A última vez que você usou seu telefone para que o Google Maps identificasse sua localização exata^{(Google Maps pinpoint your exact location)} em um mapa, você já parou e se perguntou como o GPS funciona com tanta precisão?

O sistema Global Positioning System^{(Global Positioning System)} ( GPS ) foi lançado pelo Departamento^{(U.S. Department)} de Defesa^(Defense) dos EUA em 1973 (conhecido como NAVSTAR ). Em 1993, havia 24 satélites GPS orbitando a Terra e transmitindo dados orbitais e posicionais que os militares poderiam usar para navegação e outros fins militares. Hoje, no momento da redação deste artigo, existem 28.

Na década de 1980, os dados transmitidos por satélites GPS foram abertos ao público, o que abriu todo um mercado para a ampla variedade de dispositivos de navegação GPS que temos hoje. 

No momento da redação deste artigo, Rússia^(Russia) , China , Europa^(Europe) e Índia^(India) têm seus próprios sistemas GPS ativos . O Japão^(Japan) está desenvolvendo seu próprio sistema GPS com previsão de entrar em operação em 2023.

Como funciona o GPS?^{(How Does GPS Work?)}

Embora a tecnologia de satélite na qual o GPS se baseia seja muito avançada, a maneira como o sistema opera é impressionantemente simples.

Existem três componentes para qualquer sistema de navegação GPS individual.^(GPS)

• Satélites^(Satellites) : Os satélites GPS orbitam a Terra^(Earth) e transmitem sua hora atual e posição orbital para todos os receptores GPS em seu lado do planeta.
• Centro de Comando^{(Command Center)} : O centro de comando transmite dados orbitais, correções de tempo e a posição orbital de outros satélites até os satélites em órbita.
• Receptores GPS^{(GPS Receivers)} : Um receptor GPS na Terra^(Earth) recebe tempos orbitais de tantos satélites dentro do alcance e calcula sua própria posição na Terra^(Earth) com base nas posições de pelo menos quatro satélites GPS .

Os receptores GPS^(GPS) utilizam um princípio matemático conhecido como triangulação para calcular sua própria localização. 

Como funciona a triangulação GPS^{(How Does GPS Triangulation Work)}

De qualquer ponto do planeta, se você estiver segurando um receptor GPS (como o do seu telefone), um receptor GPS recebe carimbos de hora dos relógios sincronizados em cada um dos satélites GPS acima.^(GPS)

Usando as diferenças nos carimbos de data e hora e a velocidade constante da luz na qual as ondas de rádio viajam, o receptor GPS pode determinar a distância entre onde você está e cada satélite.

Isso fornece ao receptor GPS o raio das esferas com os satélites no centro e sua localização na borda da esfera.

Como cada satélite viaja em uma órbita previsível sobre a Terra, o receptor pode usar um almanaque armazenado da posição atual conhecida de todos os satélites GPS para determinar onde, aproximadamente, esses satélites estão atualmente localizados sobre a Terra.

Com a posição conhecida de cada satélite e a distância medida entre esses satélites e sua posição, seu receptor GPS é capaz de calcular sua localização aproximada determinando onde a interseção dessas três esferas se encontram na superfície da Terra^(Earth) .

O receptor então exibe essa localização para você em um mapa.

Três satélites fornecem uma localização aproximada e os receptores GPS requerem um quarto sinal de outro satélite GPS para determinar sua altitude atual na superfície da Terra usando outro princípio matemático conhecido como trilateração.

Como funciona o sensor GPS do seu telefone^{(How Your Phone GPS Sensor Works)}

A maioria dos smartphones modernos de hoje vem equipada com um chip receptor GPS . Este chip pode receber os sinais de rádio dos satélites GPS .

O relógio do seu telefone não é um relógio atômico, portanto, seu horário não é sincronizado com os relógios atômicos dos satélites em órbita. No entanto, isso não importa quando se trata de calcular a localização usando sinais desses satélites.

Isso ocorre porque o receptor GPS do seu telefone está se concentrando nos dados que recebe dos satélites e em um banco de dados de localizações conhecidas de satélites na Terra^(Earth) . Como todos os satélites têm um relógio atômico, a hora atual em cada satélite é exatamente a mesma em qualquer momento.

