Mi az a GPS? Miért van rá szükségünk? Mi a különbség a különböző navigációs rendszerek között? Ebben a cikkben mindenről beszélünk.
Jelenleg a GPS mindennapi, megszokott dolognak tűnik számunkra, amiről mindenki hallott, és a legtöbben a mindennapi életében is használják. Ez az egyik eszköz, amelyet készülékeinkben használunk. Ugyanakkor nem is gondolunk bele, hogyan működik, honnan jött, mennyi időt, erőfeszítést és pénzt kellett fektetni ennek a rendszernek a létrehozásába. Ma már a GPS jelvevők nem csak navigátorok, telefonok, okostelefonok, tabletek, autók, de még fitnesz karkötők és "okos" órák is, ezek adatait az iparban, amatőr és profi sportban, rallyban és versenyzésben, és persze a hadiiparban is felhasználják. Nézzük meg közelebbről a különböző navigációs rendszereket.
Mi az a műholdas navigáció?
A műholdas navigáció vagy a Global Navigation Satellite System olyan műholdak rendszere, amely adatokat továbbít a globális helymeghatározásról és a pontos időről. Az információ továbbítására bizonyos frekvenciájú rádióhullámokat használnak. Az ilyen adatok vétele után a vevő kiszámítja azokat, és megjeleníti a tartózkodási helyünk koordinátáit, azaz a hosszúságot, szélességet és tengerszint feletti magasságot.
Az alaprendszereken (GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo) kívül segédrendszerek is léteznek az űrben. Ezek az úgynevezett műholdas korrekciós rendszerek (SBAS), például a Global Omnistar és a StarFire, amelyeket a mezőgazdaságban használnak.
Felettünk olyan regionális támogató rendszerek is találhatók, mint az Egyesült Államokban a WAAS, az EU-ban az EGNOS, a japán MSAC és az indiai GAGAN, amelyek a világ kisebb területein gondoskodnak az adatok finomításáról. Mindezt földi komponensek támasztják alá, amelyekről később még szó lesz. Nagyon sok definíció van a rendszerben, de nem megyünk bele a részletekbe.
Olvassa el még: A legfontosabb és legérdekesebb űrmissziók 2021-ben
A műholdas navigáció típusai
A GPS nem az egyetlen jelenleg elérhető műholdas navigációs rendszer. Többféle műhold repül a fejünk felett, amelyek felelősek a zsebünkben tartott, a csuklónkon hordott vagy a navigátorokban használt eszközök földrajzi helymeghatározásáért. Miért van több rendszer és nem egy? Biztos vagyok benne, hogy ezt a kérdést a legtöbb átlagos felhasználó tette fel. A helyzet az, hogy eredetileg a GPS-rendszert katonai szükségletekre hozták létre, és továbbra is a katonaság rendelkezik felette. Ez azt jelenti, hogy a világon mindenhol és mindenki pozícióját ellenőrzik. Természetesen sokaknak nem tetszett ez a pozíció, nemcsak az ellenfeleknek, de még a barátoknak sem. Ezért a világ komoly szereplői úgy döntöttek, hogy úgy fejlesztik navigációs rendszereiket, hogy a hadseregük irányítsa őket. Hamarosan megjelentek a világon a GPS-analógok, amelyek egymással versengve a piac legjobb és legpontosabb címéért. Nekünk, hétköznapi felhasználóknak ez csak előny. Tehát próbáljunk meg minden rendszerrel külön-külön foglalkozni.
Amerikai GPS
Ez az első leggyakrabban használt navigációs rendszer. Amikor a műholdas navigációra gondolunk, általában a GPS kifejezést használjuk. Az amerikai rendszert eredetileg NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System-nek, vagy röviden NAVSTAR-GPS-nek hívták.
A GPS az Egyesült Államok hadseregének, vagy inkább az Egyesült Államok űrhaderőjének a kezében van. Minden eszköz megfelelő működését a Space Delta 8 ellenőrzi, amely a Colorado Springs közelében található Shriver légibázison található, és a GPS-főhadiszállás részeként működik.
A polgári alkalmazások csak kis kiegészítést jelentenek a katonai alkalmazásokhoz, amelyeknél az elrendezés és a legmagasabb helymeghatározási pontosság a prioritás. A civil felhasználók némileg csonka verziót kapnak, de ez így is elég jó. Autóvezetéshez vagy futáshoz nincs szükségünk néhány tíz centiméteres pontosságra, hanem egyre nagyobb pontosságra van szükség például a navigációban, a térképészetben, a mezőgazdaságban a szántóföldek megfigyeléséhez, a szállító cégeknél a járművek nyomon követéséhez és a sok más terület. Ezért nem meglepő, hogy a GPS rendszer folyamatosan változik, zajlik a műholdak optimalizálása.
