L'ultima volta che hai usato il tuo telefono per fare in modo che Google Maps indichi la tua posizione esatta^{(Google Maps pinpoint your exact location)} su una mappa, ti sei mai fermato e ti sei chiesto come fa il GPS^(GPS) a funzionare in modo così accurato?

Il sistema Global Positioning System^{(Global Positioning System)} ( GPS ) è stato effettivamente lanciato dal Dipartimento^{(U.S. Department)} della Difesa^(Defense) degli Stati Uniti nel 1973 (noto come NAVSTAR ). Nel 1993 c'erano 24 satelliti GPS in orbita attorno alla Terra e che trasmettevano dati orbitali e posizionali che i militari potevano utilizzare per la navigazione e altri scopi militari. Oggi, al momento in cui scrivo, sono 28.

Negli anni '80, i dati trasmessi dai satelliti GPS sono stati aperti al pubblico, il che ha aperto un intero mercato per l'ampio assortimento di dispositivi di navigazione GPS che abbiamo oggi. 

Al momento della stesura di questo articolo, Russia , Cina^(China) , Europa^(Europe) e India hanno tutti i propri sistemi GPS attivi . Il Giappone^(Japan) sta sviluppando il proprio sistema GPS che dovrebbe essere operativo nel 2023.

Come funziona il GPS?^{(How Does GPS Work?)}

Sebbene la tecnologia satellitare su cui si basa il GPS sia molto avanzata, il modo in cui il sistema opera è straordinariamente semplice.

Ci sono tre componenti per ogni singolo sistema di navigazione GPS .

• Satelliti^(Satellites) : i satelliti GPS orbitano attorno alla Terra^(Earth) e trasmettono la loro ora attuale e la posizione orbitale a tutti i ricevitori GPS dalla loro parte del pianeta.
• Centro di comando^{(Command Center)} : il centro di comando trasmette i dati orbitali, le correzioni temporali e la posizione orbitale di altri satelliti fino ai satelliti in orbita.
• Ricevitori GPS^{(GPS Receivers)} : un ricevitore GPS sulla Terra^(Earth) riceve i tempi orbitali da altrettanti satelliti entro la portata e calcola la propria posizione sulla Terra^(Earth) in base alle posizioni di almeno quattro satelliti GPS .

I ricevitori GPS^(GPS) utilizzano un principio matematico noto come triangolazione per calcolare la propria posizione. 

Come funziona la triangolazione GPS^{(How Does GPS Triangulation Work)}

Da qualsiasi punto del pianeta, se hai in mano un ricevitore GPS (come quello del tuo telefono), un ricevitore GPS riceve i timestamp dagli orologi sincronizzati su ciascuno dei satelliti GPS sopra la testa.^(GPS)

Utilizzando le differenze nei timestamp e la velocità costante della luce alla quale viaggiano le onde radio, il ricevitore GPS può determinare la distanza tra il punto in cui ti trovi e ciascun satellite.

Ciò fornisce al ricevitore GPS il raggio delle sfere con i satelliti al centro e la tua posizione al bordo della sfera.

Poiché ogni satellite viaggia in un'orbita prevedibile sulla terra, il ricevitore può utilizzare un almanacco memorizzato dell'attuale posizione nota di tutti i satelliti GPS per determinare dove, approssimativamente, si trovano attualmente quei satelliti sulla terra.

Con la posizione nota di ciascun satellite e la distanza misurata tra quei satelliti e la tua posizione, la tua ricezione GPS è in grado di calcolare la tua posizione approssimativa determinando dove si incontrano l'intersezione di queste tre sfere sulla superficie della Terra^(Earth) .

Il ricevitore ti mostra quindi quella posizione su una mappa.

Tre satelliti forniscono una posizione approssimativa e i ricevitori GPS richiedono un quarto segnale da un altro satellite GPS per determinare l'altitudine attuale sulla superficie terrestre utilizzando un altro principio matematico noto come trilaterazione.

Come funziona il sensore GPS del tuo telefono^{(How Your Phone GPS Sensor Works)}

La maggior parte degli smartphone moderni oggi è dotata di un chip ricevitore GPS . Questo chip può ricevere i segnali radio dai satelliti GPS .

