Bagaimana GPS Bekerja?

GPS — dari militer, logistik, hingga menampilkan rute lari kita di strava membutuhkan teknologi ini. Terus gimana cara kerjanya teknologi ini? kenapa bisa tahu koordinat device kita dengan sangat akurat?

Kita akan lebih fokus membahas ke teknis bagaimana sistem GPS bekerja, sehingga sejarah evolusi GPS kurang kita bahas pada tulisan ini.

GPS

GPS (Global Positioning System) adalah sistem navigasi berbasis satelit yang memungkinkan kita mengetahui lokasi, kecepatan, dan waktu secara akurat di mana saja di bumi, selama ada sinyal satelit yang diterima. Sistem ini pertama kali dikembangkan oleh Departemen Pertahanan Amerika Serikat dan sekarang digunakan secara luas pada ponsel, mobil, kapal, pesawat, dan banyak perangkat lainnya.

Bagaimana GPS bekerja?

GPS bekerja dengan konsep trilaterasi (bukan triangulasi). Artinya, posisi dihitung berdasarkan jarak receiver ke beberapa satelit.

Langkah kerja sederhananya:

1. Satelit GPS mengorbit Bumi dan mengirim sinyal radio yang berisi informasi posisi satelit dan waktu pengiriman sinyal.
2. Receiver GPS (misalnya HP) menangkap sinyal dari satelit-satelit tersebut.
3. Receiver menghitung jarak ke setiap satelit berdasarkan waktu tempuh sinyal (kecepatan cahaya).
4. Dengan jarak dari minimal 4 satelit, receiver bisa menghitung posisi tiga dimensi:
   • Bujur (longitude)
   • Ketinggian (altitude)
   • Jika hanya mendapat sinyal 3 satelit, receiver hanya bisa menentukan posisi 2D (tanpa ketinggian).

Trilaterasi

source: https://gisgeography.com/trilateration-triangulation-gps/

source: https://ryosaeba.wordpress.com/2007/11/27/triangulasi-trilaterasi-dan-multilaterasi/

Trialetirasi adalah cara untuk menentukan posisi dengan mengukur jarak ke beberapa titik referensi yang sudah diketahui posisinya. Data yang dipakai: jarak (radius), bukan sudut. Pada sistem GPS, jika kita tahu jarak ke 3 satelit / pemancar dan tahu lokasi satelit-nya, maka titik potong 3 lingkaran = posisi kita. Untuk mendapat jarak, receiver mengonversi waktu tempuh sinyal (kecepatan sinyal radio = kecepatan cahaya).

Informasi yang dikirim satelit ke receiver

1. Waktu pengiriman sinyal (Time Stamp)

   • Ini adalah waktu sangat presisi yang diambil dari jam atom di satelit.
   • Receiver membandingkan waktu ini dengan waktu saat sinyal diterima → dipakai untuk menghitung jarak satelit ke receiver (karena sinyal bergerak pada kecepatan cahaya).
   • Contoh: Jika sinyal tiba 0,07 detik setelah dikirim → jarak ≈ 21.000 km.

2. Posisi satelit saat mengirim sinyal (Ephemeris Data)

   • Berisi koordinat orbit satelit pada saat sinyal dikirim.

   • Data ini memungkinkan receiver tahu di mana satelit berada di ruang angkasa pada waktu tertentu.

   • Diperbarui setiap beberapa jam dan sangat akurat.

     Tanpa data posisi satelit, receiver tidak dapat menghitung lokasi.

3. Almanac Data (Data umum seluruh satelit)

   • Berisi info orbit semua satelit dalam sistem GPS, bukan hanya satu.
   • Digunakan untuk membantu receiver mencari satelit mana yang sedang terlihat di langit.
   • Kurang akurat dari ephemeris, tetapi berlaku hingga 30 hari.
   • Inilah alasan kenapa GPS kadang “cold start” lama (agar dapat almanac dulu).

4. Informasi status satelit

   • Apakah satelit sedang berfungsi normal atau dalam mode pemeliharaan.
   • Sinyal yang rusak/terlambat tidak dipakai agar posisi tidak meleset.

5. Koreksi waktu dan parameter tambahan

   • Koreksi jam satelit (clock correction)
   • Koreksi relativistik (karena satelit bergerak cepat dan berada jauh dari gravitasi bumi → efek Einstein)
   • Parameter ionosfer dan troposfer (untuk memperbaiki gangguan atmosfer)

Satelit GPS: Orbit dan Jumlahnya

• Ada sekitar 31 satelit aktif dalam sistem GPS (biasanya minimum 24).
• Satelit GPS berada pada Medium Earth Orbit (MEO), sekitar 20.200 km di atas permukaan bumi.
• Waktu orbit: setiap satelit mengelilingi bumi 2 kali dalam 24 jam.
• Satelit dilengkapi jam atom yang sangat akurat (kesalahan 1 detik → posisi bisa meleset ratusan kilometer).
• Satelit mengirim sinyal dengan frekuensi tertentu (misalnya L1, L2).