Használata során a rendszer változáson ment keresztül, jelenleg is modernizálódik, időről időre nagyobb képességű műholdak kerülnek be a hálózatba, a régebben használt műholdak pedig idővel megsemmisülnek. Legtöbbjük kiég a légkörben, és néha a törmelék a Csendes-óceánba süllyed.
A GPS rendszer teljes készenlétét 1993-ban érték el, amikor a szükséges számú műholdat pályára állították. De még 1983-ban Ronald Reagan kormánya jóváhagyta a rendszer polgári felhasználásának engedélyezését. Ez azután történt, hogy a Szovjetunió lelőtt egy koreai polgári repülőgépet, amely tévedésből megsértette a szovjet légteret. Kezdetben azonban a rendszer pontossága a polgári lakosság számára 100 méterre korlátozódott. De akkor még ez is elég volt a további katasztrófák elkerüléséhez.
A GPS rendszer űrből történő működését ezen kívül a WAAS (Wide Area Augmentation System) műholdak is támogatják, amely biztosítja a szükséges adatkorrekciót a rendszer pontosságának növeléséhez. Észak-Amerikában (és részben Dél-Amerikában) találhatók, és az FAA (Federal Aviation Administration) felügyelete alatt állnak. A WAAS célja a polgári műholdas navigációs alkalmazások támogatása.
Orosz GLONASS
A GLONASS a Global Navigation Satellite System (Global Navigation Satellite System) rövidítése, amely az amerikai GPS-hez hasonlóan működik. A GLONASS 24 aktív műholdból áll, amelyek körülbelül 19 100 kilométeres magasságban helyezkednek el a Föld felett, és a műhold keringése 11 óra 15 percet vesz igénybe. A rendszer tesztelése 1982-ben kezdődött, vagyis még a Szovjetunióban. Valójában az amerikai fejleményekre adott válaszként hozták létre, hazánkban ismertebb nevén "Star Wars". A Szovjetunió semmiben sem akart engedni az USA-nak, de a "peresztrojka, glasznoszty, gyorsulás" tette a dolgát. A munkálatokat többnyire pénzhiány miatt lefaragták. Bár, mint később kiderült, nem volt minden lezárva. Valóban meglepetés volt az amerikaiak számára, amikor 1993-ban hivatalosan is bejelentették, hogy a GLONASS rendszer üzemkész. 1995-ben az oroszoknak 24 műholdból álló teljes konstellációt sikerült pályára állítaniuk.
De kezdettől fogva nem volt minden olyan jó. A kilencvenes évek Jelcin-korszaka az űrprogramokat is érintette. Nem volt finanszírozás, senkit nem érdekelt az űr és a műholdas navigáció. Ennek eredményeként 2002-ben még csak 7 műhold működött. Az oroszok azonban munkához láttak, és a 2002-2011-es helyreállítási program részeként üzembe helyezték a továbbfejlesztett GLONASS-K műholdakat, valamint a hozzájuk tartozó modern földi irányítórendszereket.
A modernizáció következő szakaszában, 2012-2020-ban a fő figyelem a PNT tulajdonságainak (helymeghatározás, navigáció és szinkronizálás) javítására irányult az állam biztonságának, valamint védelmi és polgári rendszereinek képességeinek növelése érdekében. Jelenleg a műholdak következő generációján, a GLONASS-K2 néven folynak a munkálatok.
kínai BeiDou
Kína a 2000. század végén kezdte meg a műholdas navigációs rendszer fejlesztését. 1-ben sikerült lezárniuk a BDS-1 fejlesztésének első szakaszát, amely ismertebb nevén a BeiDou-2 navigációs műholdrendszer. A projekt részeként Kínát és a legközelebbi külföldi országokat helymeghatározó rendszerekkel látták el. A következő lépés a BDS-2020 volt egy műholdas hálózattal, amely az ázsiai-csendes-óceáni térségben biztosított lefedettséget. 3-ban a BDS-XNUMX projekt részeként világszerte működőképessé vált a BeiDou rendszer.
