Como funciona o GPS para saber exatamente onde estamos?

O GPS determina a localização de um dispositivo usando sinais de rádio enviados por satélites, comparando o momento em que esses sinais foram transmitidos com o momento em que chegaram ao receptor.

O princípio fundamental é medir distâncias até vários satélites e combinar essas distâncias para calcular uma posição.

O que existe nos satélites GPS?

Os satélites GPS possuem relógios extremamente precisos e transmitem continuamente sinais de rádio.

Cada sinal contém informações importantes, como:

• a identidade do satélite;
• o instante em que o sinal foi transmitido;
• informações sobre a órbita do satélite;
• dados necessários para calcular sua posição no espaço.

O receptor do celular ou navegador utiliza essas informações para determinar onde cada satélite estava quando enviou o sinal.

Como o celular calcula a distância até um satélite?

O sinal de rádio viaja à velocidade da luz.

O receptor compara o instante em que o sinal foi enviado com o instante em que foi recebido.

A diferença de tempo permite estimar quanto o sinal percorreu.

Em termos simplificados:

distância = velocidade da luz × tempo de viagem do sinal

Como a velocidade da luz é extremamente alta, pequenas diferenças de tempo correspondem a grandes diferenças de distância.

Por isso, os relógios utilizados pelo sistema precisam ser extremamente precisos.

Por que um único satélite não é suficiente?

Se soubéssemos apenas a distância até um satélite, nossa posição poderia estar em qualquer ponto de uma enorme superfície ao redor dele.

Com dois satélites, a quantidade de possibilidades diminui.

Com três, podemos determinar uma posição tridimensional em condições ideais.

Na prática, o receptor normalmente utiliza pelo menos quatro satélites para determinar sua posição e corrigir um problema fundamental: o relógio do celular não é tão preciso quanto os relógios atômicos dos satélites.

Por que são necessários quatro satélites?

O receptor precisa determinar quatro incógnitas principais:

• latitude;
• longitude;
• altitude;
• erro do relógio interno do receptor.

Cada satélite fornece uma restrição relacionada à distância.

Com sinais suficientes, o sistema consegue encontrar a combinação de posição e erro de relógio que melhor satisfaz todas essas restrições.

É isso que permite obter uma localização tridimensional sem precisar colocar um relógio atômico dentro do celular.

Como o GPS transforma as distâncias em uma posição?

Imagine várias esferas imaginárias.

Cada esfera representa todos os pontos que estão a uma determinada distância de um satélite.

O receptor calcula uma dessas esferas para cada satélite.

A localização procurada é o ponto em que essas superfícies se cruzam de maneira compatível.

Na realidade, os cálculos são feitos matematicamente e levam em consideração erros, movimento dos satélites, condições atmosféricas e outros fatores.

O celular precisa enviar alguma coisa aos satélites?

Para determinar sua posição pelo GPS tradicional, não.

O receptor principalmente escuta os sinais transmitidos pelos satélites.

Ele calcula sua própria posição a partir dessas informações.

Isso é diferente de sistemas de comunicação bidirecionais em que o aparelho precisa enviar dados para uma estação.

Então por que o celular consegue localizar você tão rapidamente?

Um celular moderno pode utilizar sistemas que aceleram o processo de localização.

O A-GPS (Assisted GPS), por exemplo, pode receber informações auxiliares através da rede móvel ou da internet, ajudando o aparelho a saber rapidamente quais satélites procurar e onde eles provavelmente estarão.

Isso reduz o tempo necessário para obter uma posição inicial.

Além disso, os smartphones podem combinar GPS com outras tecnologias.

O celular usa apenas GPS?

Não necessariamente.

Um smartphone pode combinar informações provenientes de:

• GPS;
• outras constelações de satélites;
• redes Wi-Fi;
• torres de telefonia;
• sensores internos;
• acelerômetro;
• giroscópio.

Sistemas como Galileo, GLONASS e BeiDou também podem contribuir para o posicionamento.

Quanto mais sinais independentes estiverem disponíveis, maior pode ser a quantidade de informação utilizada pelo aparelho.

Como o GPS funciona dentro de uma cidade?

Prédios podem bloquear ou refletir sinais de rádio.

Quando o sinal reflete em edifícios antes de chegar ao celular, o receptor pode interpretar um caminho maior como se fosse a distância direta até o satélite.

Esse fenômeno é chamado de multipercurso (multipath).

Por isso, a localização pode ficar menos precisa em áreas urbanas densas.

Por que o GPS às vezes mostra nossa posição alguns metros ao lado?

O sistema não é perfeito.

Os principais fatores que podem introduzir erros incluem:

• atrasos na ionosfera;
• atrasos na troposfera;
• erros nas órbitas dos satélites;
• pequenas imprecisões nos relógios;
• reflexões dos sinais;
• obstáculos;
• geometria desfavorável dos satélites.

O aparelho combina essas informações e tenta estimar a posição mais provável.

O que é a ionosfera e por que ela interfere?

A ionosfera contém partículas eletricamente carregadas.

Quando o sinal de rádio atravessa essa região, sua velocidade de propagação efetiva pode ser alterada dependendo da frequência e das condições atmosféricas.

Isso introduz um pequeno erro na estimativa do tempo de viagem.

