Πώς λειτουργεί το GPS;

Πολλοί από εμάς χρησιμοποιούμε GPS σχεδόν καθημερινά – για να λαμβάνουμε οδηγίες με εφαρμογές χαρτογράφησης στα τηλέφωνά μας, για να παρακολουθούμε τις παραδόσεις φαγητού μας, για να καταγράφουμε τις διαδρομές τρεξίματός μας – αλλά έχετε αναρωτηθεί ποτέ: Πώς λειτουργεί το GPS;?

Σχεδόν όλα τα smartphone χρησιμοποιούν τεχνολογία GPS. Ας μάθουμε λοιπόν τι σημαίνει αυτό στην πραγματικότητα και γιατί με έναν δέκτη GPS και μια καθαρή θέα στον ουρανό δεν θα χάσετε ποτέ ξανά τον προσανατολισμό σας.

Τι είναι το GPS;

Όταν οι άνθρωποι λένε “ένα GPS” εννοούν συνήθως έναν δέκτη GPS, αλλά το Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού Θέσης (GPS) είναι στην πραγματικότητα ένας αστερισμός πολλών δορυφόρων σε τροχιά γύρω από τη Γη (gps.gov/systems/gps/space/”>31 σε επιχειρησιακή τροχιά και τέσσερις ταξινομούνται είτε ως “σε αποθεματικό” ή “ανθυγιεινό”.

Ο αμερικανικός στρατός αρχικά ανέπτυξε και εφάρμοσε αυτό το δορυφορικό δίκτυο ως στρατιωτικό σύστημα πλοήγησης και στη συνέχεια το έκανε διαθέσιμο σε όλους τους άλλους.

Καθένας από αυτούς τους ηλιακούς δορυφόρους, με βάρος από 1.361 έως 1.814 κιλά, περιφέρεται γύρω από την υδρόγειο σε υψόμετρο περίπου 20.000 km, κάνοντας δύο πλήρεις περιστροφές κάθε μέρα. Οι τροχιές είναι διατεταγμένες έτσι ώστε τουλάχιστον τέσσερις δορυφόροι να είναι «ορατοί» στον ουρανό ανά πάσα στιγμή και οπουδήποτε στη Γη.

Ένας δέκτης GPS χρησιμοποιεί αυτούς τους δορυφόρους για να υπολογίσει την ακριβή τοποθεσία του ατόμου που χειρίζεται τη συσκευή.

Πώς λειτουργεί το GPS;

Οι δέκτες GPS εντοπίζουν τέσσερις ή περισσότερους από αυτούς τους δορυφόρους, καθορίζουν την απόσταση από τον καθένα και χρησιμοποιούν αυτές τις πληροφορίες για να εξαγάγουν τη δική τους τοποθεσία.

Αυτή η πράξη βασίζεται σε μια απλή μαθηματική αρχή που ονομάζεται τριπλοποίηση. Η τριπλευροποίηση στον τρισδιάστατο χώρο μπορεί να είναι λίγο δύσκολη, οπότε ας ξεκινήσουμε με μια εξήγηση της απλής δισδιάστατης τριγωνοποίησης.

2D τριπλοποίηση

Φανταστείτε ότι βρίσκεστε κάπου στις Ηνωμένες Πολιτείες και έχετε χαθεί εντελώς. Για κάποιο λόγο δεν έχεις ιδέα πού βρίσκεσαι. Βρίσκεις έναν φιλικό ντόπιο και ρωτάς, «Πού είμαι;» Λέει, «Είσαι 625 μίλια από το Μπόιζ του Αϊντάχο».

Η ιστορία συνεχίζεται

Αυτό είναι ένα ωραίο, δύσκολο γεγονός, αλλά δεν είναι ιδιαίτερα χρήσιμο από μόνο του. Θα μπορούσαν να είναι οπουδήποτε σε έναν κύκλο γύρω από το Boise με ακτίνα 625 μιλίων, όπως αυτό:

Ρωτάς κάποιον πού βρίσκεσαι και σου λέει: «Είσαι 690 μίλια από τη Μινεάπολη της Μινεσότα.» Τώρα προχωράς.

