De laatste keer dat u uw telefoon gebruikte om Google Maps uw exacte locatie op een kaart te laten aanwijzen, hebt u zich dan ooit afgevraagd hoe GPS zo nauwkeurig werkt?
Het Global Positioning System (GPS) werd in 1973 gelanceerd door het Amerikaanse ministerie van Defensie (bekend onder de naam NAVSTAR). In 1993 waren er 24 GPS-satellieten die in een baan om de aarde draaiden en baan- en positiegegevens uitzonden die het leger kon gebruiken voor navigatie en andere militaire doeleinden. Op dit moment zijn dat er 28.
In de jaren tachtig werden de gegevens die door GPS-satellieten werden uitgezonden, toegankelijk voor het publiek, waardoor een hele markt ontstond voor het brede assortiment GPS-navigatieapparatuur dat we vandaag de dag kennen.
Op het moment dat dit artikel wordt geschreven, hebben Rusland, China, Europa en India allemaal hun eigen actieve GPS-systeem. Japan ontwikkelt een eigen GPS-systeem dat in 2023 operationeel moet zijn.
Hoe werkt GPS?
De satelliettechnologie waarop GPS is gebaseerd is zeer geavanceerd, maar de manier waarop het systeem werkt is indrukwekkend eenvoudig.
Er zijn drie componenten voor elk individueel GPS-navigatiesysteem.
- Satellieten: GPS-satellieten draaien in een baan om de aarde en zenden hun huidige tijd en baanpositie naar alle GPS-ontvangers aan hun kant van de planeet.
- Commandocentrum: Het commandocentrum zendt baangegevens, tijdcorrecties en de omloopbaanpositie van andere satellieten tot aan de satellieten in een baan om de aarde.
- GPS-ontvangers: Een GPS-ontvanger op aarde ontvangt omlooptijden van zo veel satellieten binnen bereik, en berekent zijn eigen positie op aarde op basis van de posities van ten minste vier GPS-satellieten.
GPS-ontvangers maken gebruik van een wiskundig principe bekend als triangulatie om zijn eigen locatie te berekenen.
Hoe werkt GPS-triangulatie
Van elk punt op de planeet, als u een GPS-ontvanger (zoals die in uw telefoon) vasthoudt, ontvangt een GPS-ontvanger tijdstempels van de gesynchroniseerde klokken op elk van de GPS-satellieten boven u.
Met behulp van de verschillen in tijdstempels, en de constante snelheid van het licht waarmee radiogolven reizen, kan de GPS-ontvanger de afstand bepalen tussen waar u zich bevindt en elke satelliet.
Dit levert de GPS-ontvanger de straal van de bollen op met de satellieten in het middelpunt en uw locatie aan de rand van de bol.
Omdat elke satelliet in een voorspelbare baan om de aarde beweegt, kan de ontvanger een opgeslagen almanak van de huidige bekende positie van alle GPS-satellieten gebruiken om te bepalen waar die satellieten zich op dat moment bij benadering boven de aarde bevinden.
Met de bekende positie van elke satelliet, en de gemeten afstand tussen die satellieten en uw positie, is uw GPS-ontvanger in staat uw geschatte locatie te berekenen door te bepalen waar het snijpunt van die drie bollen op het aardoppervlak samenkomt.
De ontvanger geeft die locatie vervolgens op een kaart aan u weer.
Drie satellieten geven een ruwe locatie, en GPS-ontvangers hebben een vierde signaal nodig van een andere GPS-satelliet om uw huidige hoogte op het aardoppervlak te bepalen met behulp van een ander wiskundig principe dat trilateratie wordt genoemd.
Hoe de GPS-sensor van uw telefoon werkt
De meeste moderne smartphones zijn tegenwoordig uitgerust met een GPS-ontvangerchip. Deze chip kan de radiosignalen van GPS-satellieten ontvangen.
