Jak działa GPS? Kosmiczna nawigacja w naszym telefonie

Kiedyś, by trafić do obcego miasta, musieliśmy korzystać z rozkładanych, papierowych map wielkości prześcieradła. Zazwyczaj kończyło się to zgubieniem drogi, kłótnią w samochodzie i pytaniem o drogę przypadkowych przechodniów. Dziś wystarczy wyciągnąć z kieszeni telefon, wpisać adres i ruszyć przed siebie.

Większość z nas na co dzień bezrefleksyjnie ufa niebieskiej kropce na ekranie, ale czy zastanawiałeś się kiedyś, jak działa GPS? Choć wydaje się to tak naturalne jak połączenie z Wi-Fi, prawda jest taka, że za każdym razem, gdy uruchamiasz Mapy Google, używasz sprzętu wojskowego komunikującego się prosto z kosmosem!

GPS działa dzięki procesowi zwanemu trilateracją. Aby określić Twoją dokładną lokalizację, telefon musi połączyć się z minimum czterema satelitami krążącymi nad Ziemią. Mierząc czas, w jakim sygnał radiowy dociera z kosmosu do urządzenia, system precyzyjnie wylicza odległość i ustala na tej podstawie, w którym miejscu na planecie stoisz.

Kosmiczna flota nad naszymi głowami

Rozwińmy skrót GPS - to Global Positioning System. Wyobraź sobie, że Ziemię otacza gęsta, niewidzialna sieć. Tworzy ją ponad 30 niezwykle zaawansowanych satelitów latających na wysokości około 20 tysięcy kilometrów. Każdy z nich pędzi z ogromną prędkością i okrąża naszą planetę dwa razy na dobę.

Zostały one rozmieszczone przez wojsko Stanów Zjednoczonych w taki sposób, by z dowolnego miejsca na Ziemi - niezależnie, czy stoisz w centrum Warszawy, czy na środku Sahary - na niebie było zawsze "widać" przynajmniej cztery takie obiekty. Satelity te przez całą dobę, bez chwili przerwy, "krzyczą" w przestrzeń radiową jedną ważną informację: "Oto moja pozycja, a oto dokładny czas".

Jak telefon liczy odległość z kosmosu?

Kiedy włączasz lokalizację, Twój telefon zamienia się w wielkie, elektroniczne ucho. Łapie sygnały od lecących w kosmosie "krzykaczy" i sprawdza, o której godzinie zostały one wysłane. Ponieważ fale radiowe lecą z prędkością światła, smartfon potrafi wyliczyć, jak dużo czasu zajęła im podróż na Ziemię.

Jeśli wie, jak długo leciał sygnał i jak szybko się poruszał, matematyka jest prosta - błyskawicznie poznaje odległość od pierwszego satelity. Mając dane z trzech satelitów, rysuje wokół nich wirtualne okręgi i sprawdza, w którym punkcie na Ziemi te okręgi się przecinają. Czwarty satelita jest potrzebny, by do długości i szerokości geograficznej dorzucić wysokość nad poziomem morza.

Dlaczego czasem GPS pokazuje, że stoisz w rzece?

Nawigacja w telefonie jest zazwyczaj piekielnie dokładna, jednak zdarza się, że niebieska kropka na ekranie nagle głupieje i przeskakuje o sto metrów w bok. Oto dlaczego tak się dzieje:

• Szklane kaniony w miastach - sygnał od satelity potrafi uderzyć w wysoki wieżowiec i odbić się jak piłeczka; telefon myśli wtedy, że sygnał leciał dłużej i źle oblicza odległość.
• Grube chmury i zła pogoda - choć fale radiowe przenikają przez wszystko, potężne burze jonosferyczne i grube warstwy wilgoci mogą delikatnie zniekształcić sygnał.
• Zegarki w kosmosie są mądrzejsze - satelity mają na pokładzie zegary atomowe odliczające ułamki miliardowych części sekundy; Twój telefon ma zwykły zegarek kwarcowy, więc czasem mogą wystąpić małe błędy w zsynchronizowaniu czasu.

Teoria Einsteina w Twoim schowku samochodowym

Najciekawsze w tym wszystkim jest to, że żeby GPS działał perfekcyjnie, musiał poprosić o pomoc samego Alberta Einsteina! Satelity latają tak szybko i są tak daleko od pola grawitacyjnego Ziemi, że według ogólnej i szczególnej teorii względności, czas płynie dla nich odrobinkę szybciej niż dla nas na dole.

Gdyby inżynierowie nie wzięli tego pod uwagę i nie wgrywali do satelitów codziennych poprawek, nasz system nawigacyjny myliłby się o prawie 10 kilometrów każdego dnia. W zaledwie tydzień Twoja aplikacja z mapami kazałaby Ci szukać drogi do pracy w innym województwie!

Zatem następnym razem, gdy Twoja nawigacja poinformuje Cię miłym głosem, że za 100 metrów masz skręcić w lewo, uśmiechnij się. Pomyśl, że po to byś nie zgubił drogi do warzywniaka, połączono siły kilkudziesięciu kosmicznych statków, zegarów atomowych i najtrudniejszych praw fizyki w historii ludzkości!