Jelenleg 35 műhold kering pályán, és összesen már 59 indítást hajtott végre a program olyan hasznos teherrel, amely a BeiDou rendszer következő generációit állította pályára. A kínai hatóságok szerint több mint 400 ügynökség és 300 000 tudós és technikus vett részt a BDS-3 program létrehozásában. A legújabb műholdak konstellációjának támogatására több mint 40 földi állomást hoztak létre a rendszer megfelelő működésének figyelésére. A rendszer globális elérhetősége 99%-ra becsülhető, a kulcsfontosságú ázsiai-csendes-óceáni térségben pedig még magasabb, vagyis ott szinte tökéletesen működik. Ezenkívül a kínaiak sok erőfeszítést tettek a rendszer pontosságának javítására.
A BeiDou lehetővé teszi akár 14 000 bites (1000 kínai karakter) rövid szöveges üzenetek küldését is. Ez az érték fényképeket vagy hangfelvételeket is tartalmazhat.
A műholdas navigációs rendszerek más fejlesztéseihez hasonlóan a helyi felhasználók fizetnek a szolgáltatásért, de az eredmények valóban lenyűgözőek.
Olvassa el még: Kína is szívesen fedezi fel az űrt. Szóval hogy állnak?
Európai Galileo
Mi a Galileo rendszer legnagyobb előnye? Ellentétben a GPS-szel és a GLONASS-szal, polgári kézben marad, és nem tartozik egyetlen kormányhoz sem, mint a kommunista Kínában. A rendszer csak a polgári piacot szem előtt tartva épült, ezért végső soron a lakosság igényei befolyásolják a fejlődését. El kell ismerni, hogy a Galileo egy leheletnyi friss levegő a militarizált helymeghatározó rendszerek között. A Galileo program eddig 28 indítást ért el és 30 műholdat állított pályára. Jelenleg a rendszer a műholdak teljes konstellációját használja, de nem mindig érhető el minden eszköz, és néhányuk még a raktárakban várja a sorát.
A földi kiszolgálási szegmens két központban található: Oberpfaffenhofen Németországban és Fucino Olaszországban. Ezenkívül a rendszer magában foglalja a megfigyelő érzékelők, mérő- és adatátviteli állomások világméretű hálózatát.
Tekintettel arra, hogy ezeknek a rendszereknek a pályája egyre telítettebbé válik, a Galileo műholdak valamivel magasabban, 23 222 kilométeres magasságban helyezkednek el (a legalacsonyabb a GLONASS, majd a GPS, a kínai BeiDou és a Galileo piramis tetején) ). Körülbelül 14 óra kell ahhoz, hogy minden műhold teljesen megkerülje a Földet. A legtöbb helyen a Földön mindig 6-8 Galileo műhold áll rendelkezésre, ami nagyon nagy pontosságot jelent, amelyet a legtöbb esetben centiméterben, nem pedig méterben mérnek.
A Galileo kompatibilis a GPS rendszerrel, ami tovább javítja a mérések pontosságát, valamint működését támogatja a földi komponensekből és műholdakból álló EGNOS rendszer (European Geostationary Navigation Service) is, amely a műholdas navigációs rendszerek működésének és pontosságának javításáért felelős. .
japán MICHIBIKI (Michibiki)
Annak érdekében, hogy saját területén biztosítsa a navigáció pontosságát, Japán létrehozta a Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) vagy Michibiki nevű kis műholdak konstellációját. Hegyvidéki vagy erősen urbanizált területeken a GPS önmagában gyakran nem elegendő a túl sok akadály miatt. 4 2018 novembere óta működő műhold kiküszöböli ezt a problémát. Közülük három még mindig Ázsia és Óceánia régiójában található. 2024-ben a tervek szerint egy 7 egységből álló műhold-konstellációt érnek el. Ez tovább javítja a rendszer általános hatékonyságát, és függetlenné teszi a GPS-től. Így Japán teljes autonómiát biztosít a területén.
A többi rendszerhez képest kis mérete ellenére a QZSS megfelel a japán lakosság minden elvárásának, emellett támogatja a hajózást minden olyan országban, amely a Japán területén áthaladó meridiánokon található.
Ezen kívül Japánnak van egy GPS/Michibiki precíziós támogató rendszere is, az úgynevezett MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS). 2 műholdból áll, amelyek többek között időjárási adatokat szolgáltatnak.
A NavIC (navigáció indiai konstellációval) a GPS indiai analógja, amelyet Indian Regional Navigation Satellite Systemnek (IRNSS) is neveznek. A rendszer, miután elérte minden képességét, működésében hasonló lesz a japánhoz. Jelenleg 7 műhold kering a pályán, amelyek helymeghatározást biztosítanak Indiában és akár 1500 kilométeres távolságban az ország határaitól. A rendszer nem függ a GPS-től.