De klok van uw telefoon is geen atoomklok, dus de tijd wordt niet gesynchroniseerd met de atoomklokken van de satellieten in een baan om de aarde. Dit maakt echter niet uit als het gaat om het berekenen van de locatie met behulp van de signalen van die satellieten.
Dit komt omdat de GPS-ontvanger van uw telefoon zich concentreert op de gegevens die hij van de satellieten ontvangt, en op een database met bekende satellietlocaties boven de aarde. Aangezien alle satellieten een atoomklok hebben, is de huidige tijd op elke satelliet op elk moment precies hetzelfde.
Door de afstand tot de satelliet en het feit dat de radiosignalen met de snelheid van het licht reizen, onthullen de verschillen tussen elke ontvangen tijdstempel echter de afstand tussen uw telefoon en elk van de satellieten.
Hier ziet u hoe dit GPS-proces werkt:
- Alle vier de satellieten zenden om 5:12:14 PM exact dezelfde tijdstempel naar uw telefoon.
- Uw telefoon ontvangt die tijdstempel om 5:12:15 van satelliet 1.
- Hij ontvangt de tijdstempel om 5:12:16 van satelliet 2.
- Tot slot, om 5:12:17, ontvangt hij de tijdstempel van satelliet 3.
Dit vertelt uw GPS-ontvanger dat het 1 seconde duurde voordat het radiosignaal van satelliet 1, 2 seconden van satelliet 2, en 3 seconden van satelliet 3 hem bereikte.
De snelheid van het licht is een bekende constante van 299.792.458 meter per seconde.
Met behulp van eenvoudige wiskunde kan de ontvanger berekenen dat zijn afstand ruwweg 300.000 meter van satelliet 1, 600.000 meter van satelliet 2 en 900.000 meter van satelliet 3 is.
Met behulp van een opzoektabel uit een GPS-satellietdatabase weet de GPS-ontvanger van uw telefoon de geschatte huidige locatie boven de aarde van alle drie de satellieten, wat de lengte- en breedtecoördinaten van alle drie oplevert.
Met die informatie kan uw telefoon uw eigen lengte- en breedtecoördinaten op aarde berekenen.
Uitgaande van uw bekende coördinaten kan uw GPS-ontvanger vervolgens de afstand tussen zichzelf en een vierde satelliet gebruiken om te bepalen op welke hoogte boven de aarde u zich bevindt.
Wat is een Assisted Global Positioning System?
Voordat smartphones GPS-schakelingen gingen integreren, gebruikten mensen meestal handheld GPS-ontvangers die op AA-batterijen werkten. Of ze installeerden GPS-toestellen in auto’s, die op de batterij van de telefoon werkten.
Dit was omdat radiocommunicatie meer energie vereist. De beperking hiervan is dat je vaak enkele minuten moest wachten tot je GPS-ontvanger voldoende GPS-satellieten had gevonden om je positie te berekenen.
Smartphonefabrikanten omzeilden deze batterijbeperking door de bestaande technologie van cellulaire triangulatie te combineren. Lang voordat telefoons GPS hadden, konden ze signalen van mobiele-telefoonmasten gebruiken om je positie te trianguleren, met behulp van dezelfde soort triangulatietijdstempel- en afstandstechnologie als bij GPS-satellieten.
Gelukkig genoeg is deze navigatieberekening veel minder nauwkeurig, omdat de zendmasten van mobiele telefoons zich op grondniveau bevinden. De GPS-software van uw smartphone maakt daarom eerst gebruik van triangulatie van het GSM-signaal om uw positie bij benadering te bepalen, en werkt die positie vervolgens bij zodra satelliet-GPS-gegevens beschikbaar zijn.
Dit stelt moderne smartphones in staat om batterijvermogen te sparen door alleen GPS-gegevens te gebruiken wanneer deze locatie-updates vereist zijn. Dit is de reden waarom je vaak ziet uw locatie op Google Maps af en toe springen naar een nieuwe locatie wanneer meer nauwkeurige gegevens beschikbaar zijn.