Penentuan posisi dan navigasi dengan GPS berdasarkan pengukuran jarak dari satelit di ketahui posisinya pada orbitnya dengan teliti ke pengguna. Posisi yang di hasilkan dapat berupa koordinat Kartesian 3D atau koordinat geodetik (lintang, bujur dan tinggi di atas ellipsoid referensi).
Sistem GPS menentukan lokasi anda dengan menggunakan teknik survei yang di kenal sebagai”Trilateration”. Hal ini mengacu pada penggunaan jarak dari beberapa lokasi yang di ketahui untuk menentukan koordinat lokasi yang tidak di ketahui.
Dalam hal ini “lokasi yang di kenal”adalah posisi satelit GPS.Oleh karena itu, untuk menentukan posisi anda, receiver GPS Anda perlu mengetahui lokasi masing-masing satelit GPS yang terlihat. Jarak ke satelit ini di hitung dengan menggunakan waktu yang di butuhkan sinyal radio GPS untuk perjalanan dari setiap satelit yang terlihat ke receiver.
Beli juga : Total Station Topcon GM-52
Seberapa akurat informasi ini di dapatkan? Jika posisi satelit di ketahui dalam kilometer terdekat, maka perhitungan posisi Anda hanya bisa di tentukan dalam mil terdekat. Karena Lokasi satelit yang akurat itu penting untuk penentuan posisi yang akurat. Sistem GPS ini di rancang untuk melacak posisi setiap satelit dalam waktu sekitar 1 meter (3 feet) dari posisi sebenarnya.
Oleh karena itu, penentuan posisi akurat satelit dan waktu perjalanan sinyal yang akurat ke receiver Anda adalah inti penting dari teknologi GPS. Jadi sebelum kita menjelaskan bagaimana posisi Anda sebenarnya di hitung, sangat penting untuk membahas bagaimana posisi satelit di tentukan dan bagaimana waktu tempuh di ukur.
Menentukan Posisi satelit
Jalur dari setiap satelit GPS mengorbit secara teoritis dapat di prediksi dengan menggunakan tiga hukum Kepler tentang gerak planet yang di nyatakan pada tahun 1609 dan 1619. Jalan tersebut di prediksi berdasarkan pada asumsi bahwa satu-satunya gaya yang bekerja pada satelit adalah gaya gravitasi bumi dan bahwa bentuk bumi adalah bulat sempurna dengan kepadatan sama.
Pada kenyataannya, asumsi ini tidak valid. Pertama, bumi tidak berbentuk bola sempurna (menonjol di sepanjang khatulistiwa dan merata di kutub). Kedua, kepadatan bumi tidak sama. Ketiga, benda langit lainnya (terutama bulan dan matahari) memiliki bidang gravitasi mereka sendiri, yang juga bekerja pada satelit.
Komplikasi lain yang di perkenalkan oleh fakta bahwa satelit tidak mengorbit dalam vakum sempurna, sehingga ada sedikit hambatan atmosfer. Lebih penting lagi, satelit mengalami dampak dari foton cahaya yang dipancarkan oleh matahari baik secara langsung dan tercermin dari bumi dan bulan.
Hal ini di sebut tekanan radiasi matahari dan fungsi dari ukuran satelit dan orientasi, jarak dari matahari, dan faktor lainnya. Tekanan radiasi matahari memperlambat satelit menuju ke matahari dan mempercepat satelit menjauh dari matahari.
Untuk satelit GPS, efek ini hampir tidak mungkin untuk memodelkan secara akurat dan hal ini merupakan sumber kesalahan terbesar yang terukur. Karena tidak mungkin untuk secara akurat memprediksi lokasi setiap satelit GPS, sehingga lokasi yang sebenarnya harus di ukur secara berkala. Untuk monitoring keempat stasiun tak berawak di segmen kontrol yang di gunakan untuk melacak semua satelit dan berkala menentukan posisi mereka yang sebenarnya. Kesalahan dalam lokasi umumnya kurang dari 1 meter (3 kaki).
Informasi lokasi secara berkala di kirim dari stasiun pelacak tanpa awak yaitu stasiun utama di Colorado di mana daftar master lokasi satelit di pertahankan. Namun, data lokasi satelit di butuhkan oleh semua pengguna GPS. Oleh karena itu, informasi terbaru secara berkala dikirim uplinked ke masing-masing satelit sehingga akan tersedia bagi semua pengguna. Informasi lokasi ini di bagi menjadi dua bagian yang di sebut “almanak” dan “Ephemeris”. Kedua kelas informasi lokasi di jelaskan dalam bagian berikut.
Informasi Almanak
Data almanak menggambarkan data perkiraan orbit satelit dalam waktu lama, yang dalam beberapa kasus dapat berguna untuk beberapa bulan atau lebih. masing-masing satelit berisi semua data almanak untuk seluruh konstelasi.
