HDG wyjaśnia, jak działa GPS?

Ostatnim razem, gdy użyłeś telefonu, aby Mapy Google wskazali dokładną lokalizację na mapie, czy kiedykolwiek przestałeś i zastanawiałeś się, jak dokładnie działa GPS?

Globalny system pozycjonowania (GPS) został faktycznie uruchomiony przez U.S. Departament Obrony w 1973 r. (Znany jako Navstar). Do 1993 r. Satelity GPS krążyły krążące do ziemi i transmisji danych orbitalnych i pozycyjnych, które wojsko mogło użyć do celów nawigacyjnych i innych wojskowych. Dzisiaj, od tego pisma, jest ich 28.

W latach 80. dane przesyłane z satelitów GPS zostały otwarte dla publiczności, co otworzyło cały rynek szerokiego asortymentu urządzeń nawigacyjnych GPS, które mamy dzisiaj. 

Ponieważ każdy satelitarny porusza się na przewidywalnej orbicie nad Ziemią, odbiornik może użyć przechowywanego almanaka z obecnej znanej pozycji wszystkich satelitów GPS, aby ustalić, gdzie w przybliżeniu satelity te znajdują się obecnie nad Ziemią.

Ze znaną pozycją każdego satelity i zmierzoną odległością między tymi satelitami a twoją pozycją, otrzymywane przez GPS jest w stanie obliczyć waszą przybliżoną lokalizację, określając, gdzie przecięcie tych trzech sfer łączy się na powierzchni Ziemi.

Następnie odbiornik wyświetla tę lokalizację na mapie.

Trzy satelity zapewniają szorstką lokalizację, a odbiorniki GPS wymagają czwartego sygnału z innego satelity GPS w celu ustalenia obecnej wysokości na powierzchni Ziemi za pomocą innej matematycznej zasady zwanej trylateracją.

Jak działa Twój telefon GPS

Większość nowoczesnych smartfonów jest wyposażona w układ odbiornika GPS. Ten układ może odbierać sygnały radiowe z satelitów GPS.

Zegar twojego telefonu nie jest zegar atomowy, więc jego czas nie jest synchronizowany z atomowymi zegarami satelitów na orbicie. Nie ma to jednak znaczenia, jeśli chodzi o obliczanie lokalizacji za pomocą sygnałów z tych satelitów.

Wynika to z faktu, że odbiornik GPS twojego telefonu koncentruje się na danych, które otrzymuje z satelitów oraz bazę danych znanych lokalizacji satelitarnych nad Ziemią. Ponieważ wszystkie satelity mają zegar atomowy, obecny czas na każdym satelicie jest dokładnie taki sam w dowolnym momencie.

Jednak ze względu na odległość od satelity i fakt, że sygnały radiowe podróżują z prędkością światła, różnice między każdym otrzymanym znacznikiem czasu ujawniają odległość między telefonem a każdym z satelitów.

Oto jak działa ten proces GPS:

• Wszystkie cztery satelity przekazują ten sam dokładny znacznik czasu na telefon o 17:12:14.
• Twój telefon odbiera ten znacznik czasu o 5:12:15 z satelity 1.
• Otrzymuje znacznik czasu o 5:12:16 od satelity 2.
• Wreszcie o 5:12:17 otrzymuje znacznik czasu z satelitarnego 3.

To mówi odbiornikowi GPS, że sygnał radiowy zajęła 1 sekundę z satelitarnego 1, 2 sekund z satelitarnego 2 i 3 sekund z satelitarnego 3.

Prędkość światła jest znaną stałą 299 792 458 metrów na sekundę.

Za pomocą prostej matematyki odbiornik może obliczyć, że jego odległość wynosi około 300 tysięcy metrów od satelity 1, 600 tysięcy metrów od satelity 2 i 900 tysięcy metrów od satelitarnego 3.

Korzystając z tabeli wyszukiwania z bazy danych satelitarnej GPS, odbiornik GPS telefonu zna przybliżoną bieżącą lokalizację nad Ziemi. 

Dzięki tym informacjom telefon jest w stanie obliczyć własne współrzędne długości i szerokości geograficznej na Ziemi.

Korzystając z znanych współrzędnych, odbiornik GPS może następnie użyć odległości mierzonej między sobą a czwartym satelitą, aby określić, jaką wysokość nad Ziemią znajdujesz się.

Co to jest wspomagany globalny system pozycjonowania?

Zanim smartfony zaczęły integrować obwody GPS, ludzie zwykle używali ręcznych odbiorników GPS, które wyciągają akumulatory AA. Lub instalowałyby jednostki GPS w samochodach, które działały podłączone do baterii telefonu.

Stało się tak, ponieważ komunikacja radiowa wymaga większej mocy. Ograniczeniem tego jest to, że często trzeba było czekać kilka minut, aż odbiornik GPS „zablokuje” wystarczającą ilość satelitów GPS, aby obliczyć twoją pozycję.

Producenci smartfonów rozwinęli to ograniczenie baterii, łącząc istniejącą technologię triangulacji komórkowej. Na długo przed włączeniem telefonów GPS mogłyby używać sygnałów pochodzących z wież komórkowych, aby triangulować twoją pozycję, używając tego samego rodzaju znacznik. 

Niestety, ponieważ wieże telefonów komórkowych są na poziomie gruntu, te obliczenia nawigacyjne są znacznie mniej dokładne. Tak więc oprogramowanie do smartfona GPS najpierw użyje triangulacji sygnału komórkowego, aby określić twoją przybliżoną pozycję, a następnie zaktualizować tę pozycję, gdy dane satelitarne GPS są gotowe.

Umożliwia to nowoczesnym smartfonom zarezerwowanie zasilania baterii, używając danych GPS tylko wtedy, gdy wymagane są te aktualizacje lokalizacji. Dlatego często możesz zobaczyć swoją lokalizację na Mapach Google od czasu do czasu przeskakiwać do nowej lokalizacji, gdy dostępne są dokładniejsze dane.