Ultima dată când v-ați folosit telefonul pentru ca Google Maps să vă indice locația exactă pe o hartă, v-ați oprit vreodată și v-ați întrebat cum funcționează GPS-ul cu atâta precizie?
Sistemul Global Positioning System (GPS) a fost lansat de fapt de către Departamentul de Apărare al SUA în 1973 (cunoscut sub numele de NAVSTAR). Până în 1993, existau 24 de sateliți GPS care orbitau în jurul Pământului și transmiteau date orbitale și de poziționare pe care armata le putea folosi pentru navigație și în alte scopuri militare. Astăzi, în momentul scrierii acestui articol, există 28.
În anii 1980, datele transmise de sateliții GPS au fost deschise publicului, ceea ce a deschis o întreagă piață pentru sortimentul larg de dispozitive de navigație GPS pe care îl avem astăzi.
În momentul redactării acestui articol, Rusia, China, Europa și India dispun toate de propriile sisteme GPS active. Japonia își dezvoltă propriul sistem GPS, programat să fie operațional în 2023.
Cum funcționează GPS?
În timp ce tehnologia prin satelit pe care se bazează GPS este foarte avansată, modul în care funcționează sistemul este impresionant de simplu.
Există trei componente pentru orice sistem individual de navigație GPS.
- Sateliți: Sateliții GPS orbitează în jurul Pământului și transmit ora curentă și poziția lor orbitală tuturor receptoarelor GPS de pe partea lor de planetă.
- Centrul de comandă: Centrul de comandă transmite date orbitale, corecții de timp și poziția orbitală a altor sateliți până la sateliții de pe orbită.
- Receptoare GPS: Un receptor GPS de pe Pământ primește timpii orbitali de la cât mai mulți sateliți aflați în raza de acțiune și își calculează propria poziție pe Pământ pe baza pozițiilor a cel puțin patru sateliți GPS.
Receptoarele GPS utilizează un principiu matematic cunoscut sub numele de triangulație pentru a-și calcula propria locație.
Cum funcționează triangulația GPS
Din orice punct de pe planetă, dacă aveți în mână un receptor GPS (cum ar fi cel din telefon), un receptor GPS primește marcaje de timp de la ceasurile sincronizate de pe fiecare dintre sateliții GPS de deasupra capului.
Utilizând diferențele dintre marcajele de timp și viteza constantă a luminii cu care se deplasează undele radio, receptorul GPS poate determina distanța dintre locul în care vă aflați și fiecare satelit.
Aceasta oferă receptorului GPS raza sferelor cu sateliții în centru, iar locația dvs. la marginea sferei.
Din moment ce fiecare satelit se deplasează pe o orbită previzibilă deasupra Pământului, receptorul poate folosi un almanah stocat cu poziția curentă cunoscută a tuturor sateliților GPS pentru a determina unde, aproximativ, se află în prezent acești sateliți deasupra Pământului.
Cu ajutorul poziției cunoscute a fiecărui satelit și a distanței măsurate între acești sateliți și poziția dumneavoastră, receptorul GPS este capabil să calculeze locația dumneavoastră aproximativă prin determinarea locului unde se întâlnesc intersecția celor trei sfere pe suprafața Pământului.
Receptorul vă afișează apoi această locație pe o hartă.
Trei sateliți oferă o locație aproximativă, iar receptoarele GPS au nevoie de un al patrulea semnal de la un alt satelit GPS pentru a determina altitudinea dvs. curentă pe suprafața Pământului, folosind un alt principiu matematic cunoscut sub numele de trilaterare.
Cum funcționează senzorul GPS al telefonului dvs.
Majoritatea smartphone-urilor moderne din ziua de azi sunt echipate cu un cip receptor GPS. Acest cip poate recepționa semnalele radio de la sateliții GPS.
Ceasul telefonului dumneavoastră nu este un ceas atomic, așa că ora sa nu este sincronizată cu ceasurile atomice ale sateliților de pe orbită. Cu toate acestea, acest lucru nu contează atunci când vine vorba de calcularea locației folosind semnalele de la acei sateliți.
