Anda mungkin tidak memikirkannya. Anda membuka Google Maps, ketuk “mulai”, dan percaya bahwa chip kecil di saku Anda mengetahui dengan tepat di mana Anda berada. Anda melacak lari Anda. Anda menunggu makanan Anda. Ini berhasil. Namun pernahkah Anda bertanya-tanya bagaimana perangkat tanpa mata dapat menentukan lokasi Anda di planet yang lebarnya 7.900 mil?
Hampir setiap smartphone memiliki penerima GPS. Itu berarti ponsel Anda terus-menerus berkomunikasi dengan luar angkasa. Secara khusus, ia mendengarkan konstelasi satelit yang mengelilingi bumi dengan kecepatan luar biasa. Jika Anda bisa melihat langit dengan jelas, Anda tidak akan pernah tersesat. Namun jika Anda berada di dalam ruangan, jauh di dalam ngarai, atau di bawah naungan pohon lebat, sinyal tersebut akan hilang. Memahami mekanisme di balik teknologi ini berguna. Ini menjelaskan mengapa lokasi Anda terkadang berpindah-pindah dan mengapa Anda memerlukan koneksi internet untuk mendapatkan nama jalan lengkap.
Apa itu GPS?
Ketika orang mengatakan “Saya menggunakan GPS saya”, yang mereka maksud biasanya adalah aplikasi di ponsel mereka. Mereka mengacu pada penerima. Namun Global Positioning System (GPS) sendiri merupakan jaringan yang sangat besar. Ini bukan hanya satu hal. Ini adalah konstelasi satelit.
Militer AS membangun sistem ini. Awalnya, itu untuk navigasi, penargetan, dan koordinasi. Lalu, mereka membukanya. Kini, warga sipil menggunakannya untuk segala hal mulai dari penerbangan hingga pelacakan pengiriman paket.
Infrastrukturnya berat. Setiap satelit memiliki berat antara 3.000 dan 4.000 pon. Mereka adalah mesin bertenaga surya yang mengelilingi bumi pada ketinggian sekitar 12.427 mil (20.000 km). Mereka bergerak cepat. Setiap satelit menyelesaikan dua orbit penuh setiap 24 jam.
Saat ini terdapat 31 satelit operasional di orbit. Empat lainnya diklasifikasikan sebagai cadangan atau “tidak sehat”. Geometri orbitnya disengaja. Sistem ini dirancang sedemikian rupa sehingga pada waktu tertentu, di mana pun di Bumi, setidaknya empat satelit “terlihat”.
Visibilitas itu adalah kuncinya. Ponsel Anda tidak dapat menebaknya. Ini menghitung. Ia menggunakan satelit-satelit ini untuk menentukan lokasi tepat Anda.
Bagaimana Cara Kerja GPS?
Prosesnya ternyata sangat logis. Penerima GPS Anda mencari. Ini mengunci sinyal dari empat atau lebih satelit. Ini mengukur waktu yang diperlukan agar sinyal tersebut tiba. Sejak saat itu, ia menghitung jarak ke setiap satelit.
Di sinilah trilaterasi berperan.
Trilaterasi terdengar rumit. Itu hanya geometri. Dalam ruang tiga dimensi, hal ini bisa menjadi rumit. Jadi mari kita uraikan dengan contoh yang lebih sederhana. Trilaterasi dua dimensi.
Bayangkan Anda tersesat. Pusat kematian di Amerika Serikat. Tidak ada peta. Tidak tahu. Anda bertanya kepada penduduk setempat, “Di mana saya?”
Dia berkata, “Anda berada 625 mil dari Boise, Idaho.”
Itu adalah fakta. Namun hal itu tidak membantu jika berdiri sendiri. Anda bisa berada di mana saja dalam lingkaran dengan Boise sebagai pusatnya dan radius 625 mil.
Anda bertanya kepada orang lain di mana Anda berada, dan dia berkata, “Anda berada 690 mil dari Minneapolis, Minnesota.” Sekarang Anda sampai di suatu tempat.
Jika Anda menggabungkan informasi ini dengan informasi Boise, Anda akan mendapatkan dua lingkaran yang berpotongan. Anda sekarang tahu bahwa Anda harus berada di salah satu dari dua titik persimpangan ini, jika Anda berada 625 mil dari Boise dan 690 mil dari Minneapolis:
Inilah prinsip dasar di balik cara kerja triangulasi GPS. Setiap satelit memberikan pengukuran jarak, menciptakan sebuah bola (bukan lingkaran, karena kita berada dalam ruang 3D) yang berpusat pada satelit tersebut. Posisi Anda adalah tempat perpotongan bola-bola ini.
