Amikor utoljára használta a telefonját, hogy a Google Maps pontosan meghatározza a pontos helyzetét a térképen, elgondolkodott-e azon, hogy hogyan működik a GPS ilyen pontosan?
A globális helymeghatározó rendszert (GPS) valójában az Egyesült Államok védelmi minisztériuma indította el 1973-ban (NAVSTAR néven). 1993-ra már 24 GPS műhold keringett a Föld körül, és sugárzott pálya- és helymeghatározási adatokat, amelyeket a hadsereg navigációs és egyéb katonai célokra használhatott. Ma, amikor ezt a cikket írom, 28 van.
Az 1980-as években a GPS műholdak által továbbított adatokat megnyitották a nyilvánosság előtt, ami egy egész piacot nyitott meg a mai GPS navigációs eszközök széles választékának.
A cikk írásakor Oroszország, Kína, Európa és India is rendelkezik saját aktív GPS-rendszerrel. Japán jelenleg fejleszti saját GPS-rendszerét, amely a tervek szerint 2023-ban lesz működőképes.
Hogyan működik a GPS?
Míg a GPS alapjául szolgáló műholdas technológia igen fejlett, a rendszer működése lenyűgözően egyszerű.
Minden egyes GPS-navigációs rendszer három összetevőből áll.
- Műholdak: A GPS műholdak a Föld körül keringenek, és továbbítják az aktuális időt és pályapozíciójukat a bolygó saját oldalán lévő összes GPS-vevőnek.
- Parancsnoki központ: A parancsnoki központ továbbítja a pályaadatokat, az időkorrekciókat és más műholdak pályapozícióját a pályán lévő műholdakig.
- GPS-vevők: A Földön lévő GPS-vevő a hatótávolságon belül lévő minél több műholdtól fogadja a keringési időt, és legalább négy GPS-műhold pozíciója alapján kiszámítja saját földi helyzetét.
A GPS-vevők a saját helyzetének kiszámításához a háromszögelésnek nevezett matematikai elvet használják.
Hogyan működik a GPS-trianguláció
A bolygó bármely pontjáról, ha a kezében van egy GPS-vevő (például a telefonjában), a GPS-vevő időbélyegeket kap a fölötte lévő egyes GPS-műholdak szinkronizált óráitól.
Az időbélyegek közötti különbségeket és a rádióhullámok állandó fénysebességét felhasználva a GPS-vevő meg tudja határozni az Ön és az egyes műholdak közötti távolságot.
A GPS-vevő így megkapja a gömbök sugarát, amelyek középpontjában a műholdak vannak, az Ön helyzete pedig a gömb szélén.
Mivel minden műhold kiszámítható pályán kering a Föld felett, a vevő az összes GPS-műhold aktuális ismert helyzetét tartalmazó, tárolt almanach segítségével meg tudja határozni, hogy ezek a műholdak jelenleg megközelítőleg hol helyezkednek el a Föld felett.
Az egyes műholdak ismert pozíciója, valamint a műholdak és az Ön pozíciója között mért távolság alapján a GPS-vevő képes kiszámítani az Ön hozzávetőleges helyzetét azáltal, hogy meghatározza, hol találkozik e három gömb metszéspontja a Föld felszínén.
A vevő ezután ezt a helyzetet egy térképen megjeleníti Önnek.
Három műhold adja meg a hozzávetőleges helyzetet, és a GPS-vevőknek egy másik GPS-műholdról érkező negyedik jelre van szükségük ahhoz, hogy egy másik matematikai elv, a trilateráció néven ismert elv segítségével meghatározzák az Ön aktuális magasságát a Föld felszínén.
Hogyan működik a telefon GPS-érzékelője
A legtöbb modern okostelefon ma már GPS-vevőchippel van felszerelve. Ez a chip képes fogadni a GPS műholdak rádiójeleit.
A telefon órája nem atomóra, így annak ideje nem szinkronizálódik a pályán keringő műholdak atomóráival. Ez azonban nem számít, amikor a helymeghatározás az említett műholdak jeleinek felhasználásával történik.
