A última vez que você usou seu telefone para que o Google Maps identificasse sua localização exata em um mapa, você já parou e se perguntou como o GPS funciona com tanta precisão?
O sistema de Posicionamento Global (GPS) foi lançado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos em 1973 (conhecido como NAVSTAR). Em 1993, havia 24 satélites GPS orbitando a Terra e transmitindo dados orbitais e posicionais que os militares poderiam usar para fins de navegação e outros fins militares. Hoje, a partir desta escrita, existem 28.
Nos anos 80, os dados transmitidos pelos satélites GPS foram abertos ao público, o que abriu todo um mercado para a vasta gama de aparelhos de navegação GPS que temos hoje.
Como da redação deste artigo, Rússia, China, Europa e Índia têm todos os seus próprios sistemas GPS ativos. O Japão está desenvolvendo seu próprio sistema GPS previsto para estar operacional em 2023.
Como funciona o GPS?
Embora a tecnologia de satélite em que o GPS se baseia seja muito avançada, a forma como o sistema opera é impressionantemente simples.
Existem três componentes para qualquer sistema de navegação GPS individual.
- Satélites: Os satélites GPS orbitam a Terra e transmitem a sua hora actual e posição orbital a todos os receptores GPS no seu lado do planeta.
- Centro de Comando: O centro de comando transmite dados orbitais, correcções de tempo e a posição orbital de outros satélites até aos satélites em órbita.
- Receptores GPS: Um receptor GPS na Terra recebe tempos orbitais de tantos satélites dentro do alcance, e calcula a sua própria posição na Terra com base nas posições de pelo menos quatro satélites GPS.
Receptores GPS utilizam um princípio matemático conhecido como triangulação para calcular a sua própria localização.
Como funciona a triangulação GPS
De qualquer ponto do planeta, se você estiver segurando um receptor GPS (como o do seu telefone), um receptor GPS recebe carimbos de tempo dos relógios sincronizados em cada um dos satélites GPS aéreos.
Usando as diferenças nos carimbos de tempo, e a velocidade constante da luz em que as ondas de rádio viajam, o receptor GPS pode determinar a distância entre onde você está em pé para cada satélite.
>
Esta fornece ao receptor GPS o raio das esferas com os satélites no centro, e a sua localização na borda da esfera.
Desde que cada satélite viaje numa órbita previsível sobre a Terra, o receptor pode usar um almanaque armazenado da posição actual conhecida de todos os satélites GPS para determinar onde, aproximadamente, esses satélites estão actualmente localizados sobre a Terra.
Com a posição conhecida de cada satélite, e a distância medida entre esses satélites e a sua posição, a sua recepção de GPS é capaz de calcular a sua localização aproximada, determinando onde a intersecção dessas três esferas se encontra na superfície da Terra.
O receptor então mostra-lhe essa localização num mapa.
Três satélites fornecem uma localização aproximada, e os receptores GPS requerem um quarto sinal de outro satélite GPS para determinar sua altitude atual na superfície da Terra usando outro princípio matemático conhecido como trilateração.
Como funciona o sensor GPS do seu telefone
Os smartphones mais modernos de hoje vêm equipados com um chip receptor GPS. Este chip pode receber os sinais de rádio dos satélites GPS.
O relógio do seu telefone não é um relógio atómico, por isso o seu tempo não está sincronizado com os relógios atómicos dos satélites em órbita. No entanto, isto não importa quando se trata de calcular a localização utilizando sinais daqueles satélites.
Isto porque o receptor GPS do seu telefone está focado nos dados que recebe dos satélites, e numa base de dados de localização conhecida dos satélites sobre a Terra. Como todos os satélites têm um relógio atómico, a hora actual em cada satélite é exactamente a mesma em qualquer momento.
No entanto, devido à distância do satélite e ao facto dos sinais de rádio viajarem à velocidade da luz, as diferenças entre cada carimbo de tempo recebido revelam a distância entre o seu telefone e cada um dos satélites.
Aqui está como funciona este processo de GPS:
- Todos os quatro satélites transmitem o mesmo carimbo de tempo exacto para o seu telefone às 17:12:14 PM.
- O seu telefone recebe o carimbo da hora às 5:12:15 do satélite 1.
- Recebe o carimbo da hora às 5:12:16 do satélite 2.
- Finalmente, às 5:12:17, recebe o carimbo da hora do satélite 3.
Diz ao seu receptor GPS que levou 1 segundo para o sinal de rádio chegar do satélite 1, 2 segundos do satélite 2, e 3 segundos do satélite 3.
A velocidade da luz é uma constante conhecida de 299.792.458 metros por segundo.
Usando matemática simples, o receptor pode calcular que sua distância é de aproximadamente 300 mil metros do satélite 1, 600 mil metros do satélite 2, e 900 mil metros do satélite 3.
Usando uma tabela de busca a partir de uma base de dados de satélite GPS, o receptor GPS do seu telefone sabe a localização atual aproximada sobre a terra dos três satélites, o que fornece as coordenadas de longitude e latitude dos três.
Com essa informação, o seu telefone é capaz de calcular as suas próprias coordenadas de longitude e latitude na Terra.
Usando as suas coordenadas conhecidas, o seu receptor GPS pode então usar a distância medida entre si e um quarto satélite para determinar a altitude acima da Terra em que está localizado.
O que é um Sistema de Posicionamento Global Assistido?
Antes de os smartphones começarem a integrar circuitos GPS, as pessoas tipicamente usariam receptores GPS portáteis que ficassem sem baterias AA. Ou instalavam unidades GPS nos carros, que funcionavam conectados à bateria do telefone.
Isso era porque a comunicação via rádio requer mais energia. A limitação disto é que muitas vezes você tinha que esperar vários minutos para que seu receptor GPS “travasse” satélites GPS suficientes para calcular sua posição.
Fabricantes de smartphones contornaram esta limitação de bateria ao combinar sua tecnologia existente de triangulação celular. Muito antes dos telefones estarem habilitados para GPS, eles podiam usar sinais provenientes de torres de telefones celulares para triangular a sua posição, usando o mesmo tipo de tecnologia de triangulação de tempo e distância que os satélites de GPS.
Felizmente, como as torres de telemóveis estão ao nível do solo, este cálculo de navegação é muito menos preciso. Portanto, o software GPS do seu smartphone usará primeiro a triangulação do sinal do celular para determinar sua posição aproximada e, em seguida, atualizará essa posição quando os dados de GPS via satélite estiverem prontos.
Isso permite que os smartphones modernos reservem a energia da bateria apenas usando os dados de GPS quando essas atualizações de localização forem necessárias. É por isso que você pode frequentemente ver sua localização no Google Maps ocasionalmente pular para um novo local quando dados mais precisos estão disponíveis.