Kun viimeksi käytit puhelintasi saadaksesi Google Mapsin määrittämään tarkan sijaintisi kartalla, pysähdyitkö koskaan miettimään, miten GPS toimii niin tarkasti?
Globaalin paikannusjärjestelmän (Global Positioning System, GPS) lanseerasi itse asiassa Yhdysvaltain puolustusministeriö vuonna 1973 (tunnetaan nimellä NAVSTAR). Vuoteen 1993 mennessä oli 24 GPS-satelliittia kiertämässä maapalloa ja lähettämässä kiertorata- ja sijaintitietoja, joita armeija saattoi käyttää navigointiin ja muihin sotilaallisiin tarkoituksiin. Nykyään, tätä kirjoitettaessa, niitä on 28.
1980-luvulla GPS-satelliittien lähettämät tiedot avattiin yleisölle, mikä avasi kokonaiset markkinat nykyisille GPS-navigointilaitteiden laajalle valikoimalle.
Tätä artikkelia kirjoitettaessa Venäjällä, Kiinassa, Euroopassa ja Intiassa on omat aktiiviset GPS-järjestelmänsä. Japani on kehittämässä omaa GPS-järjestelmäänsä, jonka on määrä olla toiminnassa vuonna 2023.
Miten GPS toimii?
Vaikka GPS:n perustana oleva satelliittiteknologia on hyvin kehittynyttä, järjestelmän toimintatapa on vaikuttavan yksinkertainen.
Kussakin yksittäisessä GPS-navigointijärjestelmässä on kolme komponenttia.
- Satelliitit: GPS-satelliitit kiertävät maapalloa ja lähettävät senhetkisen aikansa ja kiertoradan sijaintinsa kaikille GPS-vastaanottimille omalla puolellaan planeettaa.
- Komentokeskus: Komentokeskus lähettää kiertoratatiedot, aikakorjaukset ja muiden satelliittien kiertoradan sijainnin kiertoradalla oleviin satelliitteihin asti.
- GPS-vastaanottimet: Maassa oleva GPS-vastaanotin vastaanottaa kiertoaikoja niin monelta satelliitilta kuin sen kantaman sisällä on, ja laskee oman sijaintinsa maapallolla vähintään neljän GPS-satelliitin sijainnin perusteella.
GPS-vastaanottimet käyttävät matemaattista periaatetta, joka tunnetaan nimellä kolmiomittaus (triangulaatio), oman sijaintinsa laskemiseen.
Miten GPS-triangulaatio toimii
Missä tahansa pisteessä maapallolla, jos kädessäsi on GPS-vastaanotin (kuten puhelimessasi oleva GPS-vastaanotin), GPS-vastaanotin vastaanottaa aikaleimoja kunkin yläpuolella olevan GPS-satelliitin synkronoiduista kelloista.
Käyttämällä aikaleimojen eroja ja valon tasaista valon nopeutta, jolla radioaallot etenevät, GPS-vastaanotin pystyy määrittämään etäisyyden siitä, missä seisot, kuhunkin satelliittiin.
Siten GPS-vastaanotin saa selville pallon säteen, jossa satelliitit ovat keskellä ja sinun sijaintisi pallon reunalla.
Koska kukin satelliitti kulkee ennustettavalla kiertoradalla maapallon yläpuolella, vastaanotin voi käyttää tallennettua almanakkaa kaikkien GPS-satelliittien tämänhetkisistä tunnetuista sijainneista määrittääkseen suunnilleen, missä nämä satelliitit tällä hetkellä sijaitsevat maapallon yllä.
Kunkin satelliitin tunnetun sijainnin ja näiden satelliittien ja sinun sijaintisi välisen mitatun etäisyyden avulla GPS-vastaanottimesi pystyy laskemaan likimääräisen sijaintisi määrittämällä, missä näiden kolmen pallon leikkauspiste yhtyy maapallon pinnalla.
Vastaanotin näyttää sitten tämän sijainnin sinulle kartalla.
Kolme satelliittia antaa karkean sijainnin, ja GPS-vastaanottimet tarvitsevat neljännen signaalin toiselta GPS-satelliitilta määrittääkseen nykyisen korkeutesi Maan pinnalla käyttämällä toista matemaattista periaatetta, jota kutsutaan trilateroinniksi.
Miten puhelimesi GPS-anturi toimii
Nykyaikaisimmissa nykyisissä älypuhelimissa on nykyään GPS-vastaanottimen siru. Tämä siru voi vastaanottaa GPS-satelliittien radiosignaaleja.
