Ostatnim razem, gdy korzystałeś z telefonu, aby Mapy Google wskazały Twoją dokładną lokalizację na mapie, czy kiedykolwiek zatrzymałeś się i zastanawiałeś się, w jaki sposób system GPS działa tak dokładnie?
System Global Positioning System (GPS) został faktycznie uruchomiony przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych w 1973 roku (znany jako NAVSTAR). Do 1993 r. istniały 24 satelity GPS krążące wokół Ziemi i transmitujące dane orbitalne i pozycyjne, które wojsko mogło wykorzystać do celów nawigacyjnych i innych celów wojskowych. Dziś, w momencie pisania tego tekstu, jest ich 28.
W latach 80. dane przekazywane z satelitów GPS zostały udostępnione publicznie, co otworzyło cały rynek dla szerokiego asortymentu urządzeń nawigacyjnych GPS, które mamy dzisiaj.
Od momentu pisania tego artykułu, Rosja, Chiny, Europa i Indie mają własne aktywne systemy GPS. Japonia opracowuje swój własny system GPS, który ma być operacyjny w 2023 r.
Jak działa system GPS?
Pomimo że technologia satelitarna, na której opiera się system GPS, jest bardzo zaawansowana, sposób działania systemu jest imponująco prosty.
Istnieją trzy elementy każdego indywidualnego systemu nawigacyjnego GPS.
- Satelity: Satelity GPS orbitują wokół Ziemi i przekazują swój aktualny czas i pozycję orbitalną do wszystkich odbiorników GPS po swojej stronie planety.
- Centrum dowodzenia: Centrum dowodzenia przekazuje dane orbitalne, poprawki czasowe oraz pozycję orbitalną innych satelitów aż do satelitów na orbicie.
- Odbiorniki GPS: Odbiornik GPS na Ziemi odbiera czasy orbitalne od tylu satelitów w zasięgu i oblicza własną pozycję na Ziemi na podstawie pozycji co najmniej czterech satelitów GPS.
Odbiorniki GPS wykorzystują zasadę matematyczną znaną jako triangulacja do obliczania własnej lokalizacji.
Jak działa triangulacja GPS
Z dowolnego punktu na planecie, jeśli trzymasz odbiornik GPS (taki jak w twoim telefonie), odbiornik GPS odbiera znaczniki czasu ze zsynchronizowanych zegarów każdego z satelitów GPS nad głową.
Używając różnic w znacznikach czasu i stałej prędkości światła, z jaką poruszają się fale radiowe, odbiornik GPS może określić odległość między miejscem, w którym stoisz, a każdym satelitą.
Daje to odbiornikowi GPS promień kuli z satelitami w centrum i Twoją lokalizację na krawędzi kuli.
Ponieważ każdy satelita podróżuje po przewidywalnej orbicie nad Ziemią, odbiornik może użyć przechowywanego almanachu aktualnej znanej pozycji wszystkich satelitów GPS, aby określić, gdzie, w przybliżeniu, te satelity znajdują się obecnie nad Ziemią.
Mając znaną pozycję każdego satelity oraz zmierzoną odległość między tymi satelitami a Twoją pozycją, Twój odbiornik GPS jest w stanie obliczyć Twoją przybliżoną lokalizację poprzez określenie miejsca przecięcia tych trzech sfer na powierzchni Ziemi.
Odbiornik następnie wyświetla tę lokalizację na mapie.
Trzy satelity zapewniają przybliżoną lokalizację, a odbiorniki GPS wymagają czwartego sygnału z innego satelity GPS w celu określenia bieżącej wysokości na powierzchni Ziemi przy użyciu innej zasady matematycznej znanej jako trilateracja.
Jak działa czujnik GPS twojego telefonu
Większość nowoczesnych smartfonów jest dziś wyposażona w układ odbiornika GPS. Ten chip może odbierać sygnały radiowe z satelitów GPS.
