CoA - Saat membuka aplikasi peta, kita melihat sebuah titik biru yang menunjukkan posisi di jalan, gedung, atau persimpangan tertentu. Proses itu terlihat seperti pekerjaan biasa antara ponsel dan satelit: satelit mengirim koordinat, lalu ponsel menampilkannya.
Namun, GPS sebenarnya menghadapi persoalan yang jauh lebih aneh. Jam pada satelit GPS tidak berdetak dengan laju yang persis sama seperti jam di permukaan Bumi. Perbedaan ini muncul karena satelit bergerak sangat cepat dan berada di daerah yang gravitasinya lebih lemah. Tanpa koreksi berdasarkan teori relativitas Einstein, kesalahan waktunya akan segera membuat hasil penentuan posisi tidak berguna.
Jadi, relativitas bukan hanya teori untuk menjelaskan lubang hitam atau perjalanan antarbintang. Ia bekerja setiap kali kita mencari alamat, memesan kendaraan daring, melacak paket, atau mengikuti petunjuk navigasi.
GPS mengukur waktu, bukan langsung mengirim lokasi kita
Satelit GPS tidak mengetahui di mana ponsel kita berada. Satelit terus menyiarkan pesan yang berisi posisi orbitnya dan waktu yang sangat akurat saat sinyal dikirim. Ponsel menerima sinyal itu, lalu membandingkan waktu pengiriman dengan waktu kedatangannya.
Gelombang radio bergerak mendekati kecepatan cahaya. Dengan mengetahui lama perjalanan sinyal, penerima dapat memperkirakan jarak ke satelit:
jarak = kecepatan cahaya × waktu perjalanan sinyal.
Satu satelit hanya memberi tahu bahwa penerima berada pada suatu jarak tertentu darinya. Data dari beberapa satelit diperlukan untuk menemukan satu posisi. Dalam praktiknya, penerima GPS biasanya memerlukan sedikitnya empat satelit untuk menghitung tiga koordinat ruang—lintang, bujur, dan ketinggian—sekaligus memperbaiki kesalahan jam pada perangkat.
Mengapa koreksi jam sangat penting? Cahaya bergerak hampir 300.000 kilometer per detik. Kesalahan waktu hanya satu mikrodetik, atau sepersejuta detik, setara dengan kesalahan pengukuran jarak sekitar 300 meter. Karena itu, GPS tidak dapat bergantung pada jam biasa yang terdapat di ponsel. Satelit membawa jam atom yang sangat stabil, sementara perhitungan dari beberapa satelit membantu penerima menyelesaikan selisih waktunya sendiri.
Dua efek relativitas saling berlawanan
Satelit GPS mengorbit Bumi dengan kecepatan tinggi. Menurut relativitas khusus, jam yang bergerak cepat akan berjalan sedikit lebih lambat dibandingkan jam yang relatif diam. Akibat gerakan satelit, jam atom di orbit tertinggal sekitar 7 mikrodetik per hari dibandingkan jam di permukaan Bumi.
Namun, ada efek lain yang arahnya berlawanan.
Menurut relativitas umum, gravitasi juga memengaruhi laju waktu. Semakin kuat medan gravitasi, semakin lambat waktu berjalan. Satelit GPS berada jauh di atas permukaan Bumi sehingga mengalami gravitasi yang lebih lemah. Karena itu, jamnya justru berjalan sekitar 45 mikrodetik per hari lebih cepat daripada jam di Bumi.
Kedua efek tersebut harus digabungkan:
45 mikrodetik lebih cepat − 7 mikrodetik lebih lambat = sekitar 38 mikrodetik lebih cepat per hari.
NIST, lembaga standar dan metrologi Amerika Serikat, menjelaskan angka tersebut dalam publikasi tanggal 3 April 2025: efek relativitas khusus memperlambat jam GPS sekitar 7 mikrodetik per hari, sedangkan efek gravitasi mempercepatnya sekitar 45 mikrodetik, menghasilkan selisih bersih sekitar 38 mikrodetik per hari. Penjelasan resmi NIST.
Tiga puluh delapan mikrodetik terdengar terlalu kecil untuk dipedulikan. Namun, jika dikalikan dengan kecepatan cahaya, selisih itu setara dengan lebih dari 11 kilometer dalam pengukuran jarak sinyal setiap hari. Hubungan antara kesalahan waktu dan kesalahan posisi tidak selalu satu banding satu karena penerima memakai banyak satelit dan perhitungan geometri, tetapi skalanya menunjukkan mengapa penyimpangan tersebut tidak boleh diabaikan.
Bagaimana sistem mengatasinya?
Para perancang GPS tidak membiarkan jam satelit berjalan begitu saja lalu berharap ponsel memperbaiki semuanya. Frekuensi jam atom pada satelit diatur dengan memperhitungkan perbedaan relativistik yang diperkirakan. Sistem juga menerapkan koreksi lain untuk perubahan orbit dan efek yang bergantung pada posisi satelit.
Badan Antariksa Eropa menyebut efek relativitas sebagai batasan rekayasa nyata dalam sistem navigasi satelit global, bukan sekadar pertimbangan teoretis. Koreksi juga harus memperhitungkan efek rotasi Bumi, termasuk efek Sagnac, karena penerima di permukaan berada dalam kerangka yang ikut berputar saat sinyal merambat. Jika diabaikan, efek ini dapat menghasilkan kesalahan hingga skala puluhan meter. Penjelasan teknis ESA Navipedi
Dengan demikian, titik biru pada layar merupakan hasil gabungan jam atom, mekanika orbit, gelombang radio, geometri, model atmosfer, rotasi Bumi, dan relativitas. Ponsel tidak sekadar “bertanya kepada satelit”; ia memecahkan persoalan waktu yang sangat presisi.
Contoh praktis dalam kehidupan sehari-hari
Bayangkan pengemudi menggunakan navigasi untuk menentukan jalan keluar yang benar di sebuah persimpangan bertingkat. Perbedaan beberapa meter saja dapat membuat aplikasi mengira kendaraan berada di jalan bawah, jalan layang, atau jalur yang bersebelahan. Akurasi itu bergantung pada perhitungan waktu sinyal dengan ketelitian luar biasa.
GPS sendiri juga berbeda dari internet. Ponsel dapat menerima sinyal satelit tanpa koneksi data karena satelit hanya menyiarkan sinyal radio. Namun, aplikasi peta biasanya tetap memerlukan internet untuk mengunduh gambar peta, informasi kemacetan, pencarian tempat, dan pembaruan rute. Jika peta wilayah sudah disimpan untuk penggunaan luring, penentuan lokasi melalui GPS masih dapat bekerja meskipun data seluler dimatikan—selama ponsel dapat menangkap sinyal satelit dengan cukup baik.
Gedung tinggi, atap logam, terowongan, dan pepohonan lebat dapat memantulkan atau menghalangi sinyal. Karena itu, posisi di dalam gedung atau di antara gedung tinggi sering melompat-lompat. Masalah tersebut bukan berarti teori relativitasnya gagal; penerima mungkin sedang kekurangan sinyal langsung yang bersih atau menggabungkan GPS dengan Wi-Fi, menara seluler, dan sensor gerak.