A NavIC-t a GAGAN (Geosynchronous Augmented Navigation System with GPS) támogatja, amely három további műholdból és földi infrastruktúrából áll. Az üzembe helyezéssel áthidalták az EGNOS és MSAS rendszerek közötti szakadékot, ami tovább növelte a polgári repülés biztonságának szintjét.
Globális segélyrendszerek
Az egyes rendszerek ismertetése során megemlítettük a regionális támogatási rendszereket is. A műholdas navigáció regionális határokon túli működése azonban a globális segítségnyújtási rendszereket is támogathatja. Jelenleg ezek közül kettőt lehet megkülönböztetni. Ezek az Omnistar és a StarFire. Mindkettő támogatja a műholdas navigációt, amelyet leginkább a modern precíziós gazdálkodás igényeire használnak. Használatuk speciális vevőkészülékeket igényel, amelyeknek köszönhetően a gazdálkodó a szántóin keresztül haladva akár 5-10 centiméteres pontossággal is tud dolgozni (a rekordtartó rendszerek 1-2 centiméteres pontosságot adnak). Az ilyen pontos helymeghatározás szolgáltatásként történik, és a rendszeradatok kézbesítéséért közvetlenül fizetendő további díjak szükségesek.
A szolgáltatás a differenciális globális helymeghatározó rendszeren (DGPS) alapul, és egy meghatározott helyen elhelyezett alapvevő használatára terjed ki. Az autóban lévő vevő a műholdjelen kívül a helyhez kötött alapvevőtől is kap korrekciókat.
Az Omnistar független cég, és távadói különféle gépekhez megvásárolhatók, míg a StarFire rendszer a mezőgazdasági gépeket gyártó John Deere-től származik, amely ±3 cm-es pontosságú, GPS-szel és GLONASS-szal működő beépített vagy külső rendszereket kínál.
Hogyan működik a GPS?
Ebben a részben az eredeti, vagyis az amerikai változatot használva ismertetjük a GPS működését, mert jelenleg erről rendelkezünk a legtöbb adattal. Mások is hasonlóan működnek.
GPS műholdak konstellációja
Meglehetősen sűrű műholdak hálózata szükséges a megfelelő működéshez világszerte. Egy 24 műholdból álló konstelláció esetén biztosak lehetünk abban, hogy a Föld bármely időpontjában és bármely pontján négy hatótávolságon belül vagyunk. Az amerikaiak általában azt ígérték, hogy az esetek 24%-ában legalább 95 elérhető lesz. Jelenleg a rendszert 31 műhold támogatja. A Föld 6 egyenlő zónára van osztva, amelyeken a műholdak áthaladnak, és mindegyiknek 4 mezője van.
2011 júniusában felbocsátották az Expendable 24 nevű módosítást.A 24 műhold közül hármat, így az általuk irányított mezőket egy további műhold is felerősítette a gyorsabb jelfelvétel és jobb pontosság érdekében nehéz terepviszonyok között. Néhány változtatás is történt annak érdekében, hogy a 27 műholdból álló teljes hálózat a lehető leghatékonyabb legyen.
A GPS-műholdak egy kiszámítható MEO (Mean Earth Orbit) pályán mozognak körülbelül 20 200 km-es magasságban, így Ön mindig tudja, hol vannak. Ezenkívül rádióteleszkópokkal ellenőrzik helyzetüket. A földi irányító hálózat egy fő irányító központból, egy tartalék irányító központból, 11 vezérlő és vezérlő antennából és 16 megfigyelő állomásból áll, így a műholdak helyzete mindig ismert. Minden műhold egy-egy Föld körüli forgása 12 órát vesz igénybe.
Hogyan működik mindez a gyakorlatban?
Egy keringő műhold folyamatosan sugározza a rádiójeleket, amelyeket a megfelelő vevőkkel rendelkező berendezésünk vesz fel. Minden műhold jelenti a helyzetét és az adás idejét. Tudva továbbá, hogy milyen gyorsan terjednek a rádióhullámok, kiszámíthatjuk a távolságot ettől a műholdtól. Ha további három műholdról kapunk további adatokat, és egyszerre négyről töltünk le adatokat, akkor a készülék az összes műholdról érkező adatok metszéspontjában számítja ki a helyzetünket.
Ahhoz, hogy a dolgok zökkenőmentesen és pontosan működjenek, továbbra is pontos mérésekre van szükségünk a jel küldésének idejéről. Hogyan sikerült ezt elérni? Mindegyik műholdon van egy atomóra – ez az ember által valaha feltalált legpontosabb kronométer. Milyen pontosságú egy ilyen óra? Az időt a másodperc milliomodrészével mérik!