Aceasta se datorează faptului că receptorul GPS al telefonului dumneavoastră se concentrează pe datele pe care le primește de la sateliți și pe o bază de date cu locațiile cunoscute ale sateliților deasupra Pământului. Deoarece toți sateliții au un ceas atomic, ora curentă de pe fiecare satelit este exact aceeași în orice moment.
Dar, din cauza distanței față de satelit și a faptului că semnalele radio se deplasează cu viteza luminii, diferențele dintre fiecare marcaj de timp primit dezvăluie distanța dintre telefonul dumneavoastră și fiecare dintre sateliți.
Iată cum funcționează acest proces GPS:
- Toți cei patru sateliți transmit același timestamp exact către telefonul dumneavoastră la ora 17:12:14.
- Telefonul dvs. primește acel timestamp la 5:12:15 de la satelitul 1.
- El primește timestamp-ul la 5:12:16 de la satelitul 2.
- În cele din urmă, la 5:12:17, primește timestamp-ul de la satelitul 3.
Acest lucru îi spune receptorului GPS că a fost nevoie de 1 secundă pentru ca semnalul radio să ajungă la el de la satelitul 1, 2 secunde de la satelitul 2 și 3 secunde de la satelitul 3.
Viteza luminii este o constantă cunoscută de 299,792,458 metri pe secundă.
Utilizând o matematică simplă, receptorul poate calcula că distanța sa este de aproximativ 300 de mii de metri de la satelitul 1, 600 de mii de metri de la satelitul 2 și 900 de mii de metri de la satelitul 3.
Utilizând un tabel de căutare dintr-o bază de date de sateliți GPS, receptorul GPS al telefonului dvs. cunoaște locația curentă aproximativă deasupra pământului a tuturor celor trei sateliți, care furnizează coordonatele de longitudine și latitudine ale tuturor celor trei.
Cu aceste informații, telefonul dumneavoastră este capabil să vă calculeze propriile coordonate de longitudine și latitudine pe Pământ.
Utilizând coordonatele cunoscute, receptorul GPS poate folosi apoi distanța măsurată între el și un al patrulea satelit pentru a determina la ce altitudine deasupra Pământului vă aflați.
Ce este un sistem asistat de poziționare globală?
Înainte ca telefoanele inteligente să înceapă să integreze circuite GPS, oamenii foloseau de obicei receptoare GPS portabile care funcționau cu baterii AA. Sau instalau unități GPS în mașini, care funcționau conectate la bateria telefonului.
Acest lucru se datora faptului că comunicațiile radio necesită mai multă energie. Limitarea acestui lucru este că deseori trebuia să așteptați câteva minute pentru ca receptorul GPS să se „fixeze” pe suficienți sateliți GPS pentru a vă calcula poziția.
Producătorii de smartphone-uri au ocolit această limitare a bateriei prin combinarea tehnologiei sale existente de triangulație celulară. Cu mult înainte ca telefoanele să fie compatibile cu GPS, acestea puteau folosi semnalele provenite de la turnurile de telefonie mobilă pentru a vă triangula poziția, folosind același tip de tehnologie de triangulație a timpului și a distanței ca și în cazul sateliților GPS.
Din păcate, deoarece turnurile de telefonie mobilă se află la nivelul solului, acest calcul de navigație este mult mai puțin precis. Astfel, software-ul GPS al smartphone-ului dvs. va utiliza mai întâi triangulația semnalului celular pentru a determina poziția dvs. aproximativă, iar apoi va actualiza această poziție odată ce datele GPS prin satelit sunt gata.
Acest lucru permite smartphone-urilor moderne să rezerve energia bateriei prin utilizarea datelor GPS numai atunci când sunt necesare aceste actualizări ale locației. Acesta este motivul pentru care este posibil să vedeți adesea cum locația dvs. pe Google Maps sare ocazional la o nouă locație atunci când sunt disponibile date mai precise.
>.