Puhelimesi kello ei ole atomikello, joten sen aikaa ei synkronoida kiertoradalla olevien satelliittien atomikellojen kanssa. Tällä ei kuitenkaan ole merkitystä, kun sijaintia lasketaan näiden satelliittien signaalien avulla.
Tämä johtuu siitä, että puhelimesi GPS-vastaanotin keskittyy satelliiteilta saamiinsa tietoihin ja tietokantaan, joka sisältää tunnetut satelliittien sijainnit maapallon yllä. Koska kaikissa satelliiteissa on atomikello, kunkin satelliitin nykyinen kellonaika on joka hetki täsmälleen sama.
Mutta koska etäisyys satelliitista on suuri ja koska radiosignaalit kulkevat valon nopeudella, kunkin vastaanotetun aikaleiman väliset erot paljastavat puhelimesi ja kunkin satelliitin välisen etäisyyden.
Näin tämä GPS-prosessi toimii:
- Kaikki neljä satelliittia lähettävät puhelimeesi täsmälleen saman aikaleiman klo 17:12:14.
- Puhelimesi vastaanottaa tämän aikaleiman kello 17:12:15 satelliitilta 1.
- Se vastaanottaa aikaleiman kello 17:12:16 satelliitilta 2.
- Viimeiseksi, kello 17:12:17, se vastaanottaa aikaleiman satelliitilta 3.
Tämä kertoo GPS-vastaanottimellesi, että radiosignaalin saapuminen satelliitista 1 kesti 1 sekunnin, satelliitista 2 2 sekuntia ja satelliitista 3 3 sekuntia.
Valonnopeus on tunnettu vakio, joka on 299,792,458 metriä sekunnissa.
Vastaanotin voi yksinkertaisen matematiikan avulla laskea, että sen etäisyys satelliitista 1 on noin 300 tuhatta metriä, satelliitista 2 noin 600 tuhatta metriä ja satelliitista 3 noin 900 tuhatta metriä.
Puhelimesi GPS-satelliittitietokannasta löytyvän hakutaulukon avulla puhelimesi GPS-vastaanotin tietää likimääräisen tämänhetkisen sijainnin maapallon yläpuolella kaikista kolmesta satelliitista, mikä antaa kaikkien kolmen satelliitin pituus- ja leveyspiirin koordinaatit.
Tämän tiedon avulla puhelimesi pystyy laskemaan omat pituus- ja leveyspiirisi koordinaatit maapallolla.
Tietämiesi koordinaattien avulla GPS-vastaanottimesi voi sitten käyttää itsensä ja neljännen satelliitin välillä mitattua etäisyyttä määrittääkseen, millä korkeudella olet maapallon yläpuolella.
Mikä on avustettu GPS-paikannusjärjestelmä?
Ennen kuin älypuhelimet alkoivat integroida GPS-piirejä laitteisiinsa, ihmiset käyttivät tavallisesti kädessä pidettäviä, AA-paristoja tarvitsevia käsikopiolaitteita. Tai he asensivat autoihin GPS-laitteita, jotka toimivat kytkettynä puhelimen akkuun.
Tämä johtui siitä, että radioviestintä vaatii enemmän virtaa. Tämän rajoituksena oli se, että usein piti odottaa useita minuutteja, että GPS-vastaanotin ”lukittautui” riittävän suureen määrään GPS-satelliitteja sijaintisi laskemiseksi.
Älypuhelinvalmistajat kiersivät tämän akkujen aiheuttaman rajoituksen yhdistämällä olemassa olevan tekniikkansa, solukolmiomittauksen. Kauan ennen kuin puhelimissa oli GPS-toiminto, ne pystyivät käyttämään matkapuhelinmastoista tulevia signaaleja sijaintisi kolmiomittaamiseen käyttäen samantyyppistä kolmiomittauksen aikaleima- ja etäisyystekniikkaa kuin GPS-satelliitit.
Koska matkapuhelinmastot ovat maanpinnan tasolla, tämä navigointilaskenta on valitettavasti paljon epätarkempi. Älypuhelimen GPS-ohjelmisto käyttää siis ensin matkapuhelinsignaalin kolmiomittausta likimääräisen sijaintisi määrittämiseksi ja päivittää sitten sijainnin, kun satelliitti-GPS-tiedot ovat valmiina.
Tämän ansiosta nykyaikaiset älypuhelimet voivat varata akkuvirtaa käyttämällä GPS-tietoja vain silloin, kun näitä sijainnin päivityksiä tarvitaan. Tämän vuoksi saatat usein nähdä sijaintisi Google Mapsissa hyppäävän välillä uuteen sijaintiin, kun tarkempia tietoja on saatavilla.