GPS-ul: cum îți află telefonul poziția pe hartă

Telefonul tău află unde se află măsurând cât timp le ia semnalelor radio trimise de mai mulți sateliți să ajungă la el. Fiecare satelit transmite continuu poziția lui și ora exactă, dată de un ceas atomic. Știind că semnalul călătorește cu viteza luminii, telefonul transformă întârzierile în distanțe și calculează punctul de pe Pământ aflat simultan la distanțele respective de cel puțin patru sateliți.

Mecanismul pare simplu, dar implică precizii uimitoare: o eroare de o milionime de secundă la ceas ar muta poziția cu aproximativ 300 de metri. Mai jos afli ce sateliți folosește telefonul, de ce are nevoie de patru, cum intervine teoria relativității, de ce harta te arată uneori pe strada vecină și cine poate vedea, de fapt, unde te afli.

Ce este GPS-ul și ce înseamnă GNSS

GPS (Global Positioning System) este sistemul american de navigație prin satelit și cel mai cunoscut dintre cele patru sisteme globale aflate în funcțiune. Termenul general este GNSS (Global Navigation Satellite System), iar telefoanele moderne folosesc de obicei mai multe sisteme simultan, chiar dacă în limbajul obișnuit le spunem tuturor „GPS”.

Sateliții GPS orbitează la aproximativ 20.200 de km altitudine și fac o rotație completă în jurul Pământului în aproape 12 ore. Constelația are în jur de 30 de sateliți operaționali, aranjați pe mai multe planuri orbitale, astfel încât din aproape orice punct de pe glob să fie vizibili cel puțin patru în orice moment. Cu toate sistemele combinate, un telefon poate „vedea” zeci de sateliți deodată.

Important: GPS-ul funcționează doar la recepție. Sateliții nu primesc nimic de la telefonul tău și nu știu cine îi folosește. Poziția este calculată exclusiv pe dispozitiv; dacă ajunge altundeva, o trimit aplicațiile, nu sateliții.

Principiul: măsurarea timpului de zbor al semnalului

Poziția se calculează din distanțe, iar distanțele se calculează din timp: distanța este egală cu viteza luminii înmulțită cu durata călătoriei semnalului. Un semnal care pleacă de la un satelit aflat la 20.000 de km ajunge la tine în aproximativ 67 de miimi de secundă.

Trilaterația, pas cu pas

Metoda se numește trilaterație (nu triangulație, care folosește unghiuri). Ca s-o înțelegi, gândește-te întâi pe o hartă plată:

1. Afli că ești la aproximativ 40 km de Brașov. Asta te plasează undeva pe un cerc cu centrul în Brașov.
2. Afli că ești și la aproximativ 100 km de București. Cele două cercuri se intersectează în două puncte.
3. Afli că ești și la aproximativ 250 km de Cluj-Napoca. Doar unul dintre cele două puncte se potrivește și cu al treilea cerc.

În spațiu, cercurile devin sfere în jurul fiecărui satelit, dar logica este aceeași: intersecția sferelor dă poziția.

De ce sunt necesari patru sateliți

Teoretic, trei sfere ar fi suficiente pentru o poziție în trei dimensiuni. Problema este ceasul telefonului: un oscilator ieftin de cuarț, care nu poate ține ora la precizia de miliardimi de secundă a ceasurilor atomice. Receptorul tratează de aceea eroarea propriului ceas ca pe a patra necunoscută, alături de latitudine, longitudine și altitudine. Patru necunoscute cer patru ecuații, deci patru sateliți. Un efect secundar util: după calcul, telefonul cunoaște ora exactă, motiv pentru care sistemele de navigație sunt folosite și pentru sincronizarea rețelelor de telecomunicații și a sistemelor bancare.

Ceasurile atomice și relativitatea

Fiecare satelit are la bord mai multe ceasuri atomice, care măsoară timpul după oscilațiile unor atomi și greșesc cu cel mult câteva miliardimi de secundă pe zi. Precizia aceasta este indispensabilă: lumina parcurge aproximativ 30 de centimetri într-o nanosecundă, deci fiecare miliardime de secundă greșită înseamnă 30 de centimetri de eroare.