Kenapa Satellite Tidak Jatuh?

Satelit GPS yang berada di MEO tetap berada dalam pengaruh gravitasi bumi, hanya saja mereka tidak jatuh ke bumi karena sedang bergerak sangat cepat di jalurnya.

• MEO berada pada ketinggian ± 20.200 km dari permukaan bumi (ketinggian orbit GPS).
• Gravitasi bumi tidak hilang pada jarak tersebut, hanya berkurang kekuatannya dibanding di permukaan bumi.

Gravitasi pada ketinggian GPS masih sekitar 25%–30% dari gravitasi di permukaan bumi.

Free Fall

Satelit tidak melawan gravitasi. Justru, satelit terus-menerus mengalami jatuh bebas (free fall) akibat tarikan gravitasi Bumi. Namun, karena satelit memiliki kecepatan mendatar yang sangat tinggi, arah jatuhnya selalu mengikuti kelengkungan Bumi. Akibatnya, satelit terus jatuh tetapi tidak pernah menyentuh permukaan Bumi. Keadaan inilah yang disebut orbit.

• Gravitasi menarik satelit ke bawah
• Kecepatan satelit mendorongnya ke depan
• Gabung → lintasan melengkung terus (orbit)

Kalau kecepatannya berkurang → jatuh

Kalau kecepatannya lebih besar dari orbit → terlempar keluar Bumi

Jadi kecepatan adalah cara satelit “mengimbangi” gravitasi bumi.

Satelit tidak butuh bahan bakar untuk bergerak

Karena di ruang angkasa tidak ada gesekan (hampir tanpa udara), sehingga benda yang sudah bergerak akan terus bergerak sesuai Hukum Inersia Newton:

“Benda bergerak akan terus bergerak dengan kecepatan tetap, kecuali ada gaya yang mengubahnya.”

Setelah satelit diberi kecepatan orbit oleh roket, ia terus bergerak sendiri tanpa mesin. Jadi bahan bakar tidak diperlukan untuk tetap mengelilingi bumi, hanya diperlukan untuk:

• Koreksi kecil posisi orbit (station keeping)
• Mengubah arah atau ketinggian orbit
• Menghindari tabrakan (manuver debris)

Selama tidak ada gesekan udara yang memperlambat, satelit terus meluncur di lintasan orbitnya.

Tapi tentu saja satelite perlu bahan bakar untuk operasional komputer radio GPS nya, mereka menggunakan panel surya dan baterai.

Wifi aja beda ruangan udah ilang, satellite sejauh itu bisa nyampe bumi?

1. PRN

   Satelit GPS memancarkan kode unik (PRN – Pseudo Random Noise code) untuk setiap satelit. Penerima GPS tidak sekadar "mendengar sinyal kuat", tapi mencocokkan pola kode untuk tahu satelit mana yang sedang didengar. Jadi meskipun sinyalnya lemah, receiver bisa mengunci pola yang dikenalnya.

2. Frekuensi GPS

   Meskipun melewati atmosfer dan uap air, gelombang radio GPS (sekitar 1,2–1,5 GHz / L1 L2) masih bisa menembus karena frekuensi ini cukup tinggi untuk tidak diserap air secara signifikan, tapi tidak terlalu tinggi sehingga terhambur seperti cahaya.

Semakin tinggi frekuensi → semakin pendek gelombang → semakin sulit menembus halangan

• Gelombang panjang (frekuensi rendah) seperti 1.2 GHz punya kemampuan menembus bahan non-logam dan uap air lebih baik.
• Gelombang pendek (frekuensi tinggi) seperti 5 GHz WiFi lebih mudah dipantulkan atau diserap oleh benda padat atau air.

Air “menyerap” energi gelombang mikro

Air punya sifat dipolar — molekulnya bisa bergetar mengikuti medan listrik dari gelombang elektromagnetik.

Semakin tinggi frekuensi gelombang (semakin cepat perubahan medan listriknya), semakin banyak energi yang “diserap” untuk membuat molekul air bergetar → energi sinyal jadi hilang sebagai panas.

• Microwave oven (2.45 GHz) sengaja pakai frekuensi sama kayak WiFi 2.4 GHz karena frekuensi ini sangat efektif memanaskan air.
• Jadi, WiFi “nyangkut” di tembok atau tubuh manusia karena sebagian besar diserap oleh molekul air.
• GPS di 1.5 GHz lebih rendah → tidak cukup cepat untuk membuat air menyerap terlalu banyak, jadi masih bisa lewat.

Penutup nya tidak ada penutup.