Όταν συνδυάζετε αυτές τις πληροφορίες με τις πληροφορίες Boise, λαμβάνετε δύο κύκλους που τέμνονται. Ξέρετε τώρα ότι αν βρίσκεστε 625 μίλια από το Boise και 690 μίλια από τη Μινεάπολη, πρέπει να βρίσκεστε σε μία από αυτές τις δύο διασταυρώσεις:

Εάν ένα τρίτο άτομο σας πει ότι βρίσκεστε 615 μίλια από το Tucson της Αριζόνα, μπορείτε να αποκλείσετε μία από τις πιθανότητες επειδή ο τρίτος κύκλος τέμνει μόνο ένα από αυτά τα σημεία. Τώρα ξέρετε ακριβώς πού βρίσκεστε: Ντένβερ, Κολοράντο.

Αυτή η διαδικασία ονομάζεται 2D trilateration επειδή τα σημεία τομής βρίσκονται όλα σε ένα δισδιάστατο επίπεδο. Όταν αρχίσουμε να συμπεριλαμβάνουμε ύψος/ύψος – γεια σας, τρίτη διάσταση – μπαίνει στο παιχνίδι η τριδιάστατη τριδιάσταση.

3D trilateration

Κατ’ αρχήν, η τρισδιάστατη τριπλευροποίηση δεν διαφέρει πολύ από τη δισδιάστατη τριπλάνωση, αλλά είναι λίγο πιο δύσκολο να την οπτικοποιήσουμε. Φανταστείτε ότι οι ακτίνες από τα προηγούμενα παραδείγματα πηγαίνουν προς όλες τις κατευθύνσεις. Έτσι, αντί για μια σειρά από κύκλους, παίρνετε μια σειρά από σφαίρες.

Εάν γνωρίζετε ότι βρίσκεστε 10 μίλια στον ουρανό από τον δορυφόρο Α, θα μπορούσατε να είστε κάπου στην επιφάνεια μιας γιγάντιας, φανταστικής σφαίρας με ακτίνα 10 μιλίων. Επιπλέον, εάν γνωρίζετε ότι βρίσκεστε 15 μίλια από τον δορυφόρο Β, μπορείτε να επικαλύψετε την πρώτη σφαίρα με μια άλλη, μεγαλύτερη σφαίρα.

Οι μπάλες τέμνονται σε έναν τέλειο κύκλο. Εάν γνωρίζετε την απόσταση από έναν τρίτο δορυφόρο, θα έχετε μια τρίτη σφαίρα που τέμνει αυτόν τον κύκλο σε δύο σημεία.

Η ίδια η Γη μπορεί να λειτουργήσει ως τέταρτος «δορυφόρος» ή σφαίρα. Μόνο ένα από τα δύο πιθανά σημεία βρίσκεται στην πραγματικότητα στην επιφάνεια του πλανήτη, έτσι μπορείτε να εξαλείψετε το σημείο στο διάστημα. Ωστόσο, οι δέκτες γενικά ευθυγραμμίζονται με τέσσερις ή περισσότερους δορυφόρους για να βελτιώσουν την ακρίβεια και να παρέχουν ακριβείς πληροφορίες υψομέτρου.

Πώς οι συσκευές GPS υπολογίζουν την τοποθεσία σας

Για να λειτουργήσει σωστά, μια συσκευή GPS πρέπει να γνωρίζει δύο πράγματα:

1. Η θέση τουλάχιστον τριών δορυφόρων από πάνω σας

2. Η απόσταση μεταξύ σας και καθενός από αυτούς τους δορυφόρους

Οι δέκτες GPS ανιχνεύουν και τα δύο αναλύοντας ραδιοσήματα χαμηλής ισχύος και υψηλής συχνότητας από δορυφόρους που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τη Γη. Οι καλύτερες συσκευές έχουν πολλούς δέκτες, ώστε να μπορούν να λαμβάνουν σήματα από πολλούς δορυφόρους ταυτόχρονα.

Τα ραδιοκύματα είναι ηλεκτρομαγνητική ενέργεια, που σημαίνει ότι ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός (περίπου 186.000 μίλια ανά δευτερόλεπτο ή 300.000 χλμ. ανά δευτερόλεπτο στο κενό). Ο δέκτης μπορεί να καταλάβει πόσο έχει διανύσει το σήμα GPS μετρώντας το χρόνο που χρειάστηκε για να φτάσει το σήμα.