Cara kerja GPS

Apa yang ditunjukkan model

Buka aplikasi peta di ponsel, lalu muncul titik biru, biasanya hanya beberapa meter dari tempat Anda berdiri. Ponsel tidak bertanya kepada siapa pun di mana ia berada. Ia mendengarkan beberapa satelit yang melintas sekitar 20.200 km di atas kepala, mengukur waktu sinyalnya, lalu menghitung posisinya sendiri. Pameran ini mengikuti hitungan itu langkah demi langkah.

Bumi berada di tengah dan dibuat diam, sehingga keenam bidang orbit berputar pelan mengelilinginya, sekali setiap hari sideris. Satelit-satelit ditempatkan di 24 slot dasar yang diterbitkan dalam Standar Kinerja Layanan Penentuan Posisi Standar GPS (2020), dan bergerak dari posisi slot pada epoch tabel itu sampai saat ini. Jarak di angkasa berskala sebenarnya: jari-jari orbit 4,17 kali jari-jari Bumi, sama seperti di langit. Model satelit, ponsel, dan blok kota digambar jauh lebih besar dari aslinya, karena kalau tidak, semuanya tidak akan terlihat.

Yang mengukur adalah sebuah ponsel di Balai Kota Seoul. Panel data di kiri atas menunjukkan berapa satelit yang dipakai, berapa lama sinyal pertama tiba, jarak yang dihasilkannya, galat jam ponsel seperti yang ditemukan algoritme, setelan relativitas, PDOP (angka untuk geometri satelit, dijelaskan di bawah), dan galat posisi akhir. Layar ponsel kecil di kanan bawah menandai titik asli dengan tanda silang dan posisi hasil hitungan dengan titik biru; skalanya berubah dari 40 m sampai ribuan kilometer seiring galat membesar.

Di tab Kontrol, Anda bisa memilih satu sampai delapan satelit, mengatur galat jam ponsel dari 0 sampai 1.000 mikrodetik, mematikan koreksi relativitas, menaruh ponsel di jalan di antara gedung tinggi, dan memaksanya memakai satelit yang berkumpul di satu bagian langit. Panduan membahas kontrol-kontrol yang sama secara berurutan.

Mengubah waktu menjadi jarak

Setiap satelit GPS membawa jam atom dan terus-menerus menyiarkan waktu di dalam satelit serta posisi satelit itu. Gelombang radio merambat dengan kecepatan cahaya, 299.792.458 m/s. Jadi, jika ponsel tahu kapan sinyal berangkat dan mencatat kapan sinyal tiba, selisihnya dikali kecepatan cahaya adalah jarak ke satelit.

Angkanya kecil. Dari satelit yang tepat di atas kepala, 20.189 km di atas tanah dalam model ini, sinyal butuh 67,3 milidetik. Dari satelit di cakrawala, sejauh 25.780 km, butuh 86,0 ms. Selisih waktu satu mikrodetik (sepersejuta detik) berarti 299,8 m jarak, dan selisih satu nanodetik berarti 30 cm. Itulah sebabnya dalam GPS jam lebih penting daripada apa pun, dan itulah sebabnya satelit membawa jam atom.

Panel data menunjukkan waktu tempuh dari satelit pertama yang dipakai, yang selalu satelit tertinggi di langit, dan jarak yang dihasilkannya.

Satu bola, lalu lingkaran, lalu dua titik

Satu jarak saja hanya sedikit memberi tahu. Ponsel berjarak 21.000 km dari sebuah satelit, tetapi ke arah mana? Setiap titik pada jarak itu memenuhi syarat, dan bersama-sama mereka membentuk bola di sekeliling satelit. Itulah kulit biru pada langkah kedua panduan. Ukurannya besar: jari-jarinya mendekati jari-jari orbit, sehingga bola itu menelan Bumi dan melewati ponsel.

Satelit kedua memberi bola kedua. Dua bola yang bertumpuk bertemu pada sebuah lingkaran, yang digambar putih. Ponsel berada di suatu titik pada lingkaran itu, yang bergaris tengah ribuan kilometer dan memotong Bumi di dua tempat.

