Jak działa GPS i dlaczego czasami się myli?

GPS jest jednym z tych wynalazków, z których korzystamy tak często, że przestaliśmy się zastanawiać, jak właściwie działa. Włączamy mapę, wpisujemy adres i po kilku sekundach widzimy niebieską kropkę pokazującą, gdzie jesteśmy. Samochód prowadzi nas przez nieznane miasto, telefon podpowiada najbliższą restaurację, a zegarek potrafi zapisać trasę naszego spaceru z dokładnością do kilku metrów.

Problem pojawia się wtedy, gdy GPS nagle stwierdza, że znajdujemy się na środku ulicy, w sąsiednim budynku albo nawet kilkadziesiąt metrów od miejsca, w którym rzeczywiście stoimy. Czy system, który pozwala samolotom, statkom i samochodom określać swoje położenie, naprawdę może się tak zwyczajnie pomylić?

GPS nie wie, gdzie jesteś. On to oblicza!

Najważniejsza rzecz do zrozumienia jest prosta: odbiornik GPS nie dostaje od satelity komunikatu w rodzaju „jesteś tutaj”.

Satelity systemu GPS krążą wokół Ziemi i nieustannie wysyłają sygnały radiowe zawierające między innymi informacje o swoim położeniu oraz bardzo dokładny czas wysłania sygnału. Telefon, samochodowa nawigacja czy smartwatch odbiera te sygnały i mierzy, ile czasu potrzebował sygnał na dotarcie do urządzenia.

Ponieważ fale radiowe poruszają się z prędkością światła, znając czas podróży sygnału można oszacować odległość od satelity.

Jeden satelita pozwala więc określić, że znajdujemy się gdzieś w określonej odległości od niego. Matematycznie oznacza to całą sferę możliwych pozycji.

Dwa satelity zawężają obszar. Trzy pozwalają określić położenie znacznie dokładniej. W praktyce odbiornik potrzebuje jednak sygnału z co najmniej czterech satelitów, aby jednocześnie ustalić pozycję w trzech wymiarach oraz skorygować błąd zegara znajdującego się w urządzeniu.

I właśnie tutaj zaczyna się cała magia.

Dlaczego potrzebne są aż cztery satelity?

Satellity GPS posiadają niezwykle dokładne zegary atomowe. Twój telefon takiego zegara oczywiście nie ma.

Nawet niewielki błąd pomiaru czasu może spowodować ogromną różnicę w obliczonej pozycji. Przy prędkości światła nawet milionowa część sekundy przekłada się na setki metrów różnicy.

Odbiornik wykorzystuje więc sygnały z kilku satelitów, aby jednocześnie wyliczyć swoją pozycję i błąd własnego zegara.

W uproszczeniu można powiedzieć, że urządzenie rozwiązuje układ równań:

Gdzie jestem + jaki jest błąd mojego zegara?

Do rozwiązania tego problemu potrzebne są dodatkowe dane, dlatego standardowo wykorzystuje się co najmniej cztery satelity.

Im więcej satelitów urządzenie może wykorzystać, tym więcej informacji ma do dyspozycji.

GPS nie oznacza wyłącznie amerykańskiego GPS

Potocznie wszystkie systemy pozycjonowania nazywamy GPS, ale technicznie jest to tylko jeden z globalnych systemów nawigacji satelitarnej, czyli GNSS.

Oprócz amerykańskiego GPS istnieją między innymi:

• europejski Galileo,
• rosyjski GLONASS,
• chiński BeiDou.

Nowoczesny smartfon może korzystać jednocześnie z kilku takich systemów. Oznacza to dostęp do większej liczby satelitów i potencjalnie dokładniejsze określenie pozycji.

Dlatego współczesna nawigacja jest znacznie bardziej zaawansowana niż klasyczny GPS kojarzony z pierwszymi odbiornikami satelitarnymi.

Skoro satelity są tak dokładne, skąd biorą się błędy?

Bo sygnał nie leci w idealnej próżni prosto od satelity do telefonu.

Po drodze przechodzi przez atmosferę, a następnie dociera do urządzenia, często po odbiciu od różnych powierzchni.

Każdy z tych etapów może wprowadzić niewielki błąd.

Atmosfera

Sygnał GPS przechodzi przez jonosferę i troposferę. Właściwości tych warstw atmosfery wpływają na prędkość propagacji sygnału, przez co obliczenie odległości od satelity nie jest idealne.

Systemy GNSS stosują modele i korekty, które ograniczają ten problem, ale nie są w stanie całkowicie go wyeliminować.

Odbicia sygnału

To jeden z powodów, dla których GPS potrafi zachowywać się dziwnie w mieście.

Sygnał może odbić się od ściany budynku, zanim dotrze do telefonu. Urządzenie interpretuje wtedy sygnał tak, jakby przebył dłuższą drogę bezpośrednio od satelity.

W efekcie pozycja może zostać przesunięta.

Dlatego stojąc między wysokimi budynkami można zobaczyć na mapie swoją lokalizację przesuwającą się po sąsiednich ulicach.