Dengan dua satelit, Anda mendapatkan dua titik persimpangan. Dengan tiga, Anda mempersempitnya menjadi satu titik di permukaan bumi. Tapi inilah masalahnya: masih ada ambiguitas. Kelengkungan bumi dan geometri satelit berarti Anda mungkin memiliki dua kemungkinan lokasi—satu di permukaan dan satu lagi di luar angkasa.
Itu sebabnya mengapa GPS memerlukan setidaknya empat satelit untuk penentuan posisi yang akurat. Satelit keempat menyelesaikan ambiguitas waktu. Penerima GPS menghitung posisi dengan mengukur waktu yang dibutuhkan sinyal untuk berpindah dari satelit. Karena cahaya merambat dengan kecepatan tetap, pengukuran waktu diterjemahkan langsung ke jarak.
Ketepatan lokasi Anda bergantung pada beberapa faktor:
- Geometri satelit : Satelit yang tersebar di langit memberikan akurasi yang lebih baik dibandingkan satelit yang berkumpul dalam satu arah
- Gangguan sinyal : Bangunan, pepohonan, dan kondisi atmosfer dapat menunda atau memblokir sinyal
- Kualitas receiver : Receiver kelas militer menawarkan akurasi tingkat sentimeter, sedangkan perangkat konsumen biasanya mencapai presisi 5-10 meter
Ponsel cerdas modern menggunakan teknik tambahan seperti A-GPS (Assisted GPS), yang mengunduh data lokasi satelit dari menara seluler untuk mempercepat perbaikan lokasi awal. Di sinilah data lokasi Anda menjadi rumit saat Anda berada di dalam ruangan atau di daerah perkotaan—sinyal GPS sulit diperoleh, dan ponsel tidak lagi menggunakan penentuan posisi Wi-Fi, triangulasi seluler, atau sensor inersia.
Keunggulan sistem ini adalah ia dapat bekerja tanpa Anda perlu mengetahui apa pun tentang satelit. Ponsel Anda hanya bertanya, “Di mana saya?” dan matematika menemukan jawabannya.
Menentukan Lokasi dengan Tiga Lingkaran
Mendapatkan data yang akurat dari satelit GPS lebih dari sekedar mengukur jarak. Bekerja dengan geometri berpotongan dalam 3D untuk menyelesaikan garis lintang, garis bujur, dan ketinggian secara bersamaan. Ketika penerima berkomunikasi dengan beberapa satelit, setiap satelit menentukan serangkaian kemungkinan lokasi. Perangkat ini menemukan satu titik di mana bola-bola ini bertemu.
Oleh karena itu, perbaikan tersebut memerlukan setidaknya empat satelit, bukan tiga. Ketiga satelit ini menyediakan lokasi di permukaan bumi, namun ketinggiannya tidak jelas atau diperoleh daripada diukur. Satelit keempat bertanggung jawab atas kesalahan pengaturan waktu yang terdapat pada jam internal receiver. Satelit GPS menggunakan jam atom. Akurasi dalam nanodetik. Ponsel atau unit GPS mobil Anda tidak. Offset jam ini merupakan variabel utama yang digunakan satelit keempat dalam perhitungannya.
“Tiga satelit berpotongan di dua kemungkinan titik di luar angkasa. Yang satu berada di luar angkasa, biasanya jauh dari Bumi. Yang lainnya berada di permukaan Bumi. Satelit keempat memastikan lokasi Anda yang sebenarnya.”
Tanpa satelit keempat, lokasinya bisa bergeser secara signifikan secara vertikal. Anda mungkin berpikir Anda berada di permukaan laut, namun sebenarnya Anda berada 1.000 kaki di atas permukaan laut. Lebih buruk lagi, sistem tersebut terkunci sepenuhnya di persimpangan yang salah. Hal ini jarang terjadi, namun dapat terjadi di daerah perkotaan dimana sinyalnya memantul dari bangunan. Kesalahan multijalur terjadi ketika sinyal memantul dari gedung tinggi sebelum mencapai perangkat. Hal ini membuat penghitungan jarak terlihat lebih panjang dari yang sebenarnya.
Penerima modern menggunakan algoritma canggih untuk menyaring sinyal yang tidak diinginkan ini. Mereka mencari konsistensi di berbagai satelit. Jika tiga satelit cocok dan satu satelit tidak, sistem mungkin menolak anomali tersebut. Ini disebut Pemantauan Integritas Otonom Penerima (RAIM). Sinyal yang dipantulkan menyesatkan GPS, sehingga tidak mungkin mengikuti petunjuk arah menuju danau.