Bola ketiga memotong lingkaran itu di dua titik. Inilah trilaterasi, gagasan yang sama dengan yang dipakai juru ukur dengan pita meteran, hanya saja dengan tiga jarak dalam tiga dimensi. Salah satu dari dua titik itu dekat permukaan Bumi. Titik lainnya jauh di angkasa; dalam model, letaknya sekitar 27.600 km dari ponsel dan kira-kira 26.900 km di atas tanah. Penerima di darat langsung membuangnya. Model menampilkan keduanya: bola jingga adalah yang akan dipertahankan ponsel, dan yang abu-abu adalah jawaban lainnya.

Mengapa ponsel butuh satelit keempat

Tiga satelit sudah cukup kalau jam ponsel sebaik jam satelit. Kenyataannya tidak. Ponsel menyimpan waktu dengan kristal kuarsa kecil, dan tidak ada yang mencocokkannya sampai ke nanodetik. Jika jam ponsel lebih cepat 100 µs, setiap sinyal tampak butuh 100 µs lebih lama, dan setiap jarak jadi 30 km terlalu panjang. Ketiga bola tetap bertemu, tetapi di tempat yang salah.

Langkah keempat panduan menunjukkan hasilnya. Dengan galat jam 100 µs dan tiga satelit, titiknya jatuh puluhan kilometer dari titik asli; pada saat yang diperiksa untuk halaman ini (17 Oktober 2026, pukul 03:00 UTC), selisihnya 28,9 km. Galat 1 µs saja masih bernilai 288 m.

Jalan keluarnya adalah memperlakukan galat jam sebagai satu bilangan tak diketahui lagi. Posisi butuh tiga angka (x, y, dan z) dan galat jam adalah yang keempat, jadi ponsel butuh empat jarak, artinya empat satelit. Kuncinya, galat jam itu sama untuk semua satelit, karena semuanya diukur dengan satu-satunya jam di dalam ponsel. Jam yang salah membuat keempat bola tidak saling bertemu, dan hanya ada satu setelan jam yang membuat semuanya bertemu di satu titik. Menemukan setelan itu sekaligus menetapkan jam dan posisi. Jarak yang masih mengandung galat jam yang belum diketahui disebut pseudorange (jarak semu).

Itu juga sebabnya penerima GPS sekaligus berfungsi sebagai jam yang sangat baik. Begitu mendapat posisi, ia mengetahui waktu GPS sampai sepersekian mikrodetik, dan untuk itulah jaringan seluler dan jaringan listrik memakainya.

Cara ponsel menyelesaikan persamaan

Keempat persamaan itu tidak linear, jadi tidak ada rumus sederhana untuk langsung membaca jawabannya. Penerima menebak, memeriksa, lalu membetulkan. Model memakai metode baku, kuadrat terkecil iteratif (Gauss–Newton):

1. Mulai dari tebakan. Model mulai di permukaan Bumi, di bawah titik tengah satelit yang dipakai, dengan galat jam nol.
2. Untuk tiap satelit, hitung jarak yang diramalkan tebakan itu dan bandingkan dengan jarak semu yang terukur.
3. Hitung bagaimana jarak ramalan akan berubah jika tebakan bergeser sedikit di x, y, atau z, atau jika jam berubah sedikit. Inilah vektor satuan ke arah tiap satelit, ditambah angka 1 untuk jam.
4. Cari geseran kecil yang paling baik menghapus selisihnya, terapkan, lalu ulangi.

Setiap putaran memangkas galat berlipat-lipat. Dengan jarak yang tepat dan galat jam 100 µs, algoritme model sampai dalam satu milimeter paling lama enam putaran pada setiap saat yang diuji sepanjang sehari, dan galat jam keluar sebagai 100,00 µs. Dengan lima sampai delapan satelit, persamaan lebih banyak daripada bilangan tak diketahui, dan kuadrat terkecil memilih titik yang paling cocok dengan semuanya. Itulah sebabnya satelit tambahan membantu meskipun empat sudah cukup. Langkah yang sama juga dihitung dengan tangan dan memberi angka yang sama.

