Sist du använde din telefon för att låta Google Maps peka ut din exakta position på en karta, stannade du då upp och undrade hur GPS fungerar så exakt?
Global Positioning System (GPS) lanserades faktiskt av det amerikanska försvarsdepartementet 1973 (känt som NAVSTAR). År 1993 fanns det 24 GPS-satelliter som kretsade runt jorden och sände ut ban- och positionsdata som militären kunde använda för navigering och andra militära ändamål. I dag, när detta skrivs, finns det 28.
På 1980-talet öppnades data som sändes från GPS-satelliterna för allmänheten, vilket öppnade upp en hel marknad för det breda sortiment av GPS-navigeringsapparater som vi har i dag.
När denna artikel skrivs har Ryssland, Kina, Europa och Indien alla sina egna aktiva GPS-system. Japan håller på att utveckla ett eget GPS-system som beräknas vara i drift 2023.
Hur fungerar GPS?
Samtidigt som den satellitteknik som GPS bygger på är mycket avancerad, är det sätt på vilket systemet fungerar imponerande enkelt.
Det finns tre komponenter i varje enskilt GPS-navigationssystem.
- Satelliter: GPS-satelliter: GPS-satelliterna kretsar runt jorden och sänder sin aktuella tid och sin position i omloppsbana till alla GPS-mottagare på sin sida av planeten.
- Kommandocentral: Kommandocentralen sänder banuppgifter, tidskorrigeringar och andra satelliters banposition upp till satelliterna i omloppsbana.
- GPS-mottagare: GPS-mottagare: GPS-mottagare: GPS-mottagaren är en av de satelliter som är i omloppsbana på alla satelliter på jorden: En GPS-mottagare på jorden tar emot bantider från så många satelliter som möjligt inom räckhåll och beräknar sin egen position på jorden utifrån positionerna för minst fyra GPS-satelliter.
GPS-mottagare använder en matematisk princip som kallas triangulering för att beräkna sin egen position.
Hur fungerar GPS-triangulering
Från vilken punkt som helst på planeten, om du håller i en GPS-mottagare (som den i din telefon), tar en GPS-mottagare emot tidsstämplar från de synkroniserade klockorna på var och en av de GPS-satelliter som befinner sig ovanför dig.
Med hjälp av skillnaderna mellan tidsstämplarna och den konstanta ljushastighet med vilken radiovågor färdas kan GPS-mottagaren bestämma avståndet mellan den plats där du befinner dig och varje satellit.
Detta ger GPS-mottagaren radien för sfärerna med satelliterna i centrum och din position i kanten av sfären.
Då varje satellit färdas i en förutsägbar bana över jorden kan mottagaren använda en lagrad almanacka med den aktuella kända positionen för alla GPS-satelliter för att bestämma var, ungefär, dessa satelliter för närvarande befinner sig över jorden.
Med den kända positionen för varje satellit och det uppmätta avståndet mellan dessa satelliter och din position kan GPS-mottagaren beräkna din ungefärliga position genom att bestämma var skärningspunkten mellan dessa tre sfärer möts på jordens yta.
Mottagaren visar sedan denna position för dig på en karta.
Tre satelliter ger en ungefärlig position, och GPS-mottagare behöver en fjärde signal från en annan GPS-satellit för att bestämma din aktuella höjd på jordytan med hjälp av en annan matematisk princip som kallas trilateration.
Hur telefonens GPS-sensor fungerar
De flesta moderna smarttelefoner är idag utrustade med ett GPS-mottagarchip. Detta chip kan ta emot radiosignaler från GPS-satelliter.
Din telefons klocka är inte en atomklocka, så dess tid är inte synkroniserad med atomklockorna hos satelliterna i omloppsbana. Detta spelar dock ingen roll när det gäller att beräkna platsen med hjälp av signalerna från dessa satelliter.
Detta beror på att telefonens GPS-mottagare fokuserar på de data som den tar emot från satelliterna och en databas med kända satellitplatser över jorden. Eftersom alla satelliter har en atomklocka är den aktuella tiden på varje satellit exakt densamma vid varje given tidpunkt.
På grund av avståndet från satelliten och det faktum att radiosignalerna färdas med ljusets hastighet avslöjar dock skillnaderna mellan varje mottagen tidsstämpel avståndet mellan din telefon och var och en av satelliterna.
Så här fungerar GPS-processen:
- Alla fyra satelliter sänder exakt samma tidsstämpel till din telefon kl. 17.12.14.
- Din telefon tar emot tidsstämpeln kl. 17:12:15 från satellit 1.
- Den tar emot tidsstämpeln kl. 17:12:16 från satellit 2.
- Slutligen tar den emot tidsstämpeln kl. 17:12:17 från satellit 3.
Detta säger till din GPS-mottagare att det tog 1 sekund för radiosignalen att nå den från satellit 1, 2 sekunder från satellit 2 och 3 sekunder från satellit 3.
Ljusets hastighet är en känd konstant på 299 792 458 meter per sekund.
Med hjälp av enkel matematik kan mottagaren beräkna att dess avstånd är ungefär 300 tusen meter från satellit 1, 600 tusen meter från satellit 2 och 900 tusen meter från satellit 3.
Med hjälp av en uppslagstabell från en GPS-satellitdatabas känner telefonens GPS-mottagare till den ungefärliga aktuella positionen över jorden för alla tre satelliterna, vilket ger longitud- och latitudkoordinater för alla tre.
Med den informationen kan telefonen beräkna din egen longitud och latitud på jorden.
Med hjälp av dina kända koordinater kan GPS-mottagaren sedan använda avståndet mellan sig själv och en fjärde satellit för att bestämma vilken höjd över jorden du befinner dig på.
Vad är ett assisterat globalt positionsbestämningssystem?
Förrutom smarttelefoner började integrera GPS-kretsar använde man vanligtvis handhållna GPS-mottagare som drevs av AA-batterier. Eller så installerade de GPS-enheter i bilar som var anslutna till telefonens batteri.
Detta berodde på att radiokommunikation kräver mer ström. Begränsningen av detta var att man ofta var tvungen att vänta flera minuter på att GPS-mottagaren skulle ”låsa sig på” tillräckligt många GPS-satelliter för att beräkna positionen.
Företagarna av smarta telefoner kringgick denna batteribegränsning genom att kombinera den befintliga tekniken med cellulär triangulering. Långt innan telefonerna blev GPS-aktiverade kunde de använda signaler från mobilmaster för att triangulera din position med hjälp av samma typ av trianguleringsteknik för tidsstämpel och avstånd som för GPS-satelliter.
Olyckligtvis är denna navigeringsberäkning mycket mindre exakt eftersom mobilmasterna befinner sig på marknivå. Därför använder GPS-programvaran för din smartphone först triangulering av mobilsignaler för att bestämma din ungefärliga position och uppdaterar sedan positionen när satellit-GPS-data är klara.
Detta gör det möjligt för moderna smartphones att spara batteri genom att endast använda GPS-data när dessa positionsuppdateringar krävs. Det är därför som du ofta kan se att din position på Google Maps ibland hoppar till en ny plats när mer exakta data är tillgängliga.