Poziționarea globală

Telefonul sau navigatorul poate arăta unde te afli pe hartă. El primește semnale de la sateliți ai sistemelor de poziționare, precum GPS și sistemul european Galileo. Sateliții trimit informații despre poziția lor și ora semnalului. Aparatul compară semnalele și calculează poziția sa; nu înseamnă că satelitul vede fiecare persoană ori că telefonul trimite obligatoriu către satelit numele ei.

Poziția apare ca un punct pe hartă, iar deplasarea poate fi arătată ca un traseu. Ca să găsești un loc, verifică și numele străzii, intrarea și direcția drumului. Punctul poate fi puțin deplasat dacă semnalul este slab, de pildă între clădiri înalte sau sub copaci. O hartă veche poate arăta un drum care între timp s-a închis.

Într-o excursie, folosești poziția pentru a vedea dacă ești pe traseul marcat, dar păstrezi și reperele din teren. Coordonatele geografice spun unde este punctul; o aplicație de navigație folosește apoi harta drumurilor ca să propună cum ajungi la destinație.

Aplicațiile de navigație se pot folosi și fără internet, dacă harta este descărcată în telefon: poziția vine de la sateliți, nu de la rețeaua de date. Totuși, harta și traficul se actualizează numai când ai conexiune. Pentru siguranță, nu te baza numai pe telefon într-o excursie la munte: bateria se poate consuma, iar semnalul poate dispărea în văi adânci.

Un aparat GPS bun funcționează afară, cu cerul deschis. În clădiri, în tuneluri sau în păduri foarte dese semnalul se slăbește, iar poziția afișată poate fi greșită sau poate lipsi.

Exemplu rezolvat. Aplicația arată că ai parcurs 6 km în 30 de minute. Cu ce viteză medie ai mers?

1. Transformi timpul în ore: 30 de minute = 0,5 ore.
2. Împarți distanța la timp: $6\text{km}:0,5\text{h}=12$ km/h.
3. Viteza medie este de 12 km/h, o viteză normală pentru bicicletă. Dacă te-ai oprit pe drum, viteza efectivă din mers a fost mai mare.

Sistemele globale de navigație prin satelit sunt numite împreună GNSS. GPS este sistemul SUA, Galileo al Uniunii Europene; există și GLONASS și BeiDou. Receptorul determină distanțe din timpul de propagare al semnalelor. Pentru poziție tridimensională și corectarea ceasului receptorului sunt necesare semnale de la cel puțin patru sateliți. Cu mai mulți sateliți și condiții bune, soluția devine în general mai stabilă, dar eroarea depinde și de reflexiile semnalului și de geometria sateliților.

Principiul de funcționare este trilaterația: distanța până la un satelit este $d=c\cdot \Delta t$, unde $c\approx 299792$ km/s este viteza luminii, iar $\Delta t$ timpul de propagare al semnalului. Satelitul GPS se află la aproximativ 20 200 km altitudine, deci semnalul care vine de la verticală ajunge în $20200/299792\approx 0,067$ s, adică circa 67 ms. Receptorul are un ceas mai puțin precis decât cele atomice de la bordul sateliților, de aceea al patrulea satelit este necesar pentru a elimina eroarea ceasului. Poziția se obține în sistemul WGS 84 și se transformă apoi în coordonatele hărții. Precizia aparatelor obișnuite este de câțiva metri în spațiu deschis și scade în orașe, păduri sau canioane stâncoase.

Sistemele GNSS sunt folosite la navigația auto, maritimă și aeriană, la agricultura de precizie, la topografie, la urmărirea animalelor sălbatice și la sincronizarea rețelelor de telecomunicații.

Pe lângă navigarea auto, GNSS permite măsurarea mișcării scoarței: stații fixe cu receptori de mare precizie înregistrează deplasări de ordinul milimetrilor pe an, ceea ce confirmă mișcarea plăcilor tectonice. Orice sistem de poziționare cere o rețea de sateliți bine distribuiți pe cer: dacă sunt grupați într-o singură parte, geometria slabă înrăutățește precizia.

Exemplu analizat — explicația ESA pentru Galileo. Trei distanțe restrâng mult poziția posibilă; a patra măsurătoare permite ajustarea ceasului receptorului. Într-o stradă îngustă cu clădiri înalte, semnalele reflectate pot muta punctul aparent pe strada vecină. De aceea, poziția afișată se confruntă cu reperele vizibile, mai ales la o intersecție.

Exemplu rezolvat 1 — de ce ceasul trebuie să fie precis. Dacă ceasul receptorului are o eroare de o microsecundă ($10^{-6}$ s), distanța calculată se modifică cu $299792\text{km/s}\cdot 10^{-6}\text{s}\approx 0,3$ km, adică aproape 300 m. Pentru a obține o precizie de câțiva metri, ceasurile trebuie sincronizate la câteva miliardimi de secundă.

Exemplu rezolvat 2 — lungimea unui traseu din puncte. Un traseu este înregistrat prin puncte la distanțe de 1 secundă. La viteza de 5 km/h (aproximativ 1,4 m/s), punctele sunt la 1,4 m unul de altul. Eroarea de poziție a fiecărui punct, de ordinul a 3–5 m, este mai mare decât distanța dintre puncte, de aceea traseul înregistrat pare în zigzag și măsoară mai mult decât drumul real. Aplicațiile netezesc linia pentru a corecta acest efect.

Greșeli frecvente

• Greșit: GPS este numele tuturor sistemelor de sateliți de navigație.
  Corect: GPS este unul dintre sistemele GNSS; Galileo este altul.
• Greșit: Punctul de pe telefon nu are eroare.
  Corect: Calitatea semnalului și actualitatea hărții pot schimba poziția afișată.
• Greșit: Telefonul trimite semnale către sateliți ca să afle unde ești.
  Corect: Receptorul doar primește semnale de la sateliți și își calculează singur poziția.

Înainte și după