Jam di orbit berjalan cepat: 38,6 µs sehari

Relativitas masuk lewat jam satelit. Ada dua efek yang menarik ke arah berlawanan. Jam yang berada lebih dalam di sumur gravitasi berjalan lebih lambat, jadi jam satelit di ketinggian 20.200 km, tempat gravitasi lebih lemah, berjalan lebih cepat daripada jam di darat: 45,7 µs sehari lebih cepat menurut jari-jari orbit dan massa Bumi. Jam yang bergerak berjalan lebih lambat, dan pada 3,87 km/s itu mengurangi 7,2 µs sehari. Hasil bersihnya sekitar 38,5 µs sehari lebih cepat.

Spesifikasi antarmuka GPS, IS-GPS-200, menetapkan offset laju jam satelit sebesar −4,4647 × 10⁻¹⁰, yaitu 38,6 µs sehari. Frekuensi acuan satelit 10,23 MHz diatur ke 10,2299999954326 MHz, supaya terbaca 10,23 MHz bila dilihat dari darat. Dikali kecepatan cahaya, 38,6 µs sehari setara dengan 11,6 km jarak per hari.

Matikan Koreksi relativitas, dan model membiarkan jam tiap satelit maju 38,6 µs sehari sejak terakhir kali disetel. Model menyetel jam tiap satelit sekali sehari pada jam yang berbeda-beda, sehingga pada setiap saat jam-jam itu berselisih sampai 38,6 µs. Galat yang sama untuk semua akan diserap bilangan tak diketahui keempat, tetapi jam yang saling berselisih tidak bisa dibetulkan dengan cara itu, dan titiknya bergeser hingga berkilo-kilometer. Pada saat yang diperiksa, galat dengan delapan satelit adalah 2,7 km. Catatan kuliah Richard Pogge di Ohio State University menyatakannya dengan lugas: tanpa koreksi relativitas, posisi akan salah dalam dua menit, dan galatnya bertambah sekitar 10 km sehari.

Gedung, pantulan, dan geometri satelit

Di bawah langit terbuka, ponsel bekerja dengan baik. GPS.gov menyebut akurasi khas ponsel pintar di tempat terbuka adalah radius 4,9 m (16 ft). Sinyal di angkasa lebih baik dari itu: pemerintah berkomitmen bahwa galat jarak pengguna rata-rata global tidak lebih dari 2,0 m selama 95% waktu, dan angka terukur pada 20 April 2021 adalah 0,643 m. Sisa galat berasal dari udara, penerima, dan lingkungan sekitar.

Kota adalah kasus yang sulit. Nyalakan Jalan di antara gedung tinggi, dan ponsel berdiri di jalan utara-selatan selebar 24 m di antara gedung setinggi 30 sampai 50 m. Satelit rendah di timur atau barat tersembunyi di balik atap. Sebagian tetap sampai ke ponsel dengan memantul dari dinding, dan ponsel tidak bisa membedakan sinyal pantulan dari sinyal langsung. Pantulan memperpanjang lintasan, sehingga jarak itu jadi puluhan meter terlalu panjang. Inilah multipath, dan inilah alasan titik di peta melompat-lompat di antara gedung perkantoran. Pada saat yang diperiksa, galat dengan delapan satelit naik dari 1,4 m menjadi 24 m.

Geometri juga penting. Jika satelit yang dipakai semuanya berada di satu bagian langit, bola-bolanya berpotongan pada sudut landai, dan galat kecil di jarak mana pun menggeser titik potongnya jauh sekali. Angka untuk hal ini adalah pelemahan presisi (DOP). PDOP (DOP posisi) mengalikan galat jarak untuk menghasilkan galat posisi. Empat satelit yang tersebar baik memberi PDOP sekitar 2 sampai 3; nyalakan Satelit berkumpul dan empat satelit yang berdekatan bisa memberi 7 atau 12. Standar Kinerja menjanjikan PDOP 6 atau kurang, dengan sudut mask 5°, di setidaknya 98% wilayah dunia.