Os sistemas modernos podem utilizar diferentes frequências e modelos de correção para reduzir esse problema.

O que significa a "precisão" mostrada pelo celular?

Quando o celular indica, por exemplo, uma precisão de alguns metros, isso representa uma estimativa da incerteza da posição, não uma garantia de que o aparelho esteja exatamente dentro daquele raio.

A qualidade da estimativa depende dos sinais disponíveis e das condições naquele momento.

Em ambientes abertos, a precisão pode ser muito boa.

Em locais fechados ou entre prédios altos, pode piorar bastante.

Como o GPS sabe a altitude?

A altitude é uma das dimensões calculadas a partir da geometria dos satélites.

Entretanto, a altitude determinada por sistemas GNSS pode ser menos intuitiva e apresentar erros maiores do que a posição horizontal.

Isso acontece porque a geometria dos satélites disponíveis influencia diretamente a precisão da estimativa vertical.

Como o GPS funciona quando estamos em movimento?

O sistema continua recebendo sinais e recalculando a posição.

Ao comparar posições sucessivas, o aparelho consegue estimar deslocamento, direção e velocidade.

Além disso, os sensores internos do smartphone podem ajudar a acompanhar movimentos entre atualizações de posição.

Essa combinação permite que aplicativos de navegação acompanhem um veículo enquanto ele se desloca.

Como o GPS sabe em qual estrada estamos?

O GPS fornece uma posição que pode estar ligeiramente afastada da estrada.

O aplicativo de navegação utiliza então informações do mapa digital para determinar qual via é mais compatível com aquela posição e com o movimento observado.

Esse processo é conhecido como map matching.

Por isso, o marcador pode permanecer sobre uma estrada mesmo quando a estimativa bruta do GPS apresenta alguns metros de erro.

Como o GPS calcula a velocidade?

O sistema pode determinar a velocidade analisando como a posição muda ao longo do tempo.

Também pode utilizar o efeito Doppler dos sinais recebidos: o movimento relativo entre o receptor e os satélites altera ligeiramente a frequência observada.

Essa alteração permite estimar a velocidade com bastante precisão.

O GPS funciona sem internet?

Sim.

O posicionamento por satélite não depende necessariamente de uma conexão com a internet.

Um receptor pode receber diretamente os sinais dos satélites e calcular sua posição.

O que pode exigir internet ou rede móvel são serviços complementares, como mapas online, informações de trânsito, assistência para obter rapidamente dados dos satélites ou pesquisa de endereços.

O GPS funciona dentro de casa?

Pode funcionar parcialmente, mas os sinais de satélite chegam muito enfraquecidos ao interior de edifícios.

Paredes, tetos e estruturas metálicas dificultam a recepção.

Por isso, dentro de edifícios o celular pode depender mais de Wi-Fi, torres de telefonia e sensores internos para estimar a localização.

O GPS consegue localizar alguém sem a pessoa perceber?

O GPS, por si só, apenas fornece ao dispositivo uma estimativa de sua posição.

Para que outra pessoa ou serviço receba essa localização, normalmente é necessário algum mecanismo adicional de comunicação e, dependendo do sistema, permissão de acesso à localização.

Ou seja, GPS e rastreamento não são exatamente a mesma coisa.

O GPS determina a posição; um aplicativo ou serviço pode transmitir essa posição para outro lugar.

Por que os satélites precisam de relógios tão precisos?

Porque o GPS depende da medição do tempo de viagem dos sinais.

Um erro extremamente pequeno na medição temporal pode produzir um erro significativo na distância calculada.

Os satélites utilizam relógios atômicos extremamente estáveis.

O receptor corrige seu próprio relógio através das observações simultâneas de vários satélites.

O GPS considera a relatividade de Einstein?

Sim.

Os relógios dos satélites sofrem efeitos relacionados à relatividade especial e à relatividade geral.

Como os satélites estão se movendo rapidamente e estão em uma região onde a gravidade terrestre é diferente da superfície, seus relógios não passam exatamente no mesmo ritmo que relógios na Terra.

Essas diferenças são pequenas, mas seriam suficientes para produzir erros enormes de localização se não fossem corrigidas.

Então o GPS realmente "sabe" onde estamos?

Não no sentido de o satélite observar diretamente a pessoa.

O sistema funciona de maneira mais precisa de descrever assim:

os satélites informam onde estão e quando enviaram seus sinais; o receptor mede quando esses sinais chegaram e calcula onde precisa estar para que todas essas informações sejam compatíveis.

A posição é resultado de cálculos matemáticos baseados nos sinais recebidos.

Em resumo

O GPS determina sua localização medindo o tempo que sinais de rádio enviados por vários satélites levam para chegar ao receptor.

A partir dessas medições, o aparelho calcula distâncias e combina as informações para determinar latitude, longitude, altitude e corrigir o erro do próprio relógio.

Na prática, smartphones combinam essa informação com outras constelações de satélites, redes Wi-Fi, torres celulares e sensores para tornar a localização mais rápida e confiável.

Em essência: o GPS sabe onde você está porque compara o tempo de chegada de sinais de vários satélites cujas posições e relógios são conhecidos, transformando essas diferenças de tempo em uma posição no espaço.