Como funciona a precisão do GPS

Satélites, relógios e trilateração

O GPS é uma constelação de cerca de 31 satélites (ao lado do Galileo europeu, do GLONASS russo e do BeiDou chinês, além de reforços regionais como o NavIC indiano e o QZSS japonês — celulares modernos usam tudo o que conseguem ouvir) que orbitam a aproximadamente 20 200 km de altura, em seis planos orbitais inclinados 55° em relação ao equador, cada satélite dando a volta na Terra a cada 11 horas e 58 minutos. Cada um transmite uma marca de tempo extremamente precisa de um relógio atômico a bordo — um relógio que precisa de Einstein para continuar útil: a gravidade mais fraca e a velocidade orbital o deixam adiantado cerca de 38 microssegundos por dia, o que, sem correção, se acumularia em quilômetros de erro de posição a cada dia. Seu celular mede quanto tempo cada sinal levou para chegar; multiplica pela velocidade da luz e obtém a distância até cada satélite. Uma distância coloca você sobre uma esfera, duas sobre um círculo, três em dois pontos — e um quarto satélite resolve ao mesmo tempo o ponto final e o erro do relógio do seu próprio receptor. É por isso que uma «fixação» precisa de pelo menos quatro satélites, e por isso a primeira fixação depois de ficar em ambiente fechado é a mais demorada: o receptor ainda está baixando os dados orbitais de cada satélite.

De onde vem o erro

Cada metro de erro é um problema de tempo na escala do nanossegundo. O sinal desacelera de forma imprevisível ao atravessar a ionosfera e a troposfera (2–5 m de erro), os relógios e as órbitas dos satélites derivam um pouco (±2 m) e — o maior deles nas cidades — os sinais refletem no vidro e no concreto antes de chegar até você. Esse efeito de multipercurso faz seu celular cronometrar um reflexo em vez do raio direto, e por isso a precisão numa rua entre prédios altos pode cair para 30–50 m enquanto um campo aberto dá 3 m. A copa das árvores, seu próprio corpo e até segurar o celular baixo acrescentam versões menores do mesmo problema.

A altitude é medida do mesmo jeito, mas carrega cerca de 1,5–3× o erro horizontal, porque todos os satélites estão acima de você — não há nada segurando a solução por baixo. Por isso nossa ferramenta de elevação oferece uma leitura do modelo de terreno ao lado da do GPS.

O que o círculo de precisão quer dizer de verdade

O círculo em volta do seu ponto é uma afirmação estatística, não um limite: normalmente ele é desenhado de modo que haja ~68% de chance de a posição real estar dentro. Um círculo de 20 m não quer dizer que você está 20 m fora — quer dizer que a estimativa de erro do próprio receptor, tirada da qualidade do sinal e da geometria dos satélites, é de 20 m. A geometria pesa tanto quanto a força do sinal: se os satélites visíveis se amontoam num só pedaço do céu (o que se chama alta diluição da precisão), pequenos erros de tempo viram grandes erros de posição, do mesmo jeito que duas retas quase paralelas se cruzam num ponto mal definido.

Celulares trapaceiam — para o bem

A fixação de um celular quase nunca é GPS puro. O GPS assistido (A-GPS) baixa as órbitas dos satélites pela rede para o receptor pular a busca lenta pelo céu; o posicionamento Wi-Fi compara os pontos de acesso próximos com mapas colaborativos (bom até ~15–40 m em ambientes fechados); as torres de celular dão na hora uma estimativa grosseira de 100 m–3 km. Seu sistema operacional funde tudo isso com o acelerômetro, o giroscópio e o magnetômetro, e por isso o ponto às vezes salta para uma posição nova: o motor de fusão mudou de ideia sobre em qual fonte confiar. Quando você consulta sua localização neste site, o navegador nos entrega o que a fusão do sistema produziu — mostramos a precisão que ele declara com honestidade, em vez de fingir uma exatidão que não existe.

O truque mais novo é uma segunda frequência. Celulares recentes — a maioria dos topos de linha Android desde ~2018, iPhones desde o 15 — escutam o sinal moderno L5 junto com o L1 original. Comparar duas frequências permite ao receptor medir o atraso da ionosfera em vez de modelá-lo, e a estrutura mais nítida e mais forte do L5 resiste ao multicaminho — e é por isso que um celular de dupla frequência consegue segurar 1–2 m num cânion urbano que antes significava 20. A maior parte da constelação já transmite o L5 (ele atinge força oficial plena conforme os últimos satélites anteriores a 2010 se aposentam), e receptores L5 dedicados avançam rumo a ~30 cm.

Como conseguir uma fixação melhor

Passos práticos, em ordem de impacto: procure céu aberto (só se afastar da fachada de um prédio já ajuda mais do que qualquer outra coisa); dê à fixação 30–60 segundos para assentar em vez de ler a primeira estimativa; desative os modos de localização com economia de bateria, que trocam silenciosamente para fontes grosseiras; e em gravações longas, como as do nosso velocímetro GPS, mantenha a tela ligada e o celular desobstruído — muitos celulares limitam o GPS quando estão bloqueados. Se dois aparelhos discordam, confie no que mostra o círculo de precisão menor, e lembre que os dois podem estar certos dentro dos limites que declaram. Para compartilhar um ponto com exatidão apesar do ruído do GPS, use os formatos de coordenadas da página de coordenadas GPS — um Plus Code ou uma referência MGRS não derivam.