Dari empat jarak ke titik di peta

Sebelum titik muncul, ponsel mengerjakan lebih banyak daripada yang ditunjukkan model. Pertama ia harus menemukan sinyal tiap satelit, yang lebih lemah daripada derau radio di sekitarnya dan frekuensinya bergeser karena gerak satelit, lalu membaca data orbit yang disiarkan tiap satelit. Data itu datang hanya 50 bit per detik, jadi penerima yang mulai dari nol harus menunggunya. Ponsel biasanya mendapat bantuan dari jaringan seluler, yang memberinya data orbit dan perkiraan waktu, sehingga posisi pertama datang jauh lebih cepat.

Posisi keluar sebagai x, y, dan z dalam kerangka berpusat Bumi, yang diubah ponsel menjadi lintang, bujur, dan ketinggian lalu diteruskan ke aplikasi peta. Peta menggambar titik dan lingkaran pucat di sekitarnya, perkiraan aplikasi sendiri tentang seberapa jauh titik itu mungkin meleset. Layar ponsel dalam model menggambar lingkaran itu dari HDOP dikali 2,5 m. Banyak ponsel juga memadukan Wi-Fi, menara seluler, dan sensor gerak, itulah sebabnya titiknya tetap bergerak di dalam terowongan.

Di balik semua ini ada segmen kendali: stasiun kendali utama di Pangkalan Angkatan Luar Angkasa Schriever, Colorado, stasiun kendali utama cadangan, 11 antena komando dan kendali, dan 16 stasiun pemantau. Stasiun pemantau melacak satelit, dan stasiun kendali utama menghitung orbit dan galat jamnya lalu mengunggah koreksi, supaya posisi dan waktu yang disiarkan satelit tetap benar.

Sejarah singkat

Program ini dimulai pada 1973 sebagai proyek bersama sipil dan militer, menggabungkan karya navigasi Amerika sebelumnya seperti TRANSIT dan TIMATION. Satelit Navstar pertama diluncurkan pada 1978, dan sistem 24 satelit beroperasi penuh pada 1993. Sampai Mei 2000, sinyal untuk umum sengaja diturunkan mutunya dengan fitur bernama Selective Availability; Presiden Clinton memerintahkan fitur itu dimatikan pada 1 Mei 2000, dan Amerika Serikat menyatakan tidak akan memakainya lagi. Pada Juni 2011, konstelasi diperluas sehingga kini bekerja sebagai 27 slot, dan Angkatan Luar Angkasa mempertahankan sekitar 31 satelit dalam layanan.

Yang tidak dimuat model

Orbitnya berupa lingkaran yang ditempatkan di posisi slot nominal, bukan satelit sungguhan hari ini, dan jumlahnya 24 sementara Angkatan Luar Angkasa mengoperasikan 31. Bumi berbentuk bola, bukan elipsoid WGS 84. Sinyal dianggap tiba pada saat yang sama dengan saat berangkat, tanpa rotasi Bumi selama perjalanan 70 ms (koreksi Sagnac). Galat jarak di langit terbuka adalah pengganti halus sekitar satu atau dua meter per satelit, yang ditambah tundaan satu lapis sederhana dengan gradien asumsi oleh sakelar ionosfer; troposfer tidak dimasukkan. Kasus tanpa relativitas menganggap jam disetel setiap hari pada jam yang berselang-seling; satelit sungguhan juga punya suku relativitas periodik kecil akibat orbitnya yang sedikit lonjong, yang dikoreksi penerima dengan rumus dalam IS-GPS-200.

Perhitungan waktu yang bisa diperiksa

Ambil waktu rambat yang sengaja dibulatkan menjadi 67 ms. Ubah ke detik sebelum mengalikan: 0,067 s × 299.792.458 m/s = 20.086.094,686 m, sekitar 20.086 km. Ini panjang lintasan sinyal, bukan ketinggian satelit. Pada ketinggian yang sama, satelit yang jauh dari zenit memiliki lintasan miring lebih panjang daripada satelit tepat di atas penerima. Jadi contoh yang dibulatkan tidak harus cocok dengan satelit pertama pada panel. Gunakan waktu yang ditampilkan untuk satelit itu jika ingin menghitung ulang jaraknya.

