GPS veikimas ir istorija: kažkada pozicionavimo klaidos buvo įterpiamos tyčia

Šiandien GPS laikome savaime suprantamu dalyku. GPS imtuvų yra visur, pradedant mobiliaisiais telefonais bei nešiojamaisiais kompiuteriais – ir baigiant automobiliais, laivais ir net žemės ūkio traktoriais. Tačiau taip buvo ne visada.

Visuotinę padėties nustatymo sistemą (GPS) 1973 m. sukūrė JAV gynybos departamentas (DoD). Iš pradžių vadinta NAVSTAR, sistema buvo siekiama tiksliai nustatyti karinio personalo ir prekių buvimo vietą.

Pirmieji keturi GPS palydovai buvo paleisti 1978 m. – tačiau tik 1995 m. liepos 17 d. sistema pradėjo veikti pilnu pajėgumu. Taip buvo todėl, kad norint apimti visą pasaulį, reikėjo paleisti mažiausiai 24 palydovus.

Kariuomenė naudojo GPS, kad tiksliai nustatytų taikinius per oro smūgius. Raketose – tokiose kaip sparnuotoji raketa „Tomahawk“ – yra GPS imtuvas, kuris skrydžio metu nuolat skaičiuoja raketos trajektoriją ir leidžia padidinti tikslumą ir sumažinti papildomą žalą.

1983 m. rugsėjo 1 d. nuklydus į SSRS draudžiamą oro erdvę, buvo numuštas Pietų Korėjos oro linijų lėktuvas „Boeing 747“, gabenęs 269 žmones. Reaguodamas į šią tragediją, prezidentas Ronaldas Reaganas paskelbė vykdomąjį raštą, leidžiantį civiliams naudoti GPS – tačiau JAV kariuomenė norėjo, kad visuomenei išleista versija būtų „nutildyta“.

Gynybos departamentas sukūrė dvi atskiras GPS paslaugas: standartinę padėties nustatymo tarnybą (SPS) visuomenei ir tikslaus padėties nustatymo tarnybą (PPS) kariuomenei. Skirtumas tarp dviejų sistemų buvo tas, kad SPS buvo įterpta sąmoninga atsitiktinė klaida, vadinama selektyviu prieinamumi (SA). Šiek tiek pakeisdama palydovų laikrodžių nurodytą laiką, SA pablogino GPS palydovų tikslumą maždaug 100 metrų,

DoD pateisino šį klaidų faktorių sakydama, kad būtina apriboti visas GPS galimybes potencialiems priešams – ir apsaugoti JAV bei jos sąjungininkų saugumo interesus.

2000 m. gegužės 1 d. prezidentas Billas Clintonas dezaktyvavo SA – sakydamas, kad „mokslo ir komercinius interesus ir transporto saugumą visame pasaulyje geriausiai galėtų patenkinti SA nutraukimas“.

Tuo metu, kai selektyvus prieinamumas buvo panaikintas, GPS sistemos tikslumas siekė 5 metrus. 2018 m. buvo išleisti GPS imtuvai, naudojantys naujausią L5 juostos technologiją – ir jie gali tiksliai nustatyti vietą 30 centimetrų tikslumu. Tačiau aukščiausio lygio vartotojai gali padidinti GPS tikslumą naudodami dvigubo dažnio imtuvus arba padidinimo sistemas. Tai gali padėti realiuoju laiku nustatyti kelis centimetrus ir atlikti ilgalaikius matavimus milimetrų masteliu.

Vis dėlto, JAV kariuomenė išlaiko teisę selektyviai atrinkti GPS signalus

Kadangi JAV gali pasirinktinai atrinkti GPS tikslumą, kitos šalys arba sukūrė, arba kuria savo pasaulines palydovinės navigacijos sistemas (GSNS). Rusija sukūrė savo pasaulinę palydovinės navigacijos sistemą (GLONASS) tuo pačiu metu, kai JAV kūrė GPS. Tačiau GLONASS negalėjo visiškai padengti Žemės rutulio iki 2000-ųjų vidurio.

GLONASS veikai daugelyje GPS įrenginių, o ši prieiga prie papildomų palydovų leidžia tiksliai nustatyti vietą 2 metrų atstumu. Kinija savo „BeiDou“ palydovinę sistemą pradėjo kurti 2018 m., o pilną diegimą užbaigė 2020 m.

Europos Sąjunga teikia „Galileo“ padėties nustatymo sistemą, Indija turi „NavIC“ sistemą, o Japonijos „Quasi-Zenith“ palydovų sistema (QZSS) padidina GPS tikslumą Azijos ir Okeanijos regione. Planuojama, kad iki 2023 m. Japonija turės savo sistemą, nepriklausančią nuo GPS.

Kiekvienas GPS palydovas tiksliai registruoja savo padėtį ir laiką – ir perduoda tuos duomenis į GPS imtuvus. GPS palydovai turi labai tikslius atominius laikrodžius, kurie laiką matuoja pagal atomų virpesius.

Kadangi radijo bangų greitis yra pastovus ir nepriklauso nuo palydovo greičio, laiko skirtumas tarp palydovo perdavimo signalo ir to laiko, kai imtuvas gauna tą signalą, yra proporcingas atstumui tarp palydovo ir imtuvo.