Budynki i drzewa

GPS najlepiej działa przy stosunkowo dobrej widoczności nieba. Beton, metal i inne materiały mogą osłabiać lub blokować sygnał.

Duży problem mogą stanowić również gęste drzewa.

Telefon znajdujący się w lesie albo wewnątrz budynku ma znacznie trudniejsze zadanie niż urządzenie znajdujące się na otwartej przestrzeni.

Liczba satelitów to nie wszystko

Można by pomyśleć, że skoro telefon widzi kilkanaście satelitów, powinien zawsze wskazywać pozycję z dokładnością do kilku centymetrów.

Tak to nie działa.

Bardzo ważne jest również rozmieszczenie satelitów na niebie.

Jeżeli wszystkie znajdują się w podobnym kierunku, pomiary mogą być mniej precyzyjne. Jeżeli są dobrze rozłożone wokół odbiornika, geometria pomiaru jest korzystniejsza.

To zjawisko opisuje się między innymi za pomocą parametrów DOP, czyli Dilution of Precision. W uproszczeniu: nawet duża liczba satelitów nie gwarantuje dobrej dokładności, jeśli ich geometria jest niekorzystna.

Telefon nie korzysta tylko z satelitów!

Współczesny smartfon ma do dyspozycji znacznie więcej informacji.

Może łączyć dane GNSS z:

• sieci komórkowych,
• Wi-Fi,
• akcelerometru,
• żyroskopu,
• magnetometru,
• map cyfrowych.

Dzięki temu telefon może określić swoją pozycję nawet wtedy, gdy sygnał satelitarny jest słaby.

Jeżeli przechodzimy przez centrum miasta i na chwilę tracimy dobry sygnał GPS, urządzenie może wykorzystać dane z czujników ruchu oraz wcześniejszej pozycji, aby oszacować, gdzie prawdopodobnie się znajdujemy.

Dlatego niebieska kropka na mapie może poruszać się płynnie nawet wtedy, gdy telefon nie ma idealnego połączenia z satelitami.

Dlaczego GPS czasami pokazuje, że jesteśmy na innej ulicy?

Najczęściej winna jest kombinacja kilku czynników.

Telefon może mieć ograniczony widok nieba, sygnał może odbijać się od budynków, a dostępne satelity mogą być niekorzystnie rozmieszczone.

Do tego dochodzi sposób działania samej aplikacji.

Mapa nie zawsze pokazuje surowy pomiar GPS. Oprogramowanie może próbować dopasować wykrytą pozycję do infrastruktury drogowej.

Jeżeli system uzna, że samochód prawdopodobnie znajduje się na drodze, może skorygować pozycję do najbliższej jezdni. Czasami działa to świetnie. Innym razem prowadzi do absurdalnej sytuacji, w której GPS twierdzi, że jedziemy równoległą ulicą.

A co z dokładnością do kilku metrów?

Tutaj również trzeba uważać.

Popularne urządzenia konsumenckie często potrafią określać pozycję z dokładnością rzędu kilku metrów w dobrych warunkach. Nie oznacza to jednak, że urządzenie zawsze zna położenie z dokładnością do jednego czy dwóch metrów.

Na otwartej przestrzeni wynik może być bardzo dobry. W centrum miasta, lesie, wąwozie czy wewnątrz budynku sytuacja może wyglądać zupełnie inaczej.

Istnieją również profesjonalne techniki pozycjonowania, takie jak RTK, które przy odpowiedniej infrastrukturze pozwalają osiągać dokładność na poziomie centymetrów. To jednak zupełnie inna klasa sprzętu i metod pomiarowych niż GPS w smartfonie.

Czy można całkowicie zgubić GPS?

Oczywiście.

Wystarczy znaleźć się w miejscu, gdzie sygnał satelitarny jest bardzo słaby albo zablokowany.

Dotyczy to między innymi:

• tuneli,
• podziemnych parkingów,
• piwnic,
• wnętrz części budynków,
• miejsc otoczonych wysokimi konstrukcjami.

Co ciekawe, telefon niekoniecznie natychmiast przestanie pokazywać pozycję. Może jeszcze przez jakiś czas szacować ją na podstawie wcześniejszych danych i czujników.

To jednak będzie już bardziej prognoza niż bezpośredni pomiar satelitarny.

GPS jest niezwykle dokładny, ale nie jest magiczny

Cały system działa dzięki połączeniu bardzo precyzyjnych zegarów, satelitów, fizyki, matematyki i skomplikowanych algorytmów.

Mimo tego pozostaje podatny na błędy.

Atmosfera zmienia właściwości sygnału. Budynki powodują odbicia. Drzewa ograniczają widoczność satelitów. Zła geometria satelitów pogarsza obliczenia, a sam odbiornik również ma swoje ograniczenia.

Dlatego GPS należy traktować jako bardzo dokładny system pomiarowy, a nie urządzenie posiadające absolutną wiedzę o naszym położeniu.

I właśnie dlatego czasami możemy zobaczyć niebieską kropkę stojącą kilka metrów od nas, przesuwającą się po sąsiedniej ulicy albo znajdującą się przez chwilę po drugiej stronie budynku.