Sekarang anggap galat waktu sebesar 1 ns. Mengalikan 0,000000001 s dengan kecepatan yang sama menghasilkan 0,299792458 m, sekitar 30 cm. Ini galat jarak sebelum penerima menggabungkan pengukuran, bukan jaminan bahwa posisi pada peta bergeser tepat 30 cm. Geometri satelit dan penyelesaian jam menentukan bagaimana galat setiap jarak berubah menjadi galat mendatar atau ketinggian. Pembedaan yang sama berlaku ketika dinding memperpanjang lintasan.

Penjelasan Ohio State University membulatkan kontribusi relativistik harian menjadi −7 µs akibat gerak dan +45 µs akibat gravitasi lebih lemah. Jumlahnya +38 µs per hari. Mengalikan 0,000038 s dengan kecepatan cahaya menghasilkan 11.392,113404 m, sekitar 11,4 km pergeseran jarak per hari. Itulah skala galat sekitar 10 km per hari yang sering disebut. Nilai pembelajaran yang dibulatkan ini tidak menggantikan pengaturan laju jam model yang lebih teliti. Selisih bersama pada semua satelit juga tidak otomatis menghasilkan galat posisi sebesar itu: penerima dapat menyerapnya sebagai selisih jam bersama. Perbedaan galat antarsatelit mencegah pembatalan sederhana tersebut.

Mengapa geometri satelit memperbesar galat

Bayangkan menggambar dua lingkaran untuk mencari posisi dari jarak ke dua penanda. Jika sudut perpotongannya besar, menggeser lingkaran sedikit hanya sedikit menggeser titik potong. Jika hampir bersinggungan, perubahan jarak yang sama dapat menggesernya jauh. Penerima menghadapi versi ruang dari masalah ini, dengan permukaan jarak dan tambahan besaran jam yang belum diketahui. DOP menyatakan kepekaan itu berdasarkan arah satelit, bukan kekuatan sinyal.

Sebagai contoh, anggap galat jarak saling independen dengan simpangan baku sama sebesar 2 m. Pada PDOP 2, ketidakpastian posisi ruang gabungan kira-kira 4 m; pada PDOP 6 menjadi 12 m. Ini asumsi untuk menjelaskan perkalian, bukan jaminan kinerja terukur. PDOP tidak bersatuan. HDOP menyangkut koordinat mendatar dan VDOP koordinat tegak. Posisi mendatar telepon dapat baik tetapi ketinggiannya kurang pasti, karena satelit berada di atas, bukan mengelilinginya merata dari segala arah.

Penambahan satelit sering membantu, tetapi jumlah saja tidak menentukan hasil. Satelit dekat dengan yang sudah dipakai memberi lebih sedikit informasi arah independen daripada satelit pada bagian langit yang kosong. Sebaliknya, satelit sangat rendah dapat memperbaiki sudut sambil menambah tundaan atmosfer atau pantulan. Penerima nyata dapat memberi bobot atau menolak pengamatan, bukan mempercayai semua jarak secara sama. Kendali pengelompokan mengisolasi pengaruh geometri; tidak menerapkan semua aturan pemilihan penerima komersial. Bandingkan PDOP dan galat posisi secara terpisah, karena faktor geometri bukan galat terukur dalam meter.

Pengaruh sinyal pantulan pada hasil

Anggap lintasan pantulan 30 m lebih panjang daripada lintasan langsung. Membaginya dengan kecepatan cahaya memberi tundaan tambahan sekitar 100 ns. Penerima dapat mengira kedatangan terlambat berarti satelit lebih jauh. Ini selisih lintasan untuk ilustrasi, bukan penalti tetap setiap gedung. Panjangnya bergantung pada letak dinding, satelit, dan antena. Pantulan dekat dan sinyal yang hanya diterima setelah memutar jauh adalah masalah pengukuran berbeda, walaupun keduanya umum di jalan berbangunan tinggi.

Jika sinyal langsung dan salinan pantulan sama-sama mencapai antena, gabungannya dapat merusak perkiraan waktu kedatangan. Jika sinyal langsung terhalang total, penerima dapat melacak lintasan tidak langsung. Menunggu lebih lama tidak selalu menghilangkan kedua bias itu. Perataan mengurangi sebagian derau yang berubah-ubah, tetapi tidak memunculkan kembali lintasan langsung yang hilang. Desain antena, pemrosesan sinyal, dan pengamatan beberapa frekuensi dapat membantu, tanpa menjamin posisi akurat di balik setiap penghalang.