GPS palydovai skrieja maždaug 20 200 km aukštyje ir yra išdėstyti taip, kad bent keturi palydovai būtų matomoje linijoje iš bet kurios Žemės paviršiaus vietos. Kiekvienos orbitos GPS palydovų kampinis skirtumas yra 30°, 105°, 120° ir 105° – o tai sudaro 360°.

GPS nereikalauja, kad vartotojas perduotų duomenis, ir jis veikia nepriklausomai nuo telefono ryšio ar interneto veikimo, tačiau tiek telefono, tiek interneto programos gali padidinti GPS padėties nustatymo duomenų naudingumą.

GPS remiasi keturiomis sąvokomis: trilateracija, atstumo matavimu, atominiais laikrodžiais ir diferenciniu GPS. Apžvelgsime kiekvieną iš jų.

Šiuo metu du kartus per dieną aplink Žemę skrieja 31 GPS palydovas: 27 veikiantys ir keturi, esantys atsargoje. Šis išplėsta palydovų flotilė leidžia iš bet kurio Žemės taško bet kuriuo metu matyti devynis palydovus.

Vienas palydovas pateikia esminę informaciją: atstumą tarp to palydovo ir GPS imtuvo. Jei mes pavadintume tą atstumą D, kiekvienas taškas apskritoje Žemės srityje, esantis atstumu D nuo palydovo, yra tas, kur gali būti GPS imtuvas.

Tarkime, kad jūs esate Nevados dykumoje – o jūsų GPS imtuvas, palaikantis ryšį su palydovu Nr. 1, rodo, kad jūs bet kuria kryptimi nutolęs nuo Las Vegaso 241 km. Žemiau esančiame paveikslėlyje galite būti bet kurioje apskritimo vietoje.

Tarkime, kad dabar jūsų GPS imtuvas bendrauja su palydovu #2, kuris rodo, kad esate už 241 km nuo Los Andželo. Dabar mes žinome, kad jūsų buvimo vieta yra toje vietoje, kur susitinka du apskritimai – tačiau, jei jūsų GPS imtuvas, palaiko ryšį su palydovu #3, kuris rodo jus esant 160 km nuo Fresno (Kalifornija), jūsų tiksli buvimo vieta yra ant Teleskopo kalno viršūnės Mirties slėnio nacionaliniame parke.

Žemė nėra nėra tobula sfera – o tai reiškia, kad mums reikia ketvirtosios informacijos, kad galėtume tiksliai surasti jūsų buvimo vietą – jūsų buvimo vietos aukščio virš jūros lygio. Iš palydovo #4 gaunama informacija parodo jus esant 3 366 m aukštyje virš jūros lygio – o kadangi galime sužinoti Teleskopo viršūnės aukštį, dabar žinome, kad jūs stovite ant kalno viršūnės.

Svarbiausia iš palydovo gaunama informacija yra tikslus atstumas tarp to palydovo ir GPS imtuvo. GPS palydovai nuolat transliuoja skaitmeninį radijo signalą, kuriame nurodoma jų padėtis ir tikslus laikas.

Gavęs signalą, GPS imtuvas atima tikslų laiką iš palydovo siunčiamo laiko ir išsprendęs x žemiau pateiktoje lygtyje, gali apskaičiuoti tikslų atstumą nuo palydovo:

300 000 km/s = x/apskaičiuotas laikas (kur 300 000 km/s yra tiek šviesos, tiek radijo bangų greitis. Jei padidinsime laiko skirtumo matavimo tikslumą, padidinsime ir atstumo matavimo tikslumą).

Diferencinis GPS – arba DGPS – buvo sukurtas bandant įveikti klaidą, kurią sukelia selektyvinis prieinamumas – ir pirmiausia jis buvo naudojamas lėktuvuose. DGPS vis dar naudojamas ir šiandien, nors SA ir buvo išjungtas – ir jis veikia pastačius GPS imtuvus žinomose vietose visame pasaulyje. Šie imtuvai nuolat lygina žinomas vietas su informacija, kurią gauna iš GPS palydovų. Jei yra neatitikimų, ta informacija perduodama kitiems DGPS įrenginiams.

Jei jūsų GPS imtuve yra įjungtas DGPS, jis koreguos savo skaičiavimus atsižvelgdamas į bet kokius dabartinius skirtumus, kuriuos apskaičiavo DGPS stotys.

Šiandien GPS sistemą valdo naujosios Jungtinių Valstijų kosmoso pajėgos – ir mes GPS pasitikime labiau nei bet kada anksčiau.

Traktoriuose įmontuotus GPS imtuvus ūkininkai naudoja dirbdami, sodindami – laistydami, purškdami laukus ir nuimdami derlių. Geologai, geodezininkai, sunkvežimių kompanijos, oro linijų pilotai, laivų kapitonai, telekomunikacijų paslaugų teikėjai, pirmosios pagalbos teikėjai, teisėsauga ir kalnakasiai kasdien naudoja GPS.

Ir tai tikrai ne visos sritys, kuriose naudojama GPS – todėl be šios sistemos daugelis jau neįsivaizduojame šiuolaikinio pasaulio.