого хватит, но после пробежки по холмам информация о подъёмах очень интересна. С этим поможет уже четвёртый спутник (на рисунке справа).

Немного пессимизма

Мешать уверенному приёму сигнала от спутника может множество факторов. Густая листва или магнитные бури, отражения от зданий или влажность воздуха, глушители сигналов возле правительственных зданий. Всё это влияет на величину погрешности.

В среднем координаты определяются с точностью до 10-15 метров. Это значит, что точка, координаты которой вычислил ваш гаджет, находится где-то в радиусе десяти метров от вас. И если сейчас точка была слева, то при следующем измерении она может оказаться справа, впереди или отстать. Для программы, следящей за пробежкой, рассчитанный маршрут выглядит так, будто мы бежали зигзагами, уворачиваясь от пуль. Это немного увеличивает итоговый километраж.

Второй момент — повороты. Телефон вычисляет координаты с некоторой периодичностью, раз в несколько секунд, а получившиеся точки просто соединяет. Из-за этого маршрут с большим количеством поворотов будет выглядеть так, будто вы срезаете по газонам или поворачиваете по слишком большому радиусу. Так что если захотите нарисовать треком на газоне смайлик — сбавьте скорость и не скупитесь на размер :)

Немного оптимизма

Но не всё так плохо с высокими технологиями. Во-первых, во время пробежки по набережной любому может выпасть шанс хотя бы виртуально пробежаться по воде. Во-вторых, технологии не стоят на месте. На помощь GPS приходит отечественный аналог ГЛОНАСС. К концу 2011 года эта система обновила парк спутников и восстановила полное покрытие поверхности планеты. Сейчас многие производители электронных компонентов включают её поддержку в навигационные чипы.

Так, например, довольно популярный у бегунов iPhone 4s уже обладал поддержкой этой системы. Кстати, согласно исследованиям компании STMicroelectronics, использование спутников одновременно обеих систем позволяет не только повысить точность данных, но и сэкономить заряд аккумулятора, в некоторых случаях больше, чем на 20%.

Самый точный способ измерения дистанции — это, конечно, специально оборудованный велосипед, преследующий вас, наступая на пятки. Если такого нет под рукой, можно воспользоваться следующими рекомендациями:

Не прячьте телефон от спутников. Чехол на предплечье, либо наружный карман ветровки подойдут.

Держитесь открытой местности. В городе подземные переходы, конечно, неизбежны. Зато можно держаться подальше от стен высоких зданий — это немного увеличит поле для поиска спутников.

Калибруйте программы. Суть этой процедуры в вычислении коэффициента погрешности. Если программа насчитала, что вы пробежали 10.5 км, а их было всего 10, то после калибровки программа учтёт ошибку, и с каждого километра будет вычитать 50 метров.

Не расслабляйтесь. GPS, как правило, обманывает в большую сторону. Во время тренировки это приятно, но на забеге может сыграть злую шутку. Для ускорения перед финишем лучше ориентироваться на метки организаторов. Доверившись сигналам из космоса, можно не рассчитать силы и ускориться раньше времени.

Не бойтесь пробежать лишнего. Бег не наказание, а удовольствие. Лишние 100 метров по навигатору воспринимайте как десерт :)

Фото: Nicola since 1972, nasa.gov, gnss.be, Barry Lenard