Atmosfer menimbulkan jenis tundaan lain. Ionosfer mengandung elektron bebas sehingga pengaruhnya bergantung pada frekuensi; perbandingan frekuensi dapat memperkirakan sebagian besar kontribusinya. Atmosfer bawah yang netral juga menunda sinyal dan memerlukan penanganan terpisah. Keduanya bukan relativitas atau bias jam penerima. GPS.gov mencantumkan atmosfer, halangan, geometri, dan mutu penerima sebagai penyebab akurasi pengguna berbeda dari akurasi sinyal siaran. Opsi jalan merupakan percobaan sederhana penghalangan dan pantulan, bukan alat prakiraan cuaca atau ionosfer. Jangan menganggap tambahan meternya sebagai anggaran galat atmosfer yang berlaku umum.

Cara penerima survei mencapai sentimeter

Pesan navigasi memberi informasi waktu dan orbit, tetapi gelombang radio juga memiliki pembawa berulang. Penerima survei mengukur perubahan fase pembawa jauh lebih halus daripada jarak biasa berbasis kode. Masalahnya, gelombang berulang tidak menandai siklus utuh mana yang mencapai antena. Bilangan siklus utuh yang belum diketahui harus diselesaikan sebelum pengukuran halus dapat mendukung posisi teliti dan andal. Membaca pola berulang dengan rinci tidak sama dengan mengetahui jarak mutlak.

Penentuan posisi kinematik waktu nyata, RTK, menggabungkan pengamatan fase pembawa dengan koreksi dari stasiun referensi atau jaringan. Stasiun yang posisinya diketahui mengamati banyak galat satelit yang sama dengan penerima bergerak. Membandingkan pengamatan membatalkan sebagian besar galat bersama. Sambungan koreksi dapat memakai radio lokal atau internet dan terpisah dari siaran navigasi satelit. Pengiriman data oleh penerima bergerak ke layanan koreksi bukan bukti bahwa setiap telepon biasa mengirim posisi ke satelit GPS.

Menurut GPS.gov, sistem augmentasi dan penerima kelas atas dapat mendukung posisi waktu nyata dalam beberapa sentimeter. Bukan berarti sembarang telepon bisa mencapainya dengan menunggu lebih banyak satelit. Pelacakan pembawa, antena sesuai, referensi yang bisa dipakai, dan ambiguitas terselesaikan semuanya penting. Pohon, dinding, putusnya koreksi atau pelacakan dapat mengembalikan penerima teliti ke solusi kurang pasti. Karena itu laporan survei mencatat status solusi dan pemeriksaan mutu, bukan hanya jumlah desimal lintang. Pameran ini menyelesaikan pseudojarak sederhana, tanpa stasiun referensi atau pemecah ambiguitas pembawa. Titik birunya menunjukkan solusi posisi biasa, bukan klaim akurasi RTK.

Empat sistem global dan dua regional

GPS tidak sendirian di langit. GLONASS milik Rusia, Galileo milik Uni Eropa, dan BeiDou milik Tiongkok juga mencakup seluruh Bumi, sedangkan QZSS Jepang melayani Asia Timur dan Oseania. Korea sedang membangun sistem regionalnya, KPS. Tab Kontrol memungkinkan Anda menambahkan tiap sistem ke langit Seoul dan melihat berapa satelit yang dapat digunakan ponsel.

Ketinggiannya berbeda karena tiap operator memilih pola pengulangan berbeda. Satelit GPS mengorbit dua kali setiap hari sideris, sehingga jejaknya di darat berulang setiap hari. GLONASS sedikit lebih rendah dan mengorbit dalam 11 h 15 min 44 s; Pusat Informasi dan Analisis GLONASS menyatakan bahwa periode ini menjaga orbit stabil tanpa pulsa koreksi. Galileo memiliki orbit tertinggi di antara keempat sistem dan memerlukan sekitar 14 jam per putaran. BeiDou memadukan tiga jenis orbit: orbit Bumi menengah seperti yang lain, serta satelit pada ketinggian geostasioner. Tiga di antaranya tetap di atas khatulistiwa, dan tiga bergerak pada orbit geosinkron miring yang membentuk angka delapan di atas Asia.

