HDG vysvetľuje: Ako funguje GPS?

Naposledy ste použili telefón Mapy Google presne určujú vašu presnú polohu na mape, zastavili ste sa niekedy a zaujímalo by vás, ako GPS funguje tak presne?

Systém Global Positioning System (GPS) bol skutočne spustený americkým ministerstvom obrany v roku 1973 (známy ako NAVSTAR). Do roku 1993 obiehalo okolo Zeme 24 satelitov GPS, ktoré vysielali orbitálne a polohové údaje, ktoré mohla armáda použiť na navigačné a iné vojenské účely. Dnes v čase tohto písania existuje 28.

V 80. rokoch boli údaje prenášané zo satelitov GPS sprístupnené verejnosti, čo otvorilo celý trh so širokým sortimentom navigačných zariadení GPS, ktoré dnes máme.

V čase písania tohto článku majú Rusko, Čína, Európa a India vlastné aktívne systémy GPS. Japonsko vyvíja vlastný systém GPS, ktorý by mal byť funkčný v roku 2023.

Ako funguje GPS?

Napriek tomu, že satelitná technológia GPS je veľmi pokročilá, spôsob fungovania systému je pôsobivo jednoduchý.

Každý jednotlivý navigačný systém GPS má tri komponenty.

• Satelity: Satelity GPS obiehajú okolo Zeme a prenášajú svoj aktuálny čas a obežnú polohu do všetkých prijímačov GPS na svojej strane planéty.
• Riadiace centrum: Riadiace centrum prenáša orbitálne údaje, časové korekcie a orbitálnu polohu ostatných satelitov až k satelitom na obežnej dráhe.
• GPS prijímače: Prijímač GPS na Zemi prijíma obežnú dobu z toľkých satelitov v dosahu a vypočítava svoju vlastnú polohu na Zemi na základe polôh najmenej štyroch satelitov GPS.

Prijímače GPS používajú na výpočet vlastnej polohy matematický princíp známy ako triangulácia.

Ako funguje GPS triangulácia?

Z akéhokoľvek bodu na planéte, ak držíte prijímač GPS (ako je ten v telefóne), prijímač GPS prijíma časové pečiatky zo synchronizovaných hodín na každom satelite GPS nad hlavou.

Pomocou rozdielov v časových pečiatkach a konštantnej rýchlosti svetla, ktorou sa šíria rádiové vlny, môže prijímač GPS určiť vzdialenosť medzi miestom, kde stojíte, pri každom satelite.

Prijímač GPS tak získa polomer sfér so satelitmi v strede a vašu polohu na okraji gule.

Pretože každý satelit cestuje na predvídateľnej obežnej dráhe okolo Zeme, prijímač môže použiť uložený almanach prúdu známa poloha všetkých satelitov GPS, aby sa určilo, kde sa tieto satelity v súčasnosti nachádzajú nad zeme.

So známou polohou každého satelitu a nameranou vzdialenosťou medzi týmito satelitmi a vašou polohou je váš príjem GPS schopný na výpočet vašej približnej polohy určením, kde sa priesečník týchto troch sfér stretáva na povrchu planéty Zem.

Prijímač vám potom zobrazí toto miesto na mape.

Tri satelity poskytujú hrubú polohu a prijímače GPS vyžadujú štvrtý signál z iného satelitu GPS určte svoju aktuálnu výšku na povrchu Zeme pomocou iného matematického princípu známeho ako trilaterácia.

Ako funguje senzor GPS vášho telefónu

Väčšina moderných smartfónov je dnes vybavená čipom prijímača GPS. Tento čip môže prijímať rádiové signály zo satelitov GPS.

Hodiny vášho telefónu nie sú atómové hodiny, takže ich čas nie je synchronizovaný s atómovými hodinami satelitov na obežnej dráhe. Na tom však nezáleží, pokiaľ ide o výpočet polohy pomocou signálov z týchto satelitov.

