Одним из самых интересных приемов мышления является инверсия — перевернуть систему наоборот.
История GPS в вашем смартфоне началась в октябре 1957 года, когда СССР запустил первый искусственный спутник Земли. Двое ученых просто из любопытства слушали радиосигнал спутника и заметили, что частота сигнала менялась по мере того, как спутник пролетал над ними. Это был эффект Доплера. Им в голову пришла идея: зная точное расположение наземной станции, можно по доплеровскому сдвигу частоты вычислить орбиту спутника. А их руководитель задал обратный вопрос: «А если мы знаем орбиту спутника точно — можно ли по сигналу определить положение наземного наблюдателя?» Это был отличный вопрос.
На основе этой идеи ВМФ США создал систему TRANSIT — первую в мире спутниковую навигационную систему. Шесть спутников вращались по известной траектории и передавали сигналы на известной частоте. До приемника же доходил сигнал несколько другой частоты (спасибо тебе, учитель математики начальных классов Кристиан Доплер). По смещению частот сигналов от нескольких спутников высчитывалось местоположение.
Система работала, но имела два серьезных ограничения: во-первых, нужно ждать пролета спутника — а это происходило раз в 40–90 минут. А во-вторых, точность системы была невысока — около 200 метров. TRANSIT использовался в основном для подводных лодок с ядерными ракетами — им не нужна была скорость обновления, но нужна была точность перед пуском.
А в 1973 году началась война Судного дня и стала очевидна острая нужда армии в точной навигации в любых условиях. Министерство обороны США решило создать единую универсальную систему, которая бы заменила несколько разрозненных военных навигационных проектов.
Количество спутников на орбите было решено увеличить с 6 до 24 спутников на шести орбитальных плоскостях — чтобы в любой точке Земли всегда были видны хотя бы четыре спутника. Вторая важнейшая идея: вместо доплеровского сдвига — измерять время прохождения сигнала (псевдодальность). Спутник непрерывно передает сигнал с точной меткой времени. По разнице во времени между отправленным и полученным сигналом можно вычислить расстоянию до спутника. Три спутника дают точку в пространстве (триангуляция). Четвертый спутник нужен для коррекции ошибки часов приемника.
Но ошибка часов в одну микросекунду дает ошибку в 300 метров. Поэтому каждый спутник GPS несет несколько цезиевых и рубидиевых атомных часов с точностью до наносекунды, а релятивистские поправки вшиты прямо в алгоритм — без Эйнштейна GPS лажал бы на километры.
Добавлю, что была еще одна сложность с позиционированием спутников в пространстве. Спутники крутятся, Земля вращается, Солнце и галактики тоже не стоят на месте. Но тут на помощь пришло открытие квазаров, которые находятся невероятно далеко от нас и является источником исключительно мощного излучения — иногда в сотни раз превышающего суммарную мощность всех звезд нашей галактики. Спутники используют квазары, как неподвижные космические маяки и позиционируются по ним. Спасибо тебе, астрономия.
Система GPS работала только для военных. Но в 1983 году произошла трагедия — Советского Союза расстрелял над Сахалином сбившийся с пути корейский гражданский «Боинг-747» (никогда же такого не было, правда). И тогда президент США Рейган разрешить использование системы навигации для гражданских целей во всем мире. Бесплатно. Во избежание военного применения системы ее точность была уменьшена специальным алгоритмом — плюс-минус 100 метров. А в 2000 году Клинтон отменил ухудшение точности и точность гражданских навигаторов мгновенно улучшилась до 3–10 метров.
Даже трудно себе представить, какое количество великих открытий нужно было совершить, какое количество сложнейших технологий нужно было разработать, чтобы вы не пропустили нужный вам поворот.