QZSS memanfaatkan kemiringan lebih jauh. Orbit kuasizenitnya miring sekitar 41° dan sedikit elips (eksentrisitas 0,075), dengan ujung terjauh di atas belahan Bumi utara. Satelit melambat di atas Jepang dan berada tinggi selama berjam-jam: dilihat dari sekitar Tokyo, satu satelit tetap di atas elevasi 70° selama delapan jam. Tiga satelit bergiliran, sehingga hampir selalu ada satu dekat zenit, sesuai kebutuhan jalan di antara gedung tinggi. Dalam pameran, Anda dapat menyalakan QZSS dan melihat salah satu satelitnya juga melewati 60° pada tampilan langit Seoul.

Lebih banyak sistem tidak mengubah prinsip penentuan posisi. Tiap sistem memiliki skala waktu sendiri, jadi penerima gabungan menyelesaikan satu selisih jam tambahan per sistem tambahan. Perbandingan model melakukan hal yang sama: GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou, dan QZSS bersama memakai lima besaran jam yang tidak diketahui. Meski begitu, satelit tambahan membantu. Pada satu waktu contoh di Seoul, model menghitung 8 satelit GPS dengan PDOP mendekati 2, dan 45 satelit dari kelima sistem dengan PDOP di bawah 0,8. Model menempatkan satelit di orbit dengan fase awal yang diasumsikan, jadi jumlah ini menunjukkan geometri langit, bukan posisi satelit sebenarnya hari ini.

KPS masih berupa rencana. Badan Dirgantara Korea menandatangani kontrak peluncuran pada September 2025 untuk satelit pertama yang dijadwalkan pada September 2029. Delapan direncanakan hingga 2035: lima pada orbit geosinkron miring dan tiga geostasioner. Posisi orbit belum diterbitkan, sehingga pameran mencantumkan KPS di tabel tanpa menggambarnya.

Memisahkan sumber galat

Panel Sumber galat menyalakan dan mematikan penyebab utama serta menggambar batang untuk tiap penyebab saja, dengan satelit yang digunakan ponsel saat itu. Skala logaritmik dipakai karena galat berkisar dari puluhan sentimeter sampai puluhan kilometer.

Ionosfer adalah lapisan atmosfer atas tempat sinar Matahari memisahkan gas menjadi ion dan elektron bebas. Elektron bebas menunda kode sinyal sebesar 40,3 × TEC / f² meter. TEC adalah jumlah elektron dalam kolom berpenampang satu meter persegi sepanjang jalur sinyal, dan f adalah frekuensi. Satu unit TEC setara dengan 10¹⁶ elektron per meter persegi, menunda GPS L1 (1.575,42 MHz) sebesar 0,162 m dan L5 yang frekuensinya lebih rendah (1.176,45 MHz) sebesar 0,291 m. Sinyal dari satelit rendah melintasi lapisan secara miring sehingga mengalami tundaan lebih besar. Jika semua satelit tertunda sama, penerima akan membacanya sebagai selisih jam. Karena itu model mengasumsikan jumlah elektron naik 4% per derajat lintang menuju khatulistiwa, sehingga sebagian tundaan tetap muncul pada posisi.

Karena tundaan bergantung pada frekuensi, penerima dua frekuensi dapat mengukurnya. Kombinasi bebas ionosfer L1 dan L5 membatalkan tundaan orde pertama, tetapi memperbesar derau penerima sekitar 2,6 kali. Itulah sebabnya menyalakan frekuensi kedua dapat sedikit memperbesar galat saat ionosfer tenang dan sangat menguranginya saat terganggu. Pusat Prediksi Cuaca Antariksa NOAA menjelaskan pertukaran yang sama: penerima satu frekuensi akurat sekitar satu meter saat tenang; badai geomagnetik kuat dapat menaikkan galat menjadi puluhan meter, dan dua frekuensi menghilangkan sebagian besarnya.

