A lányomékhoz utaztunk Walesbe, amikor először találkoztam a GPS-szel. Egy
ismerős vitt haza a repülőtérről, és az ő kocsijában volt ez a szerkezet. Az
odafelé vezető úton kanyargós erdei utakon navigálta őket, ezért elhatározta a
sofőr, hogy visszafelé nem hallgat a műszerre, hanem az autópályán megy térkép
után. Mindannyiunknak nagyon tetszett, hogyan figyelmeztet a GPS állandóan, hogy
rossz irányba megyünk. Azóta, ha együtt ülünk a kocsiban, gyakran idézzük a GPS
figyelmeztetését: „100 m múlva balra…balra…mondtam, hogy balra!”
A navigálós csúcstechnológia: a GPS
A
GPS szó a Global Positioning System (vagyis Globális Helymeghatározó Rendszer)
nevű műhold-alapú navigációs módszer rövidítése. Amellett, hogy a pontos helyet
(a tengerszint feletti magasságot is!) szolgáltatja, képes a sebesség pontos
jelzésére is.
Kezdjük a történettel. A
tájékozódás igénye a civilizációval egyidős. A csillagok voltak az első biztos
tájékozódási pontok, de már az ókorban építettek világító tornyokat a hajósok
számára. Forradalmi újítás volt az iránytű, és az egyre pontosabb térképek.
A
második világháború alatt a radartechnika fejlődött sokat, amivel a tárgyak
helyzetét lehetett meghatározni. Ekkor már használták a háromszögelés módszerét,
ami a GPS - nek is az egyik alapja.
A háromszögelés nagyon
egyszerű. Ha van két ismert pontom, akkor az én pozícióm és a két pont között
két egyenes húzható, amelyeknek az egyetlen metszéspontja az én helyzetem. Így
tehát, ha tudom a két távolságot, a pozícióm a síkban egyértelműen
meghatározható.
Később a földi rádióadók ismert helyzetéből ugyancsak háromszögeléssel lehetett
a helyet meghatározni. Igaz, csak síkban, és elég pontatlanul. Már a 60-as
években, az első kommunikációs műholdak fellövése után megjelentek a Doppler
effektuson alapuló helymeghatározó rendszerek.
A Doppler effektust mindenki észlelte már,
amikor egy szirénázó mentő ment el mellette. Amikor közelít, magasabb a
hangja, mint amikor távolodik. Ugyanígy a rádióhullámok frekvenciája is
változik, ha az adó és a vevő egymáshoz képest közeledik vagy távolodik.
A
szovjet CIKADA teljesen titkos volt, az ugyanekkor kiépített amerikai NNSS-t
viszont a civilek számára is elérhetővé tették. Ezek a rendszerek óránként
tudtak kétdimenziós koordinátákat szolgáltatni. A hadseregek számára ez kevés
volt. Nekik 3 dimenziós adat kellett, és olyan gyorsan, hogy egy vadászrepülőt
is követni lehessen vele.
A
GPS ma is létező rendszerét a 70-es években tervezték meg, és kezdték kiépíteni.
Úgy gondolták, hogy 150 m-es pontosság is elérhetővé válik vele. Az első 10
műhold pályára állítása után kipróbálták a rendszert, és a várakozásokat jócskán
felülmúlva 30 m-es pontosságot értek el. A teljes rendszer 24 műholdból áll (egy
ilyen műhold látható a képen.). Érdekesség, hogy a védelmi minisztérium nem
akarta, hogy ilyen fejlett rendszer álljon a civilek rendelkezésére, ezért a
további műholdak szándékosan rontották a civil elérést. Ez volt a Selective
Availability (SA, korlátozott hozzáférés). Ez az intézkedés nem várt eredményt
hozott: civil mérnökcsapatok rövid idő alatt nagy sikereket értek el a néhány
méter pontosság felé vezető kutatásokban! Az Egyesült Államok védelmi
minisztériuma (talán pont ezen oknál fogva) 2000-ben kikapcsolta az SA-t.
Akkor lássuk magát a hálózatot:
A
helymeghatározás 24 db műhold segítségével történik, melyek a Föld felszíne
fölött 20200 km-es magasságban keringenek, az Egyenlítővel 55°-os szöget bezáró
pályán. Egy-egy műhold nagyjából naponta kétszer kerüli meg a Földet. Az
égbolton sík terepen egyszerre 7-12 műhold látható, melyből a
helymeghatározáshoz 3, a
tengerszint feletti magasság meghatározásához pedig további egy hold szükséges.
Minden műholdon két darab rubídium vagy cézium atomóra van. A lesugárzott jelből
is kétféle létezik, az egyik a durva elérés (polgári használatra)
ezred-másodpercenként 1023 jellel, a másik a finom elérés (katonai célokra)
ezred-másodpercenként 10230 jellel. Az előbbi néhány méteres (15m-en belüli)
pontosságú, az utóbbi egy méteren belüli. Ha már a pontosságnál tartunk: a jelek
a légkörön keresztül vándorolnak, amely soha nem állandó. Különösen az ionizált
részecskékből álló réteg lassít sokat a jeleken. A műholdak pályája sem teljesen
állandó, hat rájuk a Nap, a Hold gravitációs ereje, és a napszél is. Egy – egy
rögzített földi állomás ki tudja mérni ezeket a hibákat, és korrekciót képes
számolni, amivel a (kb. 100 km-es) környezetében mm-es pontosságot is el lehet
érni.
Az eljárás lépései:
- A GPS-vevő
folyamatosan rendelkezik a műholdakon lévő atomórák pontos idejével.
- Ismerni kell a vevő
és a műholdak pontos távolságát, amihez a műholdak aktuális pályájának és a
kisugárzott jel megérkezési idejének ismerete szükséges. A készülék
bejelentkezésekor ezek az adatok töltődnek le, illetve kerülnek mérésre.
- Legalább 4 műhold
láthatósága esetén „háromszögeléssel” meghatározható a földfelszíni pozíció.
- Hibák és korrekciók
Ez a rendszer tökéletesen kiszolgálja a hadsereg (és főleg a polgári lakosság)
igényeit. A nap 24 órájában elérhető, független a helytől, a tengerszint feletti
magasságtól, és a sebességtől. Valóban használható akár egy vadászgépen is.
Persze a hátrányait is fel kell sorolnunk:
A
szükséges adatok vétele viszonylag hosszú időbe telik (bekapcsolás után pár
perc).
Csak nyílt, fedetlen területeken alkalmazható (pl. alagútban nem).
Az épületekről visszaverődő jelek zavart okozhatnak a mérésben.
A
ritkán előforduló erős napkitörések idején használhatatlanná válhatnak.
Még néhány adalék. Már régóta nem csak az eredeti GPS elérhető.
Ha a vevő az ingyenes WAAS (Amerika), EGNOS (Európa) illetve MSAS
(Japán) rendszer jeleit is felhasználja, 4 méternél jobb pontosságra lehet
képes.
Léteznek előfizetéses szolgáltatások is: Az OmniStar VBS nevű kiegészítő
rendszer például fél és egy méter közötti pontosságot garantál, az OmniStar HP
(alul) pedig 10-15 cm-eset! Egy ilyen rendszer üzembe helyezésének és
használatának költsége azonban jelenleg még néhány millió forintra rúg.