No entanto, devido à distância do satélite e ao fato de os sinais de rádio viajarem na velocidade da luz, as diferenças entre cada carimbo de data e hora recebidos revelam a distância entre seu telefone e cada um dos satélites.

Veja como esse processo de GPS funciona:

• Todos os quatro satélites transmitem o mesmo timestamp exato para o seu telefone às 17h12min14s.
• Seu telefone recebe esse carimbo de data/hora às 5:12:15 do satélite 1.
• Ele recebe o timestamp às 5:12:16 do satélite 2.
• Finalmente, às 5:12:17, ele recebe o timestamp do satélite 3.

Isso informa ao seu receptor GPS que levou 1 segundo para o sinal de rádio chegar do satélite 1, 2 segundos do satélite 2 e 3 segundos do satélite 3.

A velocidade da luz é uma constante conhecida de 299.792.458 metros por segundo.

Usando matemática simples, o receptor pode calcular que sua distância é de aproximadamente 300 mil metros do satélite 1, 600 mil metros do satélite 2 e 900 mil metros do satélite 3.

Usando uma tabela de pesquisa de um banco de dados de satélites GPS , o receptor ^(GPS)GPS do seu telefone conhece a localização atual aproximada sobre a Terra de todos os três satélites, o que fornece as coordenadas de longitude e latitude de todos os três. 

Com essas informações, seu telefone é capaz de calcular suas próprias coordenadas de longitude e latitude^{(your own longitude and latitude coordinates)} na Terra.

Usando suas coordenadas conhecidas, seu receptor GPS pode então usar a distância medida entre ele e um quarto satélite para determinar qual altitude acima da Terra^(Earth) você está localizado.

O que é um sistema de posicionamento global assistido?^{(What Is An Assisted Global Positioning System?)}

Antes dos smartphones começarem a integrar os circuitos GPS , as pessoas normalmente usavam receptores GPS portáteis que funcionavam com pilhas AA. Ou eles instalavam unidades de GPS nos carros, que funcionavam conectados à bateria do telefone.

Isso ocorreu porque a comunicação de rádio requer mais energia. A limitação disso é que muitas vezes você tinha que esperar vários minutos para que seu receptor GPS “bloqueasse” satélites GPS suficientes para calcular sua posição.

Os fabricantes de smartphones contornaram essa limitação de bateria combinando sua tecnologia existente de triangulação celular. Muito^(Long) antes de os telefones serem habilitados para GPS , eles podiam usar sinais vindos de torres de celular para triangular sua posição, usando o mesmo tipo de marcação de data e hora de triangulação e tecnologia de distância dos satélites  GPS .

Infelizmente, como as torres de telefonia celular estão no nível do solo, esse cálculo de navegação é muito menos preciso. Portanto, o software GPS^(GPS) do seu smartphone primeiro usará a triangulação do sinal celular para determinar sua posição aproximada e, em seguida, atualizará essa posição quando os dados do GPS do satélite estiverem prontos.

Isso permite que os smartphones modernos reservem energia da bateria usando apenas dados de GPS quando essas atualizações de localização forem necessárias. É por isso que muitas vezes você pode ver seu local^{(see your location)} no Google Maps ocasionalmente pular para um novo local quando dados mais precisos estiverem disponíveis.

HDG Explains : How Does GPS Work?

The last time уou usеd your phone to have Google Maps pinpoint your exact location on a map, did you ever stop and wonder how does GPS work so accurately?

The Global Positioning System (GPS) system was actually launched by the U.S. Department of Defense in 1973 (known as NAVSTAR). By 1993, there were 24 GPS satellites orbiting the Earth and broadcasting orbital and positional data that the military could use for navigational and other military purposes. Today, as of this writing, there are 28.

In the 1980s, data transmitted from GPS satellites were opened up to the public, which opened up an entire market for the wide assortment of GPS navigation devices we have today. 

As of the writing of this article, Russia, China, Europe, and India all have their own active GPS systems. Japan is developing its own GPS system slated to be operational in 2023.

How Does GPS Work?

While the satellite technology GPS is based on is very advanced, the way the system operates is impressively simple.

There are three components to any individual GPS navigational system.