Ketersediaan selektif merupakan galat yang disengaja. Hingga Mei 2000, satelit menggoyangkan jamnya agar pengukuran sipil bisa meleset hingga 100 m. Menurut GPS.gov, ketelitian sipil membaik sekitar sepuluh kali pada hari fungsi itu dimatikan, dan GPS III dibuat tanpa fungsi tersebut. Model memakai perubahan lambat sekitar 30 m per satelit, dipilih untuk menghasilkan galat sekelas uraian GPS.gov, bukan pola perubahan sebenarnya yang tidak pernah diterbitkan.

Sakelar lainnya mengulang percobaan panduan: pantulan di antara gedung, satelit berkelompok di satu bagian langit, dan posisi dari tiga satelit yang mempercayai jam ponsel. Batang yang berdampingan menunjukkan skala: derau penerima dan ionosfer dalam meter, pantulan dan ketersediaan selektif puluhan meter, sedangkan galat jam dengan hanya tiga satelit mencapai kilometer.

Kegagalan, gangguan, dan badai

Navigasi satelit juga dapat gagal sebagai sistem. Pada 12 Juli 2019, kerusakan infrastruktur darat Galileo menghentikan layanan navigasi dan waktu semua satelit. Pusat Layanan GNSS Eropa mengumumkan gangguan pada 01:50 UTC dan pemulihan pada 17 Juli. Fungsi pencarian dan pertolongan Galileo tetap bekerja sepanjang waktu itu. GLONASS Rusia turun menjadi tujuh satelit pada 2002 setelah pemangkasan dana pada 1990-an, terlalu sedikit bahkan untuk wilayah Rusia, sebelum dibangun kembali lewat program federal.

Gangguan radio terus menjadi masalah. GPS.gov menyebut emisi pita terdekat, pengacauan disengaja maupun tidak, dan cuaca antariksa sebagai penyebab. Di Amerika Serikat, penggunaan pengacau sinyal ilegal dan Komisi Komunikasi Federal menindak penjualannya. Augmentasi darat juga berubah: layanan GPS diferensial nasional Amerika Serikat berakhir pada 30 Juni 2020, karena berakhirnya ketersediaan selektif secara permanen serta satelit GPS III baru membuatnya tidak diperlukan bagi sebagian besar pengguna. Jaringan referensi kini menangani pekerjaan presisi. Jaringan stasiun referensi kontinu NOAA menerbitkan data gratis yang memungkinkan penyurvei mencapai beberapa sentimeter setelah pemrosesan, dan QZSS menyiarkan koreksi tingkat sentimeter dari langit.

Katalog di tab Kontrol memuat 36 peristiwa dan penggunaan navigasi satelit, dari satelit navigasi Soviet pertama pada 1967 hingga KPS yang direncanakan, masing-masing dengan halaman lembaga sumbernya. Entri bertombol mengubah model: entri sistem menambahkannya ke langit, entri tahun 2000 menyalakan ketersediaan selektif, dan entri badai menaikkan kandungan elektron ionosfer.

Membandingkan pengaturan di layar

Aktifkan koreksi relativitas dan matikan jalan serta pengelompokan. Pilih empat satelit, lalu ubah hanya galat jam telepon. Tampilan jam penerima seharusnya menemukan selisih yang dimasukkan, sementara posisi tetap jauh lebih dekat ke tanda silang sebenarnya daripada perkiraan dari jarak tanpa koreksi. Kembali ke tiga satelit dan ulangi. Persamaan jam yang hilang menjelaskan perpindahan lebih besar; bukan kegagalan perhitungan kecepatan cahaya.

Kembalikan empat satelit sebelum mencoba pengelompokan. Catat PDOP dan galat posisi, lalu matikan pengelompokan tanpa perubahan lain. Terakhir aktifkan jalan dan bandingkan. Ini memisahkan mutu pengukuran dari geometri sejauh diizinkan kendali sederhana. Ini bukan survei lapangan terkendali: satelit terus bergerak, sehingga pembacaan dengan selang waktu panjang tidak harus sama. Catat waktunya untuk mengulangi pengamatan. Peta kecil juga dapat mengubah skala; bandingkan nilai skalanya sebelum menganggap jarak titik yang tampak lebih kecil berarti galat lebih kecil.