Perhitungan di balik ini sangat elegan. Setiap sinyal satelit menunjukkan jaraknya berdasarkan waktu perjalanan. Kalikan kali ini dengan kecepatan cahaya. Anda mendapatkan radius. Gambarlah lingkaran di sekeliling jalur darat setiap satelit. Anda berada di tempat perpotongan lingkaran. Secara teori, itu mudah. Ini sebenarnya rumit. Bumi sedang bergerak. Satelit sedang bergerak. Penundaan atmosfer dapat memperlambat sinyal. Pembiasan di ionosfer dan troposfer mengubah kecepatan sinyal. Penerima harus memodelkan efek ini secara real time.
Inilah sebabnya mengapa keakuratan GPS bervariasi. Langit terbuka memberikan akurasi 1-2 meter. Karena tutupan hutan yang lebat, kedalaman air turun hingga lebih dari 10 meter. Di lingkungan perkotaan, kesalahannya bisa mencapai 20 meter. Assisted GPS menggunakan menara seluler untuk membantu Anda melacak satelit lebih cepat. Ini adalah A-GPS. Penting bagi ponsel cerdas untuk dapat memperbaikinya dengan cepat saat pertama kali dinyalakan.
Jadi ketika Anda melihat lokasi Anda ditandai di peta, ingatlah jaringan satelit tak kasat mata yang mengorbit di atas Anda. Geometrinya ketat. Waktunya sangat ketat. Margin kesalahannya kecil. Ini memungkinkan navigasi harian.
Geometri Ruang
Jika perhitungan matematikanya tetap datar, kami menyebutnya trilaterasi 2D. Titik potongnya terletak pada satu bidang. Namun ketika ketinggian mulai diperhitungkan, dimensi ketiga mengambil alih. Saat itulah trilaterasi 3D dimulai.
Konsepnya mirip dengan versi 2D, tetapi lebih sulit dipahami. Daripada menggambar lingkaran pada peta dengan jari-jari, bayangkan bola mengembang ke segala arah.
Katakanlah Anda berada 10 mil dari satelit A. Anda bisa berada di mana saja pada permukaan bola imajiner dengan radius 10 mil tersebut. Jika Anda juga mengetahui bahwa Anda berada 15 mil dari satelit B, Anda melapisi bola kedua yang lebih besar.
Kedua bola tersebut berpotongan membentuk lingkaran sempurna. Tambahkan satelit ketiga, dan Anda mendapatkan bola ketiga. Bola baru ini memotong lingkaran yang ada tepat di dua titik.
Jadi, kamu yang mana?
Bumi sendiri bertindak sebagai titik acuan keempat. Salah satu dari dua titik tersebut ada di luar angkasa. Yang lainnya ada di tanah. Penerima hanya membuang yang ada di ruang hampa. Namun, sebagian besar unit mengunci empat atau lebih satelit. Hal ini meningkatkan akurasi dan memberikan data ketinggian yang akurat, bukan sekadar perkiraan kasar.
Bagaimana Perangkat GPS Menghitung Lokasi Anda
Agar penerima GPS dapat berfungsi, diperlukan dua informasi khusus:
- Lokasi pasti dari setidaknya tiga satelit di atas Anda
- Jarak antara Anda dan masing-masing satelit tersebut
Perangkat ini menentukan keduanya dengan menganalisis sinyal radio frekuensi tinggi dan berdaya rendah yang dipancarkan dari orbit. Unit kelas atas menggunakan banyak receiver. Hal ini memungkinkan mereka mengunci beberapa satelit sekaligus tanpa henti.
Gelombang radio adalah energi elektromagnetik. Mereka melakukan perjalanan dengan kecepatan cahaya. Itu berarti sekitar 186.000 mil per detik, atau 300.000 km per detik dalam ruang hampa.
Penerima menghitung jarak dengan mengukur waktu. Ini kalikan berapa lama waktu yang dibutuhkan sinyal untuk tiba.
Matematika GPS: Menggunakan Waktu untuk Menghitung Jarak
Tidak ada salahnya melontarkan kata “trilaterasi” ke dalam percakapan dan terdengar teknis. Namun jika Anda benar-benar ingin mengesankan rekan kerja Anda, Anda perlu bersiap menghadapi pertanyaan berikutnya yang tak terelakkan. “Bagaimana sebenarnya perangkat tersebut mengukur jarak ke satelit yang mengorbit ratusan mil di atasnya?”
Hanya ada satu jawaban: waktu.
Kecepatan cahaya dan penundaan sinyal
Bayangkan momen tertentu, katakanlah tengah malam. Satelit GPS mulai mengirimkan rangkaian angka panjang yang disebut kode pseudo-acak. Pada saat yang sama, receiver mulai memutar salinan identik dari pola digital yang sama.