Dôvodom je to, že prijímač GPS vášho telefónu sa zameriava na údaje, ktoré prijíma zo satelitov, a na databázu známych satelitných polôh na Zemi. Pretože všetky satelity majú atómové hodiny, aktuálny čas na každom satelite je v každom okamihu úplne rovnaký.

Avšak vzhľadom na vzdialenosť od satelitu a skutočnosť, že rádiové signály sa pohybujú rýchlosťou svetla, rozdiely medzi každou prijatou časovou pečiatkou odhaľujú vzdialenosť medzi telefónom a každým z nich satelity.

Tento proces GPS funguje takto:

• Všetky štyri satelity vysielajú do telefónu rovnakú presnú časovú pečiatku o 17:12:14.
• Váš telefón dostane túto časovú pečiatku o 5:12:15 zo satelitu 1.
• Časovú pečiatku prijíma o 5:12:16 zo satelitu 2.
• Nakoniec o 5:12:17 dostane časovú pečiatku zo satelitu 3.

Vášmu prijímaču GPS to oznámi, že rádiovému signálu trvalo 1 sekundu, kým sa k nemu dostal zo satelitu 1, 2 sekundy zo satelitu 2 a 3 sekundy zo satelitu 3.

Rýchlosť svetla je známa konštanta 299 792 458 metrov za sekundu.

Pomocou jednoduchej matematiky môže prijímač vypočítať, že jeho vzdialenosť je zhruba 300 tisíc metrov od satelitu 1, 600 tisíc metrov od satelitu 2 a 900 tisíc metrov od satelitu 3.

Vďaka vyhľadávacej tabuľke zo satelitnej databázy GPS pozná prijímač GPS vášho telefónu približný prúd poloha všetkých troch satelitov nad Zemou, ktorá poskytuje súradnice zemepisnej dĺžky a šírky všetkých tri.

Vďaka týmto informáciám je váš telefón schopný počítať vašu vlastnú súradnicu zemepisnej dĺžky a šírky Na zemi.

Vďaka vašim známym súradniciam môže váš prijímač GPS potom použiť vzdialenosť nameranú medzi ním a štvrtým satelitom, aby určil, v akej výške sa nachádzate nad Zemou.

Čo je to asistovaný globálny systém určovania polohy?

Predtým, ako inteligentné telefóny začali integrovať obvody GPS, ľudia zvyčajne používali ručné prijímače GPS, ktorým dochádzali batérie AA. Alebo by do automobilov nainštalovali jednotky GPS, ktoré bežali pripojené k batérii telefónu.

Dôvodom bolo, že rádiová komunikácia vyžaduje viac energie. Obmedzenie je v tom, že často ste museli niekoľko minút čakať, kým sa váš prijímač GPS „uzamkne“ na dostatok satelitov GPS na výpočet vašej polohy.

Výrobcovia smartfónov obišli toto obmedzenie batérie kombináciou svojej existujúcej technológie bunkovej triangulácie. Dlho predtým, ako mali telefóny povolený systém GPS, mohli na trianguláciu používať signály prichádzajúce z veží mobilných telefónov svoju polohu pomocou rovnakého druhu triangulačnej časovej pečiatky a technológie vzdialenosti ako pri GPS satelity.

Bohužiaľ, pretože veže mobilných telefónov sú na úrovni zeme, tento navigačný výpočet je oveľa menej presný. Softvér GPS vášho smartfónu teda najskôr použije trianguláciu signálu bunky na určenie vašej približnej polohy a potom túto polohu aktualizuje, keď budú satelitné údaje GPS pripravené.

To umožňuje moderným smartfónom rezervovať si batériu iba pomocou údajov GPS, ak sú potrebné tieto aktualizácie polohy. Preto môžete často pozri svoju polohu v Mapách Google občas preskočí na nové miesto, keď sú k dispozícii presnejšie údaje.