Jak działa GPS? W skrócie tak, że satelity krążące wokół Ziemi bez przerwy nadają sygnał z informacją o swoim położeniu i dokładnym czasie wysłania. Odbiornik w Twoim telefonie mierzy, ile czasu ten sygnał leciał od kilku satelitów, przelicza to na odległości i na tej podstawie wyznacza swoją pozycję. Do określenia położenia potrzebuje sygnału z co najmniej czterech satelitów.
Czym jest GPS?
GPS (ang. Global Positioning System) to amerykański system nawigacji satelitarnej, obecnie zarządzany przez Siły Kosmiczne Stanów Zjednoczonych. Pierwotnie powstał do celów wojskowych, ale od dawna jest bezpłatnie dostępny dla wszystkich – z jego sygnałów korzystają telefony, samochodowe nawigacje, zegarki sportowe, samoloty czy statki.
Warto wiedzieć, że GPS to tylko jeden z kilku globalnych systemów nawigacyjnych. Ogólna nazwa dla nich wszystkich to GNSS (ang. Global Navigation Satellite System). Potocznie jednak mówimy „GPS” na każdą nawigację satelitarną, podobnie jak mówimy „adidasy” na sportowe buty.
System składa się z trzech części:
- segmentu kosmicznego – satelitów krążących po orbitach,
- segmentu naziemnego – stacji kontrolnych, które śledzą satelity, korygują ich zegary i parametry orbit,
- segmentu użytkownika – czyli odbiorników, takich jak Twój smartfon.
Satelity GPS – ile ich jest i gdzie krążą?
Według oficjalnych informacji rządu USA system jest zaprojektowany na co najmniej 24 działające satelity, a w praktyce od lat na orbicie pracuje ich około 31. Nadwyżka zapewnia ciągłość działania, gdy któryś satelita jest serwisowany lub się psuje.
Satelity krążą na średniej orbicie okołoziemskiej, na wysokości około 20 200 km, i okrążają Ziemię mniej więcej dwa razy na dobę. Rozmieszczono je na sześciu płaszczyznach orbitalnych tak, aby niemal z każdego miejsca na Ziemi było widać jednocześnie co najmniej cztery z nich.
Jak działa GPS krok po kroku?
Zasada działania GPS opiera się na pomiarze czasu. Sygnał radiowy porusza się z prędkością światła, więc jeśli wiesz, kiedy został wysłany i kiedy dotarł, możesz policzyć, jaką drogę pokonał.
1. Satelita nadaje sygnał
Każdy satelita ma na pokładzie niezwykle dokładne zegary atomowe. Bez przerwy nadaje komunikat zawierający m.in. czas wysłania i informacje o swojej orbicie, dzięki którym odbiornik wie, gdzie satelita znajdował się w danej chwili.
2. Odbiornik mierzy odległość
Telefon odbiera sygnał i porównuje czas jego wysłania z czasem odbioru. Różnicę mnoży przez prędkość światła i otrzymuje odległość od satelity. Już mikrosekunda różnicy oznacza błąd około 300 metrów, dlatego tak ważna jest precyzja czasu.
3. Trilateracja
Znając odległość od jednego satelity, wiesz tylko, że jesteś gdzieś na powierzchni ogromnej kuli wokół niego. Odległość od drugiego satelity zawęża możliwości do okręgu, a od trzeciego – do dwóch punktów. Metoda ta nazywa się trilateracją.
4. Czwarty satelita koryguje zegar
Twój telefon nie ma zegara atomowego, więc jego czas nie jest idealnie zgodny z czasem satelitów. Sygnał z czwartego satelity pozwala obliczyć ten błąd zegara i wyznaczyć pozycję w trzech wymiarach: szerokość, długość geograficzną i wysokość. Im więcej satelitów odbiornik „widzi”, tym wynik jest zwykle dokładniejszy.
Ciekawostka: Einstein w Twoim telefonie
Zegary na satelitach chodzą nieco inaczej niż na Ziemi – wpływają na to zarówno prędkość satelitów, jak i słabsza grawitacja na ich wysokości. Łącznie efekty teorii względności sprawiają, że zegary satelitów przyspieszają o około 38 mikrosekund na dobę. System uwzględnia tę poprawkę, bo bez niej obliczenia szybko traciłyby dokładność.
GPS, Galileo, GLONASS i BeiDou – porównanie
Współczesne smartfony zazwyczaj korzystają z kilku systemów jednocześnie. Więcej widocznych satelitów oznacza szybsze ustalenie pozycji i lepszą dokładność w miastach.
| System | Kto go prowadzi | Zasięg | Uwagi |
|---|---|---|---|
| GPS | Stany Zjednoczone | Globalny | Najstarszy i najbardziej rozpowszechniony system |
| Galileo | Unia Europejska | Globalny | Cywilny system europejski |
| GLONASS | Rosja | Globalny | Rosyjski odpowiednik GPS |
| BeiDou | Chiny | Globalny | Chiński system nawigacji satelitarnej |
Jak dokładny jest GPS w telefonie?
