Πώς λειτουργεί το GPS;

Το GPS είναι μια τεχνολογία που χρησιμοποιείται καθημερινά για πλοήγηση, εντοπισμό θέσης, μεταφορές και πλήθος εφαρμογών στα κινητά τηλέφωνα. Παρότι για τον χρήστη η διαδικασία φαίνεται απλή —ανοίγει έναν χάρτη και βλέπει ένα μπλε σημείο— πίσω από αυτό το αποτέλεσμα λειτουργεί ένα εξαιρετικά σύνθετο σύστημα δορυφόρων, ατομικών ρολογιών και μαθηματικών υπολογισμών.

Το GPS, δηλαδή Global Positioning System, βασίζεται σε ένα δίκτυο δορυφόρων που κινούνται γύρω από τη Γη και εκπέμπουν συνεχώς σήματα. Η συσκευή του χρήστη λαμβάνει αυτά τα σήματα και υπολογίζει πόσο απέχει από κάθε δορυφόρο. Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να προσδιορίσει τη θέση της με μεγάλη ακρίβεια.

Οι δορυφόροι στέλνουν συνεχώς την ώρα και τη θέση τους

Οι δορυφόροι GPS κινούνται σε τροχιές γύρω από τη Γη και εκπέμπουν συνεχώς ραδιοσήματα. Κάθε σήμα περιέχει πληροφορίες για το πού βρίσκεται ο δορυφόρος και την ακριβή ώρα που στάλθηκε το μήνυμα.

Η ακρίβεια του χρόνου είναι εξαιρετικά σημαντική. Οι δορυφόροι χρησιμοποιούν ατομικά ρολόγια, τα οποία μπορούν να μετρούν τον χρόνο με εξαιρετικά μικρά περιθώρια σφάλματος.

Η συσκευή GPS, για παράδειγμα ένα smartphone, συγκρίνει την ώρα που στάλθηκε το σήμα με την ώρα που το έλαβε. Επειδή τα ραδιοκύματα κινούνται με την ταχύτητα του φωτός, μπορεί να υπολογιστεί η απόσταση από τον δορυφόρο.

Η βασική λογική είναι απλή: όσο περισσότερο χρόνο χρειάζεται το σήμα για να φτάσει, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση.

Το κινητό όμως δεν αρκείται σε έναν μόνο δορυφόρο. Με έναν δορυφόρο γνωρίζει μόνο ότι βρίσκεται κάπου σε μια τεράστια νοητή σφαίρα γύρω του. Με δεύτερο δορυφόρο περιορίζεται η πιθανή θέση, ενώ με τρίτο γίνεται πιο ακριβής.

Στην πράξη, συνήθως χρειάζονται σήματα από τουλάχιστον τέσσερις δορυφόρους, επειδή η συσκευή πρέπει να διορθώσει και το δικό της, πολύ λιγότερο ακριβές, ρολόι.

Πώς βρίσκει το GPS το ακριβές σημείο;

Η διαδικασία συχνά περιγράφεται ως τριγωνισμός, αλλά τεχνικά είναι πιο σωστό να ονομάζεται τριπλευρισμός ή trilateration.

Η συσκευή δεν μετρά γωνίες. Μετρά αποστάσεις.

Αν γνωρίζει ότι απέχει μια συγκεκριμένη απόσταση από έναν δορυφόρο, μπορεί να βρίσκεται σε οποιοδήποτε σημείο μιας σφαίρας γύρω από αυτόν. Με έναν δεύτερο δορυφόρο, οι δύο πιθανές σφαίρες τέμνονται σε έναν κύκλο. Ένας τρίτος περιορίζει ακόμη περισσότερο τη θέση.

Ο τέταρτος δορυφόρος βοηθά στην τελική διόρθωση του χρόνου και της θέσης.

Με αυτόν τον τρόπο υπολογίζονται οι τρεις βασικές συντεταγμένες: γεωγραφικό πλάτος, γεωγραφικό μήκος και υψόμετρο.

Το αποτέλεσμα δεν είναι πάντα απόλυτα τέλειο. Το σήμα μπορεί να επηρεαστεί από κτίρια, βουνά, δέντρα, την ατμόσφαιρα ή ακόμη και από την αντανάκλασή του πάνω σε επιφάνειες.

Για αυτό το GPS λειτουργεί συνήθως καλύτερα σε ανοιχτούς χώρους και χειρότερα ανάμεσα σε πολύ ψηλά κτίρια ή στο εσωτερικό κτιρίων.

Στα σύγχρονα κινητά, πάντως, η θέση δεν βασίζεται μόνο στο GPS. Το τηλέφωνο μπορεί να συνδυάζει πληροφορίες από Wi-Fi, κεραίες κινητής τηλεφωνίας, αισθητήρες κίνησης και άλλα συστήματα δορυφορικής πλοήγησης.

Το GPS δεν είναι το μόνο σύστημα δορυφορικής πλοήγησης

Παρότι η λέξη GPS χρησιμοποιείται συχνά για κάθε μορφή δορυφορικού εντοπισμού, στην πραγματικότητα το GPS είναι το αμερικανικό σύστημα.

Υπάρχουν και άλλα αντίστοιχα δίκτυα. Η Ευρωπαϊκή Ένωση διαθέτει το Galileo, η Ρωσία το GLONASS και η Κίνα το BeiDou.

Πολλά σύγχρονα smartphones μπορούν να λαμβάνουν σήματα από περισσότερα από ένα συστήματα ταυτόχρονα. Αυτό σημαίνει περισσότερους διαθέσιμους δορυφόρους και συχνά ταχύτερο και ακριβέστερο εντοπισμό.

Το GPS έχει επίσης μια ιδιαίτερα σημαντική λειτουργία που συχνά περνά απαρατήρητη: τον ακριβή συγχρονισμό του χρόνου. Τα σήματά του χρησιμοποιούνται σε τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, χρηματοπιστωτικά συστήματα, ηλεκτρικά δίκτυα και άλλες υποδομές που χρειάζονται εξαιρετικά ακριβή χρονισμό.

Ένα ακόμη ενδιαφέρον στοιχείο είναι ότι οι υπολογισμοί του GPS πρέπει να λαμβάνουν υπόψη ακόμη και τη θεωρία της σχετικότητας. Επειδή οι δορυφόροι κινούνται με μεγάλη ταχύτητα και βρίσκονται σε διαφορετικό βαρυτικό πεδίο από την επιφάνεια της Γης, τα ρολόγια τους δεν «τρέχουν» ακριβώς με τον ίδιο ρυθμό με τα ρολόγια στη Γη. Χωρίς σχετικές διορθώσεις, το σφάλμα στη θέση θα αυξανόταν πολύ γρήγορα.

Το GPS, επομένως, λειτουργεί επειδή συνδυάζει δορυφόρους, ακριβή μέτρηση χρόνου και μαθηματικούς υπολογισμούς.