Ez azért van, mert a telefon GPS-vevője a műholdaktól kapott adatokra és a Föld feletti ismert műholdhelyzetek adatbázisára összpontosít. Mivel minden műhold rendelkezik atomórával, az aktuális idő minden műholdon minden adott pillanatban pontosan megegyezik.
A műholdaktól való távolság és az a tény azonban, hogy a rádiójelek fénysebességgel terjednek, az egyes fogadott időbélyegek közötti különbségekből kiderül a telefon és az egyes műholdak közötti távolság.
Íme, hogyan működik ez a GPS-folyamat:
- Mind a négy műhold pontosan ugyanazt az időbélyeget küldi a telefonjára 17:12:14-kor.
- A telefonod ezt az időbélyeget 5:12:15-kor kapja az 1. műholdtól.
- A 2. műholdtól 5:12:16-kor kapja az időbélyeget.
- Végül 5:12:17-kor a 3. műholdtól kapja az időbélyeget.
Ez azt mondja a GPS-vevőjének, hogy 1 másodpercbe telt, amíg a rádiójel az 1-es műholdtól, 2 másodpercbe a 2-es műholdtól és 3 másodpercbe a 3-as műholdtól eljutott hozzá.
A fénysebesség ismert állandója 299 792 458 méter másodpercenként.
A vevőkészülék egyszerű matematika segítségével kiszámíthatja, hogy távolsága az 1. műholdtól nagyjából 300 ezer méter, a 2. műholdtól 600 ezer méter, a 3. műholdtól pedig 900 ezer méter.
A telefon GPS-műholdak adatbázisából származó keresőtábla segítségével a telefon GPS-vevője ismeri mindhárom műhold hozzávetőleges aktuális helyzetét a Föld felett, ami mindhárom műhold hosszúsági és szélességi koordinátáját megadja.
Ezzel az információval a telefon képes kiszámítani a saját hosszúsági és szélességi koordinátáit a Földön.
Az ismert koordinátákat felhasználva a GPS-vevő a saját és egy negyedik műhold között mért távolság alapján meg tudja határozni, hogy Ön milyen magasságban van a Föld felett.
Mi a támogatott globális helymeghatározó rendszer?
Amíg az okostelefonokba nem építettek GPS-áramköröket, az emberek általában kézi GPS-vevőket használtak, amelyek AA elemmel működtek. Vagy GPS-egységeket szereltek be az autókba, amelyek a telefon akkumulátorához csatlakoztatva működtek.
Ez azért volt így, mert a rádiós kommunikáció több energiát igényel. Ennek korlátja az volt, hogy gyakran több percet kellett várni arra, hogy a GPS-vevő elég GPS-műholdat “rögzítsen” a helyzetünk kiszámításához.
Az okostelefon-gyártók úgy kerülték meg ezt az akkumulátor-korlátozást, hogy kombinálták a meglévő technológiáját, a cellás háromszögelést. Jóval azelőtt, hogy a telefonok GPS-képesek lettek volna, a mobiltornyokból érkező jeleket használhatták a pozíció háromszögeléséhez, ugyanolyan háromszögelési időbélyeg és távolság technológiát alkalmazva, mint a GPS műholdak esetében.
Sajnos, mivel a mobiltelefontornyok a talaj szintjén vannak, ez a navigációs számítás sokkal kevésbé pontos. Ezért az okostelefon GPS-szoftvere először a mobiljelek háromszögelését használja a hozzávetőleges pozíció meghatározásához, majd frissíti ezt a pozíciót, amint a műholdas GPS-adatok készen állnak.
Ez lehetővé teszi a modern okostelefonok számára, hogy tartalékolják az akkumulátor energiáját azáltal, hogy csak akkor használják a GPS-adatokat, amikor ezekre a helyfrissítésekre van szükség. Ezért fordulhat elő gyakran, hogy a Google Térképen a helyzete időnként új helyre ugrik, amikor pontosabb adatok állnak rendelkezésre.