Aici intervine o confirmare practică a teoriei lui Einstein. Ceasurile de pe sateliți sunt influențate de două efecte opuse:

• relativitatea restrânsă: sateliții se mișcă rapid față de Pământ, deci ceasurile lor merg puțin mai încet, cu aproximativ 7 microsecunde pe zi;
• relativitatea generală: la altitudinea sateliților, gravitația este mai slabă, deci ceasurile merg mai repede, cu aproximativ 45 de microsecunde pe zi.

Efectul net este de aproximativ 38 de microsecunde pe zi în plus. Dacă nu ar fi corectat, eroarea de poziție ar crește cu circa 10 kilometri în fiecare zi. Corecția este integrată din fabricație în frecvența ceasurilor sateliților și în calculele receptoarelor.

Ce primește de fapt receptorul din telefon

Semnalul transmis de sateliți conține un cod care identifică satelitul, folosit pentru măsurarea timpului, și un mesaj de navigație cu datele necesare calculului. Semnalul ajunge la sol extrem de slab, mult sub nivelul zgomotului radio de fond; receptorul îl „scoate” din zgomot pentru că știe dinainte forma codului pe care îl caută.

Pornirea la rece și ajutorul de la rețea

Mesajul de navigație se transmite foarte încet, cu doar 50 de biți pe secundă. Un receptor pornit „la rece”, fără nicio informație prealabilă, are nevoie de cel puțin câteva zeci de secunde, uneori de minute, ca să afle unde sunt sateliții. Telefoanele scurtează timpul prin GNSS asistat (A-GNSS): descarcă efemeridele și almanahul prin internet, de pe servere care le colectează continuu, și pornesc de la o poziție aproximativă dată de rețeaua mobilă. De aceea poziția apare aproape instantaneu în oraș și mai greu pe un vârf de munte fără semnal mobil.

Sfat: Înainte de o drumeție în zone fără acoperire, deschide harta cu câteva minute înainte de plecare, cât ai încă internet, și descarcă hărțile offline ale zonei. Telefonul păstrează datele de orbită câteva ore și va găsi poziția mult mai repede pe traseu.

De ce poziția nu este mereu precisă

Sub cer liber, un telefon modern își află poziția, de obicei, cu o precizie de câțiva metri. Precizia scade mult în anumite condiții, iar fiecare sursă de eroare are o explicație fizică.

Canionul urban

Între blocurile înalte ale unui oraș, telefonul vede doar o fâșie de cer, iar multe semnale ajung după ce ricoșează pe fațade. Semnalul reflectat parcurge o distanță mai mare, deci telefonul crede că satelitul e mai departe decât este. Așa apar punctul albastru care sare pe trotuarul celălalt sau traseul de alergare care pare desenat în zigzag.

Receptoarele cu două frecvențe

Multe telefoane recente recepționează două frecvențe civile de la același satelit. Pentru că ionosfera întârzie diferit frecvențele diferite, receptorul poate calcula și elimina o bună parte din eroarea atmosferică. A doua frecvență este și mai robustă la reflexii, așa că ajută vizibil în oraș.

Cum ajută telefonul: Wi-Fi, rețea mobilă și senzori

Telefonul nu se bazează doar pe sateliți: combină mai multe surse de informație, într-un proces numit fuziunea senzorilor, și o alege pe cea mai bună pentru fiecare situație.

• Rețelele Wi-Fi din jur: fiecare router are un identificator unic. Bazele de date care asociază aceste identificatoare cu poziții aproximative permit localizarea în interior, unde semnalul de la sateliți nu ajunge.
• Antenele rețelei mobile: poziția aproximativă reiese din antenele la care este conectat telefonul și din puterea semnalului lor. Este mai puțin precisă, de la sute de metri la câțiva kilometri, dar funcționează aproape oriunde. Despre antenele noilor generații afli mai multe în articolul despre rețelele 5G.
• Accelerometrul și giroscopul: măsoară mișcarea și rotația, permițând estimarea poziției pentru câteva secunde într-un tunel.
• Busola electronică: arată încotro este îndreptat telefonul, ca harta să se rotească corect.
• Barometrul: detectează diferențele de presiune și ajută la stabilirea etajului sau a altitudinii.

