A GPS rendszer

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:

1. A GPS-vevő folyamatosan rendelkezik a műholdakon lévő atomórák pontos idejével.
2. 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.
3. Legalább 4 műhold láthatósága esetén „háromszögeléssel” meghatározható a földfelszíni pozíció.
4. 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.