Как работает GPS без интернета или сотовой связи

Спутники GPS: простое объяснение

Глобальная система позиционирования (GPS) — это созвездие спутников, управляемое Космическими силами США. Вот как она работает на самом фундаментальном уровне:

• 31 спутник вращается вокруг Земли на высоте около 20 200 км, на средней околоземной орбите
• Каждый спутник несёт чрезвычайно точные атомные часы и непрерывно передаёт радиосигнал, который включает идентификатор спутника, его текущее положение на орбите и точную метку времени
• Эти сигналы движутся со скоростью света к поверхности Земли
• GPS-приёмник на земле одновременно принимает сигналы от нескольких спутников
• Измеряя время, которое потребовалось каждому сигналу для прибытия, приёмник вычисляет расстояние до каждого спутника
• Имея расстояния как минимум до 4 спутников, приёмник может вычислить своё точное 3D-положение (широта, долгота, высота) с помощью процесса, называемого трилатерацией

Ключевой момент: весь этот процесс является односторонним. Спутники передают. Ваш приёмник принимает. Ваш приёмник никогда ничего не передаёт обратно спутникам. Спутники не знают о существовании вашего устройства. На любом этапе не задействовано интернет-соединение.

GPS работает одинаково, находитесь ли вы в центре города или на удалённой горе. Спутникам всё равно. Они просто передают.

Почему самому GPS не нужен интернет

GPS по своей сути является пассивной, только принимающей системой для конечных пользователей. Цепочка сигнала от спутников до вашего приёмника включает только радиоволны, проходящие через атмосферу. Никакого сетевого соединения, никаких серверов, никакого тарифа на данные.

Встроенная GPS-навигация в вашем автомобиле работала офлайн десятилетиями. Специализированные туристические GPS-устройства, такие как Garmin eTrex, всегда работали без сотовой связи. Авиационные навигационные системы вычисляют положение без подключения к интернету. Все они используют одни и те же сигналы спутников GPS — интернет не требуется.

Стандарт GPS даже намеренно избегает шифрования или контроля доступа в гражданском диапазоне сигналов (L1, 1575.42 МГц) — он специально разработан так, чтобы его мог принимать любой, у кого есть совместимый приёмник, в любой точке Земли, бесплатно.

Микросхема GPS-приёмника стоит несколько долларов. Она потребляет умеренное количество энергии. И она вычисляет точные координаты положения из ничего, кроме радиоволн из космоса — без подписки, без соединения, без облака.

Что ДЕЙСТВИТЕЛЬНО нуждается в интернете: большинство коммерческих GPS-трекеров

Итак, если сам GPS работает офлайн, почему большинству GPS-трекеров нужен тариф на мобильные данные?

Ответ кроется во второй части проблемы: передача вашего местоположения с трекера на ваш телефон.

GPS сообщает трекеру, где он находится. Но трекер, находящийся в поле, на ошейнике собаки или на дроне, физически отделён от вас. Кто-то должен передать эти GPS-координаты на ваше устройство. Именно в этой передаче большинство производителей вводят зависимость от интернета.

Типичная архитектура сотового GPS-трекера:

1. Микросхема GPS вычисляет координаты (офлайн, интернет не нужен)
2. Встроенная SIM-карта подключается к сотовой сети (требуется тариф на данные)
3. Координаты загружаются на облачный сервер производителя (требуется интернет)
4. Приложение на вашем телефоне запрашивает данные с облачного сервера через интернет (требуется интернет)
5. Приложение отображает местоположение на карте

Шаги 2, 3 и 4 требуют интернет-инфраструктуры. Уберите сотовое покрытие — и вся цепочка разрывается после шага 1. Вот почему сотовые GPS-трекеры не работают в удалённых районах — не потому что GPS перестал работать, а потому что слой передачи данных потерял связь.

Это архитектурный выбор, а не техническая необходимость. Существует другой способ передачи GPS-координат без интернета.

Как LoRa заменяет сотовую связь для передачи координат

Радио LoRa (Long Range) — это альтернативная технология передачи, которая может передавать данные GPS-координат на большие расстояния без какой-либо сотовой инфраструктуры.

LoRa использует нелицензируемые ISM-радиодиапазоны (868 МГц в Европе, 915 МГц в Северной Америке) для передачи небольших пакетов данных — включая GPS-координаты — напрямую с одного устройства на другое. Это точка-точка радио, аналогичная по концепции рации, но с гораздо большей дальностью и гораздо меньшим энергопотреблением.

Радио LoRa, передающее на мощности 14 дБм, может надёжно отправлять пакет GPS-координат на расстояние 15–20 км по открытой местности. Приёмнику не нужно быть подключённым к интернету, сотовой вышке или какой-либо инфраструктуре. Ему просто нужно находиться в радиусе действия.

Именно это и делает Loko. GPS-координаты, вычисленные трекером Loko Air, передаются по LoRa на приёмник Loko Ground в вашей руке — полностью минуя интернет. Слой передачи данных так же офлайновый, как и слой приёма GPS.

Полная офлайн-цепочка: от спутника до экрана

Вот полный путь сигнала в системе Loko — обратите внимание, что каждый этап представляет собой локальное радио без участия интернета: