عندما تفتح تطبيق الخرائط ويظهر موقعك كنقطة زرقاء دقيقة، فإن هاتفك في هذه اللحظة يقوم باستقبال إشارات من أربعة أقمار صناعية على الأقل لتحديد إحداثياتك.
نظام GPS هو اختصار لـ Global Positioning System، أي "نظام تحديد المواقع العالمي". طورته وزارة الدفاع الأميركية في السبعينيات، وأصبح اليوم أساساً للملاحة في الهواتف والسيارات والطائرات وحتى الساعات الذكية.

يعتمد النظام على كوكبة من الأقمار الصناعية يبلغ عددها حالياً أكثر من 30 قمراً، تدور حول الأرض في مدارات هندسية دقيقة للغاية على ارتفاع يقارب 20 ألف كيلومتر، مصممة بحيث تكون هناك أربعة أقمار صناعية على الأقل في مجال الرؤية المباشرة لأي نقطة على سطح الأرض وفي أي وقت.

كل قمر صناعي في هذه الشبكة يحمل ساعات ذرية فائقة الدقة، وهي ضرورية لأن النظام يعتمد على قياس الزمن بدقة متناهية. يقوم القمر بإرسال إشارة راديوية مستمرة تحتوي على معلومتين: موقعه المحدد في الفضاء، والوقت الدقيق الذي أُرسلت فيه الإشارة.

عندما يستقبل جهازك هذه الإشارات، يبدأ بحساب المسافة بينه وبين كل قمر عبر معادلة فيزيائية بسيطة: "المسافة تساوي السرعة مضروبة في الزمن". بما أن سرعة الإشارة ثابتة (سرعة الضوء)، يحسب الجهاز الزمن الذي استغرقته الإشارة للوصول (الفرق بين وقت الإرسال ووقت الاستقبال) ويضربه في السرعة لينتج المسافة الدقيقة.

بعد معرفة المسافات، يستخدم الجهاز عملية هندسية تسمى "التثليث المساحي" (Trilateration). فكرتها أنه إذا عرفت مسافتك من قمر واحد، فأنت تقع في أي مكان على سطح كرة وهمية تحيط به. وبإضافة قمر ثانٍ، يتقاطع السطحان ليحصرا موقعك في دائرة، ومع قمر ثالث تتقاطع المجالات لتحدد نقطتين فقط. هنا يأتي الدور الحاسم للقمر الرابع الذي يحدد النقطة الصحيحة، وبذلك يتم تحديد موقعك بدقة تصل إلى أمتار قليلة.

كلما زاد عدد الأقمار التي تصل إشاراتها إلى جهازك، زادت دقة الحسابات. في الظروف المثالية، يمكن أن تصل دقة GPS إلى أقل من متر واحد. لكن في البيئات المعقدة مثل المدن ذات المباني العالية أو الغابات الكثيفة، قد تتأثر الإشارات بالانعكاسات أو الانقطاع، مما يقلل الدقة.

الميزة الأساسية التي تجعل GPS يعمل بهذه الدقة هي وجود الساعات الذرية داخل الأقمار الصناعية. هذه الساعات تحافظ على الوقت بدقة مذهلة تصل إلى 100 جزء من المليار من الثانية، وهو ما يضمن أن الحسابات الزمنية والمسافات شبه مثالية بدون هذه الساعات، لن يكون النظام قادراً على تحديد المواقع بدقة عالية.

وهكذا من خلال شبكة الأقمار الصناعية، إشارات الراديو، وساعات ذرية دقيقة، يستطيع جهازك أن يعرف موقعك على الخريطة في أي لحظة تقريباً، سواء كنت في سيارة، أو تحمل هاتفاً، أو ترتدي ساعة ذكية.