Combinarea acestor date se face tot mai des chiar pe dispozitiv, fără trimiterea lor la un server, o abordare apropiată de principiile descrise în articolul despre edge computing.

Galileo și serviciile europene

Galileo este sistemul european de navigație prin satelit, conceput de la început pentru uz civil și compatibil cu GPS-ul, astfel încât receptoarele să le poată folosi împreună. Pe lângă semnalul deschis, gratuit, Galileo oferă un serviciu de autentificare a mesajului de navigație, care permite receptoarelor compatibile să verifice că semnalul provine cu adevărat de la sateliți și nu de la un emițător fals, plus un serviciu de înaltă precizie.

Europa folosește și EGNOS, un sistem de augmentare care transmite corecții prin sateliți geostaționari, util mai ales în aviație. Datele de poziție prin satelit sunt folosite și în sistemul european de apel de urgență din autoturisme, care transmite automat poziția vehiculului către numărul de urgență 112 în caz de accident grav.

Bruiajul și falsificarea semnalului

Pentru că semnalele ajung foarte slab la sol, pot fi acoperite ușor de emițătoare de bruiaj. Mai sofisticată este falsificarea (spoofing): transmiterea unor semnale false care fac receptorul să creadă că se află în altă parte. Fenomenul afectează mai ales navigația aeriană și maritimă din anumite regiuni; autentificarea semnalului Galileo este una dintre măsurile de apărare.

Confidențialitatea: cine îți vede poziția

Sateliții nu știu unde ești, dar aplicațiile de pe telefon pot ști foarte bine. Poziția calculată de telefon devine vizibilă pentru alții doar când o aplicație o citește și o trimite mai departe.

1. Verifică permisiunile: în setările telefonului, fiecare aplicație poate avea acces la poziție „întotdeauna”, „doar când aplicația e deschisă” sau „niciodată”. Pentru majoritatea aplicațiilor, a doua variantă este suficientă.
2. Folosește poziția aproximativă acolo unde sistemul oferă această opțiune, de exemplu pentru aplicațiile de vreme.
3. Verifică istoricul de locații din contul tău și șterge-l sau dezactivează-l dacă nu ai nevoie de el.
4. Atenție la fotografii: coordonatele salvate în fișiere pot dezvălui adresa de acasă.
5. Fii atent la partajarea în timp real: e utilă pentru familie, dar verifică periodic cui o mai oferi.

Datele de poziție sunt printre cele mai valoroase pentru reclamele personalizate și pentru algoritmii de recomandare. Despre felul în care se construiește profilul tău online afli mai multe în articolul despre urmărirea online. Pentru imaginea de ansamblu asupra modului în care semnalele devin biți și aplicații, vezi ghidul despre tehnologia digitală.

Localizarea prin satelit, rezumată

Localizarea prin satelit este, în fond, o măsurare a timpului: telefonul calculează cât au călătorit semnalele de la cel puțin patru sateliți, transformă întârzierile în distanțe și găsește punctul care se potrivește tuturor. Ceasurile atomice, corecțiile relativiste și datele descărcate prin internet fac posibilă o precizie de câțiva metri, iar Wi-Fi-ul și senzorii completează golurile din oraș și din clădiri.

De reținut:

• telefonul folosește simultan mai multe sisteme: GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou;
• patru sateliți sunt necesari pentru că ceasul telefonului e a patra necunoscută;
• o nanosecundă de eroare înseamnă circa 30 cm pe hartă;
• clădirile înalte și interioarele reduc precizia;
• sateliții nu te urmăresc; aplicațiile cu acces la poziție pot.