Zegar Twojego telefonu nie jest zegarem atomowym, więc jego czas nie jest zsynchronizowany z zegarami atomowymi satelitów na orbicie. Nie ma to jednak znaczenia, jeśli chodzi o obliczanie lokalizacji przy użyciu sygnałów z tych satelitów.
Wynika to z faktu, że odbiornik GPS telefonu koncentruje się na danych otrzymywanych z satelitów oraz na bazie danych znanych lokalizacji satelitów na Ziemi. Ponieważ wszystkie satelity mają zegar atomowy, aktualny czas na każdym satelicie jest dokładnie taki sam w danym momencie.
Jednakże, ze względu na odległość od satelity oraz fakt, że sygnały radiowe podróżują z prędkością światła, różnice pomiędzy każdym otrzymanym znacznikiem czasu ujawniają odległość pomiędzy telefonem a każdym z satelitów.
Oto jak działa ten proces GPS:
- Wszystkie cztery satelity przekazują ten sam dokładny znacznik czasu do Twojego telefonu o 5:12:14 PM.
- Twój telefon otrzymuje ten znacznik czasu o 5:12:15 od satelity 1.
- Otrzymuje znacznik czasu o 5:12:16 od satelity 2.
- W końcu, o 5:12:17, otrzymuje znacznik czasu od satelity 3.
To mówi twojemu odbiornikowi GPS, że zajęło 1 sekundę, aby sygnał radiowy dotarł do niego z satelity 1, 2 sekundy z satelity 2 i 3 sekundy z satelity 3.
Prędkość światła jest znaną stałą 299,792,458 metrów na sekundę.
Używając prostej matematyki, odbiornik może obliczyć, że jego odległość wynosi w przybliżeniu 300 tysięcy metrów od satelity 1, 600 tysięcy metrów od satelity 2 i 900 tysięcy metrów od satelity 3.
Używając tabeli odnośników z satelitarnej bazy danych GPS, odbiornik GPS telefonu zna przybliżone bieżące położenie nad Ziemią wszystkich trzech satelitów, co zapewnia współrzędne długości i szerokości geograficznej wszystkich trzech.
Dzięki tym informacjom telefon jest w stanie obliczyć własne współrzędne długości i szerokości geograficznej na Ziemi.
Używając znanych współrzędnych, odbiornik GPS może następnie użyć odległości zmierzonej między sobą a czwartym satelitą w celu określenia wysokości nad Ziemią, na której się znajdujesz.
Czym jest wspomagany globalny system pozycjonowania?
Zanim smartfony zaczęły integrować obwody GPS, ludzie zazwyczaj używali ręcznych odbiorników GPS, które działały na baterie AA. Lub będą one zainstalować jednostki GPS w samochodach, który prowadził podłączony do baterii telefonu.
To było, ponieważ komunikacja radiowa wymaga więcej mocy. Ograniczenie to jest to, że często trzeba było czekać kilka minut na odbiornik GPS do „zablokowania na” wystarczająco dużo satelitów GPS do obliczenia pozycji.
Smartphone producenci dostali wokół tego ograniczenia baterii, łącząc swoją istniejącą technologię triangulacji komórkowej. Na długo przed telefony były GPS włączone, mogli używać sygnałów pochodzących z wież komórkowych do triangulacji pozycji, przy użyciu tego samego rodzaju triangulacji znacznika czasu i odległości technologii, jak z satelitów GPS.
Niestety, ponieważ wieże telefonii komórkowej są na poziomie gruntu, to obliczenie nawigacyjne jest znacznie mniej dokładne. Więc smartphone GPS oprogramowanie będzie najpierw użyć triangulacji sygnału komórkowego do określenia przybliżonej pozycji, a następnie zaktualizować tę pozycję, gdy dane satelitarne GPS jest gotowy.
To pozwala nowoczesne smartfony do rezerwy energii baterii tylko przy użyciu danych GPS, gdy te aktualizacje lokalizacji są wymagane. To dlatego często można zobaczyć swoją lokalizację na Mapach Google od czasu do czasu przeskoczyć do nowej lokalizacji, gdy bardziej dokładne dane są dostępne.
.