Według informacji publikowanych przez rząd USA smartfony z GPS pod otwartym niebem wyznaczają pozycję zwykle z dokładnością do około 5 metrów. W praktyce wynik bywa gorszy – a czasem lepszy – w zależności od warunków.
Na dokładność wpływają przede wszystkim:
- przeszkody terenowe – wysokie budynki, mosty, gęsty las czy tunele blokują lub osłabiają sygnał,
- odbicia sygnału – w gęstej zabudowie sygnał odbija się od ścian, przez co pozycja może „skakać”,
- warunki w atmosferze – jonosfera i troposfera spowalniają fale radiowe,
- układ satelitów na niebie – gdy satelity są skupione w jednej części nieba, wynik jest mniej precyzyjny,
- jakość odbiornika i anteny w samym urządzeniu.
Dlaczego telefon znajduje Cię szybciej niż stara nawigacja?
Klasyczny odbiornik GPS po włączeniu musiał najpierw pobrać z satelitów dane o ich orbitach, co mogło trwać nawet kilka minut. Smartfony korzystają z tzw. wspomaganego GPS (A-GPS): potrzebne dane pobierają przez internet, więc pozycję ustalają w kilka sekund.
Pierwsze ustalenie pozycji po długiej przerwie, np. po przylocie do innego kraju, może trwać dłużej niż zwykle. Odbiornik musi wtedy „zorientować się”, które satelity są nad nim widoczne. Pomaga wyjście na otwartą przestrzeń i chwila cierpliwości – kolejne pomiary są już znacznie szybsze.
Telefon łączy też GPS z innymi źródłami informacji – zasięgiem stacji bazowych sieci komórkowej, pobliskimi sieciami Wi-Fi i czujnikami ruchu. Dzięki temu nawigacja działa sensownie nawet w budynkach i tunelach, gdzie sygnał satelitarny jest słaby lub niedostępny. Podobne połączenie wielu czujników to podstawa działania pojazdów opisanych w artykule o poziomach autonomii samochodów.
Gdzie wykorzystuje się GPS?
Nawigacja w samochodzie to tylko wierzchołek góry lodowej. GPS służy także do:
- śledzenia aktywności sportowej w zegarkach i opaskach – więcej o tym w tekście o urządzeniach typu wearables,
- zarządzania flotą pojazdów i logistyki,
- rolnictwa precyzyjnego, gdzie maszyny prowadzone są po polu z dużą dokładnością,
- synchronizacji czasu w sieciach telekomunikacyjnych i systemach finansowych,
- geodezji, budownictwa i ratownictwa,
- lokalizowania zgubionego telefonu.
Czy GPS śledzi telefon?
To częsty mit. Satelity GPS tylko nadają sygnał – nie odbierają niczego od Twojego telefonu i nie wiedzą, kto z nich korzysta. Pozycję oblicza sam odbiornik. Problem prywatności pojawia się dopiero wtedy, gdy aplikacje w telefonie wysyłają wyliczoną lokalizację do swoich serwerów. Dlatego warto regularnie przeglądać uprawnienia do lokalizacji i nadawać je tylko tym aplikacjom, które naprawdę ich potrzebują.
Zarówno Android, jak i iOS pozwalają ustawić, czy aplikacja ma dostęp do lokalizacji zawsze, tylko podczas używania, czy wcale. Możesz też udostępnić jej jedynie przybliżone położenie zamiast dokładnego. Aplikacja pogodowa nie potrzebuje Twojej pozycji co do metra, a gra czy latarka zwykle nie potrzebuje jej w ogóle.
Najczęściej zadawane pytania
Czy GPS działa bez internetu?
Tak. Odbiór sygnału satelitarnego nie wymaga internetu. Bez połączenia ustalenie pozycji może jednak trwać dłużej, a do wyświetlenia mapy potrzebujesz wcześniej pobranych map offline.
Czy korzystanie z GPS jest płatne?
Nie. Sygnał GPS jest dostępny bezpłatnie dla wszystkich. Płacić możesz najwyżej za aplikację nawigacyjną lub za transfer danych potrzebny do pobierania map i informacji o ruchu.
Dlaczego GPS nie działa w budynkach?
Sygnał z satelitów jest bardzo słaby, a ściany, stropy i dachy skutecznie go tłumią. W pomieszczeniach telefon szacuje pozycję głównie na podstawie sieci Wi-Fi i stacji bazowych, co daje mniejszą dokładność.
Podsumowanie
GPS działa na zasadzie pomiaru czasu, w jakim sygnał z satelitów dociera do odbiornika. Znając odległości od co najmniej czterech satelitów, telefon wyznacza swoją pozycję i koryguje błąd własnego zegara. Dziś smartfony łączą sygnały GPS, Galileo, GLONASS i BeiDou z danymi z sieci komórkowej i Wi-Fi, dzięki czemu pod otwartym niebem lokalizują Cię z dokładnością do kilku metrów. Pamiętaj tylko, że o tym, kto zna Twoje położenie, decydują aplikacje – a nie satelity.