Oleh karena itu, receiver GPShanya perlu men-download data almanak dari satu satelit untuk menghitung perkiraan lokasi dari semua satelit dalam sistem. Informasi almanak di transmisikan setiap 12,5 menit dan mengambil 12,5 menit untuk men-download.
Karena itu, data almanak di perlukan ketika receiver di hidupkan dan di perbarui, setidaknya 12,5 menit waktu download akan di butuhkan sebelum perbaikan akurat dapat di tentukan. Salah satu produsen receiver GPS menyebutnya sebagai “Pencarian Sky mode startup”.
Manufaktur lainnya menyebutnya mode “pemanasan”. Tidak peduli peralatan apa merek yang Anda gunakan, maka akan memakan waktu setidaknya 12,5 menit untuk men-download data almanak. Semua receiver GPS menyimpan data almanak dalam memori, sehingga setelah data almanak di simpan sekali, hal ini tidak perlu download lagi sampai periode waktu yang telah berlalu di perpanjang dan data menjadi “basi”.
Data almanak juga menjadi basi jika Anda memindahkan receiver ke lokasi lain lebih dari beberapa ratus kilometer jauhnya.
Informasi Ephemeris
Informasi ephemeris berisi lokasi yang tepat dari setiap satelit dan parameter yang di perlukan untuk memprediksi posisinya dalam waktu dekat. Berbeda dengan data almanak, setiap satelit mentransmisikan data hanya ephemeris saja.
Oleh karena itu receiver GPS harus mengumpulkan data ephemeris dari setiap satelit dalam jangkauan. Setiap satelit mentransmisikan data ephemeris setiap 30 detik, sehingga receiver GPS memiliki cukup kesempatan untuk mengumpulkan informasi penting ini.
Dibutuhkan 12 detik untuk men-download data ephemeris dari satu satelit. Data ephemeris di anggap valid untuk 4 sampai 6 jam. Sebagai bagian dari aliran data ephemeris, setiap satelit mentransmisikan indikasi berapa lama datanya akan berlaku.
Receiver GPS bertanggung jawab untuk melacak informasi ini dan memperbarui salinan internal dari data ephemeris bila di perlukan. Beberapa produsen memilih untuk men-download data ephemeris pada jadwal teratur, misalnya untuk setiap 30 atau 60 menit, daripada pelacakan data terbaru dari satelit.
Dalam kasus apapun, data ephemeris baru sangat penting untuk posisi yang akurat. Receiver GPS akan menunjukkan ketika mereka men-download data ephemeris bukan menghitung posisi, sehingga pengguna tidak akan berpikir receiver telah berfungsi atau berhenti bekerja.
Pengukuran Waktu Perjalanan
Setelah receiver GPS memiliki almanak baru dan data ephemeris, dia mengetahui lokasi yang sebenarnya yang terlihat satelit GPS. Tetapi informasi ini tidak ada nilainya kecuali receiver juga tahu jarak ke setiap satelit ini. Jaraknya ditentukan dengan mengukur berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk sinyal radio untuk mencapai receiver dari setiap satelit yang terlihat.
Misalkan bahwa sistem ini diatur sehingga tepat jam 13:00 setiap hari, satelit dan receiver Anda mulai memainkan Symphony Beethoven Kelima. Satelit mentransmisikan Symphony Kelima pada gelombang radio yang bergerak pada kecepatan cahaya. Receiver Anda menerima sinyal dan membandingkannya dengan versi tersebut. Jika kedua jam pada satelit dan receiver yang sempurna sinkron dan akurat, simfoni dari satelit akan menjadi sedikit di belakang versi receiver Anda, karena butuh beberapa waktu untuk sinyal mencapai Anda.
Jumlah waktu yang Anda butuhkan untuk menggeser versi Anda kembali berada di sync dengan versi satelit akan menjadi waktu tempuh dari satelit ke Anda. Pengetahuan kecepatan cahaya (sekitar 186.000 mil per detik atau 300.000-kilometer perkedua) membuatnya mudah untuk menghitung jarak ke satelit menggunakan rumus berikut:
Jarak (Distance) = waktu perjalanan (Travel Time) x kecepatan cahaya
Ini mengasumsikan, bagaimanapun, bahwa receiver Anda mulai memainkan Symphony Kelima persis di jam 13:00. Perhatikan bahwa jika Anda sedang pergi dengan 1 bahkan 1 milidetik (1/1000 detik),penghitungan jarak Anda akan terhenti pada 300 kilometer (186 mil). Karena jam di receiver anda tidak cukup akurat, kita masih tidak bisa menghitung secara akurat jarak real ke satelit.
Kunci untuk menyelesaikan masalah ini adalah menerima beberapa simfoni pada saat yang sama dari beberapa satelit. Simfoni ini adalah kode digital yang ditransmisikan olehsatelit 1.000 kali setiap detik. Dengan beberapa satelit dan sebuah simfoni unik dari masing-masing, receiver GPS dapat mengoreksi kesalahan dalam jam sendiri dan menentukan waktu perjalanan sebenarnya.