• Satellites: GPS satellites orbit the Earth and transmit their current time and orbital position to all GPS receivers on their side of the planet.
• Command Center: The command center transmits orbital data, time corrections, and the orbital position of other satellites up to the satellites in orbit.
• GPS Receivers: A GPS receiver on Earth receives orbital times from as many satellites within range, and calculates its own position on Earth based on the positions of at least four GPS satellites.

GPS receivers utilize a mathematical principle known as triangulation to calculate its own location. 

How Does GPS Triangulation Work

From any point on the planet, if you’re holding a GPS receiver (like the one in your phone), a GPS receiver receives time stamps from the synchronized clocks on each of the GPS satellites overhead.

Using the differences in timestamps, and the constant speed of light at which radio waves travel, the GPS receiver can determine the distance between where you’re standing to each satellite.

This provides the GPS receiver with the radius of the spheres with the satellites at the center, and your location at the edge of the sphere.

Since each satellite travels in a predictable orbit over the earth, the receiver can use a stored almanac of the current known position of all GPS satellites to determine where, approximately, those satellites are currently located over the earth.

With the known position of each satellite, and the measured distance between those satellites and your position, your GPS receive is able to calculate your approximate location by determining where the intersection of those three spheres come together on the surface of the Earth.

The receiver then displays that location to you on a map.

Three satellites provide a rough location, and GPS receivers require a fourth signal from another GPS satellite to determine your current altitude on the Earth’s surface using another mathematical principle known as trilateration.

How Your Phone GPS Sensor Works

Most modern smartphones today come equipped with a GPS receiver chip. This chip can receive the radio signals from GPS satellites.

Your phone’s clock is not an atomic clock, so its time isn’t synced with the atomic clocks of the satellites in orbit. However, this doesn’t matter when it comes to calculating location using signals from those satellites.

This is because your phone’s GPS receiver is focusing on the data it receives from the satellites, and a database of known satellite locations over the Earth. Since all of the satellites do have an atomic clock, the current time on each satellite is exactly the same at any given moment.

However, due to distance from the satellite, and the fact that the radio signals travel at the speed of light, the differences between each received timestamp reveals the distance between your phone and each of the satellites.

Here’s how this GPS process works:

• All four satellites transmit the same exact timestamp to your phone at 5:12:14 PM.
• Your phone receives that timestamp at 5:12:15 from satellite 1.
• It receives the timestamp at 5:12:16 from satellite 2.
• Finally, at 5:12:17, it receives the timestamp from satellite 3.

This tells your GPS receiver that it took 1 second for the radio signal to reach it from satellite 1, 2 seconds from satellite 2, and 3 seconds from satellite 3.

The speed of light is a known constant of 299,792,458 meters per second.

Using simple math, the receiver can calculate that its distance is roughly 300 thousand meters from satellite 1, 600 thousand meters from satellite 2, and 900 thousand meters from satellite 3.

Using a lookup table from a GPS satellite database, your phone’s GPS receiver knows the approximate current location over the earth of all three satellites, which provides longitude and latitude coordinates of all three. 

With that information, your phone is able to calculate your own longitude and latitude coordinates on the Earth.

Using your known coordinates, your GPS receiver can then use the distance measured between itself and a fourth satellite to determine what altitude above the Earth you’re located.

What Is An Assisted Global Positioning System?

Before smartphones started integrating GPS circuitry, people typically would use handheld GPS receivers that ran off AA batteries. Or they would install GPS units in cars, which ran connected to the phone’s battery.

This was because radio communication requires more power. The limitation of this is that you often had to wait several minutes for your GPS receiver to “lock onto” enough GPS satellites to calculate your position.

Smartphone manufacturers got around this battery limitation by combining its existing technology of cellular triangulation. Long before phones were GPS enabled, they could use signals coming from cellphone towers to triangulate your position, using the same sort of triangulation timestamp and distance technology as with GPS satellites. 

Unfortunately, because cell phone towers are at ground level, this navigational calculation is far less accurate. So your smartphone GPS software will first use cell signal triangulation to determine your approximate position, and then update that position once satellite GPS data is ready.

This allows modern smartphones to reserve battery power by only using GPS data when those location updates are required. This is why you may often see your location on Google Maps occasionally jump to a new location when more accurate data is available.

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