L'orologio del tuo telefono non è un orologio atomico, quindi la sua ora non è sincronizzata con gli orologi atomici dei satelliti in orbita. Tuttavia, questo non importa quando si tratta di calcolare la posizione utilizzando i segnali di quei satelliti.

Questo perché il ricevitore GPS del tuo telefono si sta concentrando sui dati che riceve dai satelliti e su un database di posizioni satellitari conosciute sulla Terra^(Earth) . Poiché tutti i satelliti hanno un orologio atomico, l'ora corrente su ciascun satellite è esattamente la stessa in un dato momento.

Tuttavia, a causa della distanza dal satellite e del fatto che i segnali radio viaggiano alla velocità della luce, le differenze tra ciascun timestamp ricevuto rivelano la distanza tra il telefono e ciascuno dei satelliti.

Ecco come funziona questo processo GPS:

• Tutti e quattro i satelliti trasmettono lo stesso timestamp esatto al telefono alle 17:12:14.
• Il tuo telefono riceve quel timestamp alle 5:12:15 dal satellite 1.
• Riceve il timestamp alle 5:12:16 dal satellite 2.
• Infine, alle 5:12:17, riceve il timestamp dal satellite 3.

Questo dice al tuo ricevitore GPS che il segnale radio ha impiegato 1 secondo per raggiungerlo dal satellite 1, 2 secondi dal satellite 2 e 3 secondi dal satellite 3.

La velocità della luce è una costante nota di 299.792.458 metri al secondo.

Usando semplici calcoli, il ricevitore può calcolare che la sua distanza è di circa 300mila metri dal satellite 1, 600mila metri dal satellite 2 e 900mila metri dal satellite 3.

Utilizzando una tabella di ricerca da un database satellitare GPS , il ricevitore ^(GPS)GPS del telefono conosce la posizione corrente approssimativa sulla terra di tutti e tre i satelliti, che fornisce le coordinate di longitudine e latitudine di tutti e tre. 

Con queste informazioni, il tuo telefono è in grado di calcolare le tue coordinate di longitudine e latitudine^{(your own longitude and latitude coordinates)} sulla Terra.

Utilizzando le tue coordinate conosciute, il tuo ricevitore GPS può quindi utilizzare la distanza misurata tra se stesso e un quarto satellite per determinare l'altitudine sopra la Terra^(Earth) in cui ti trovi.

Che cos'è un sistema di posizionamento globale assistito?^{(What Is An Assisted Global Positioning System?)}

Prima che gli smartphone iniziassero a integrare i circuiti GPS , le persone in genere utilizzavano ricevitori ^(GPS)GPS portatili che funzionavano con batterie AA. Oppure avrebbero installato unità GPS nelle auto, che funzionavano collegate alla batteria del telefono.

Questo perché la comunicazione radio richiede più potenza. Il limite di questo è che spesso dovevi aspettare diversi minuti affinché il tuo ricevitore GPS si "agganciasse" a un numero sufficiente di satelliti GPS per calcolare la tua posizione.

I produttori di smartphone hanno aggirato questa limitazione della batteria combinando la tecnologia esistente di triangolazione cellulare. Molto^(Long) prima che i telefoni fossero abilitati al GPS , potevano utilizzare i segnali provenienti dai ripetitori dei cellulari per triangolare la tua posizione, utilizzando lo stesso tipo di timestamp di triangolazione e tecnologia della distanza dei satelliti  GPS .

Sfortunatamente, poiché le torri dei telefoni cellulari sono a livello del suolo, questo calcolo di navigazione è molto meno accurato. Quindi il software GPS del tuo smartphone utilizzerà prima la triangolazione del segnale cellulare per determinare la tua posizione approssimativa, quindi aggiornerà quella posizione una volta che i dati GPS satellitari saranno pronti.

Ciò consente agli smartphone moderni di riservare la carica della batteria utilizzando i dati GPS solo quando sono richiesti gli aggiornamenti della posizione. Questo è il motivo per cui potresti vedere spesso la tua posizione^{(see your location)} su Google Maps , di tanto in tanto, passare a una nuova posizione quando sono disponibili dati più accurati.

HDG Explains : How Does GPS Work?

The last time you used 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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