Ada penundaan saat sinyal satelit mencapai perangkat Anda. Salinan kode lokal mendahului sinyal dari luar angkasa. Penundaan ini bukan merupakan bug. Ini adalah waktu yang tepat yang dibutuhkan sinyal untuk melakukan perjalanan melalui ruang hampa.
Penerima Anda mengalikan penundaan itu dengan kecepatan cahaya. Hasilnya adalah jarak antara Anda dan satelit. Perhitungan ini mengasumsikan bahwa sinyal merambat dalam garis lurus. Secara realistis, ini adalah perkiraan kasar, namun ini adalah matematika dasar di balik cara kerja GPS.
Mengatasi Masalah Jam
Ada tangkapan besar-besaran di sini. Agar metode pengaturan waktu ini berfungsi, jam satelit dan penerima harus disinkronkan dalam nanodetik. Perbedaan sepermiliar detik berarti kesalahan jarak sekitar 30 sentimeter.
Untuk mencapai tingkat akurasi ini biasanya memerlukan jam atom. Perangkat ini mahal, biasanya berharga antara $50.000 dan $100.000 per perangkat. Satelit GPS didanai oleh pembayar pajak, sehingga mereka mampu membeli peralatan ini. Namun, jika setiap perangkat navigasi ponsel pintar atau mobil memerlukan jam atom, pasar konsumen akan runtuh. Apple tidak bisa menjual iPhone dengan harga ini.
GPS memecahkan masalah ini dengan solusi cerdas. Setiap satelit dilengkapi dengan jam atom yang sangat tepat. Namun, receiver ini menggunakan jam kuarsa standar yang murah.
Keseimbangannya adalah: Penerima menerima sinyal dari setidaknya empat satelit. Bandingkan waktu sinyal masukan ini dengan jam internal Anda. Dengan menganalisis perbedaan ini, penerima dapat menghitung kesalahan waktunya sendiri. Setel ulang dan perbaiki jam tangan kuarsa Anda secara terus-menerus berdasarkan data satelit. Proses ini memberikan ponsel pintar gratis jam atom yang kurang akurat.
Memperbaiki Kesalahan Atmosfer
GPS akurat, tetapi tidak sempurna. Sistem ini mengasumsikan bahwa sinyal radio bergerak dengan kecepatan konstan. Namun, atmosfer bumi memperlambat sinyal tersebut. Gedung-gedung tinggi, gunung, bahkan dedaunan lebat dapat memantulkan atau menghalangi jalur sinyal. Gangguan tersebut dapat menyebabkan kesalahan dalam perhitungan.
GPS Diferensial (DGPS) ada untuk mengatasi masalah ini. Konsepnya sederhana. Stasiun bumi yang lokasinya diketahui secara pasti berperan sebagai titik acuan. Penerima tetap menghitung perbedaan antara posisi sebenarnya dan posisi yang dilaporkan oleh sinyal GPS. Perbedaan inilah yang menjadi kesalahannya.
Stasiun tersebut kemudian mengirimkan informasi koreksi ini melalui sinyal radio ke perangkat DGPS terdekat. Penerima di wilayah tersebut menerapkan koreksi ini pada perhitungan mereka sendiri. Hasilnya adalah akurasi yang jauh lebih tinggi daripada yang dapat diberikan oleh GPS standar saja.
Definisi dan Sistem Utama
Memahami gambaran besarnya akan membantu Anda memahami apa yang sebenarnya Anda gunakan.
- GPS: Singkatan dari Sistem Pemosisian Global. Secara teknis, “sistem GPS” tidak diperlukan. Ini adalah jaringan satelit khusus di Amerika Serikat.
- GIS: Singkatan dari Sistem Informasi Geografis. Ini berbeda dengan GPS. GIS adalah perangkat lunak yang digunakan untuk menangkap, menyimpan, menganalisis dan menampilkan data spasial. Ini adalah alat yang memvisualisasikan data lokasi yang disediakan oleh GPS.
- GNSS: adalah singkatan dari Sistem Satelit Navigasi Global. GPS hanyalah salah satu bagian dari payung yang lebih besar ini. GNSS juga mencakup sistem lain seperti Galileo (digunakan di UE) dan Beidou (digunakan di Tiongkok).
Sebagian besar perangkat modern menggunakan GNSS dan memperoleh data dari jaringan satelit paling kuat di wilayah tersebut. Artinya, ponsel Anda tidak hanya akan menerima satelit AS. Ini adalah bagian dari jaringan infrastruktur navigasi global yang dirancang untuk membantu Anda tetap berorientasi di mana pun Anda berada.
