Глобальная система позиционирования (GPS). Измерение времени и расстояний

Радиоволны распространяются со скоростью света, равной примерно 300 000 км/с. Приемник GPS измеряет расстояние до спутника через определение времени прохождения сигнала от спутника с последующим умножением времени на скорость света. Уравнение известно любому школьнику:

скорость х время = расстояние.

Если вы знаете, что автомобиль движется с определенной постоянной скоростью, то легко можете вычислить расстояние между двумя пунктами, измерив время поездки из одного пункта в другой. Например, скорость автомобиля составляет 100 км/ч, а поездка занимает 30 минут, значит, расстояние между пунктами равно 50 км.

Но как измерить время прохождения радиосигнала? Рассмотрим следующую аналогию, в которой место радиоволн занимают звуковые волны. Все мы знаем о запаздывании звука, о том, что между моментом события, происшедшего где-то в отдалении, и моментом прихода его "звукового сопровождения" проходит какое-то время. Например, определенный промежуток времени разделяет вспышку молнии и звук разряда (гром). Кто-то из нас даже определяет расстояние до грозы, подсчитывая секунды между молнией и громом и умножая их на скорость звука. Скорость звука - примерно 330 м/с, и, значит, при запаздывании звука на 3 секунды расстояние до вспышки молнии составляет около 1 км.

Мы можем произвести этот расчет, поскольку точно знаем, когда нужно начинать отсчет времени. Момент вспышки и момент зрительного ее восприятия практически совпадают.

Теперь представьте, что вместо молнии мы имеем дело с началом воспроизведения на мощной музыкальной системе закольцованной пленки с записью. Воспроизведение начнется ровно в полдень. Система установлена так, что вы сможете услышать запись, но какое именно расстояние вас разделяет, не знаете. Если ваши часы точно синхронизированы с часами напарника по проводимому опыту, вы оба сможете одновременно начать воспроизведение одной и той же записи. В итоге вы услышите запаздывание звука, исходящего от удаленной системы относительно звука из вашего собственного аппарата. Теперь вы сможете в любой момент определить время запаздывания, приостановив воспроизведение до момента, когда оба звуковых ряда сольются в один. Далее время запаздывания вставляется в известную нам формулу для расчета расстояния до удаленного аппарата.

Этот же принцип используется в приемниках GPS. Только вместо музыки спутник передает так называемый псевдослучайный код, последовательность кодированных чисел. Приемник, часы которого точно синхронизированы с часами спутника, оценивает синхронизацию последовательности, вычисляет время запаздывания и умножает его на скорость света с получением расстояния.