A fogadó készülék mindezeket az adatokat felhasználja helyzetünk hatékony kiszámításához. De az egész rendszernek olyan kérdéseket is figyelembe kell vennie, mint a speciális relativitáselmélet, amelyet egy Albert Einsteinként ismert úriember írt. Minél távolabb van az objektum a gravitációs forrástól, annál gyorsabban telik el rajta az idő, ezért minden műholdon újra kell számolni. Röviden, ez az egész elég bonyolult, de szerencsére már évek óta használjuk ezt a rendszert, és azt találtuk, hogy működik, és elég jól működik.
Természetesen a rendszer normál működéséhez magasan kvalifikált személyzet részvétele szükséges, akiknek a képzettsége az Űrrepülési Irányító Központokéhoz hasonlítható.
GPS: milliárdos programköltség
Föld körüli pályára állítása után a műhold nem fog ott örökké működni. A régebbi verziók életciklusa 7,5 év, az újabb verzióké 12 év, a legújabb GPS III/IIIF rendszer pedig várhatóan 15 évig marad pályán (a rendszer amerikai verziójának adatai). Ennyi idő után a készüléket ki kell cserélni, tehát steril körülmények között új mintát kell építeni, és csak ezután kerülhet ez a műalkotás pályára.
Az űrben lévő berendezéseken kívül a földi felügyeleti berendezések és a rendszer irányításáért felelős, magasan képzett személyzet is található. A földi komponens fejlesztésére irányuló munka is folyamatban van, most a fő hangsúly az új, következő generációs Operational Control System (OCX) és a kapcsolódó alrendszerekre irányul. A változtatásokat fokozatosan vezetik be, hogy ne zavarják a teljes GPS-rendszer működését.
Körülbelül 1,7 milliárd dollárt (2020-as pénzügyi év) költenek a teljes rendszer támogatására. A 2021-es pénzügyi évre a fejlesztők 1,8 milliárd dollárt kértek az Egyesült Államok Kongresszusától a GPS-rendszer fenntartási költségeire. Ezért ilyen összegek mellett csak a legnagyobb országok engedhetik meg maguknak az autonóm rendszer fenntartását, a többieknek pedig a meglévőket kell használniuk. A program költségnövekedésének bemutatására csak annyit mondunk, hogy 2012-ben 750 millió dollár volt (itt nem vesszük figyelembe az inflációt, a számítási módszertant és annak mértékét).
Könnyű blokkolni a GPS-t?
A fegyveres erők GPS-rendszerének aranykorai lassan feledésbe merülnek. Egyre gyakoribb a műholdjelek csillapítása és zavarása, ennek következtében a kizárólag űradatokon alapuló precíziós fegyverzet már nem olyan hatékony, mint korábban. A probléma nemcsak magukat a fegyvereket érinti, hanem a repülőgépeket, hajókat, szárazföldi járműveket és minden más olyan eszközt is, amely GPS-vevővel van felszerelve.
Nemegyszer láttunk már példát a GPS-jel blokkolására a Föld "forró" pontjain. Előfordult, hogy a kikötőben vagy például a Fekete-tengeren vitorlázó hatalmas hajók hirtelen eltűntek a térképekről, és 30 kilométerre megjelentek rajtuk, és ez összefügg az oroszok akcióival ebben a régióban. A témát folytatva el kell mondani, hogy Szíriában gyakran tartanak hasonló intézkedéseket a térségben lévő orosz bázisok működésének biztosítására. Még Izrael is megszenvedi ezt a fajta interferenciát, ahol a GPS néha rosszabbul működik, és ez komoly probléma, például a polgári légi közlekedésben.
A GPS-jel zavarása nem különösebben nehéz. A védett cél közelében elhelyezett megfelelő teljesítményű és frekvenciájú rádióadó megakadályozza, hogy a GPS-vevők a megfelelő adatokat fogadják. Ez ellen a műholdgyártók egyre zavaróbb jelek fejlesztésével próbálnak küzdeni, amelyek a berendezés legújabb verzióival vannak felszerelve. Ez azonban macska-egér játék, és az előny a pusztítók oldalán van. Alacsonyabb költségekkel és nagyobb képességekkel gyorsabban tudnak reagálni a változásokra. Hiszen a műholdak nem változnak egy hét alatt.
Az alattomos célok mellett GPS-blokkoló módszerekkel is védik az államfőket. Nem meglepő, hogy az oroszok különösen kedvelik az ilyen eszközöket. Ez különösen igaz Putyin mozgására, amelyet annyira igyekeznek eltitkolni, hogy abban a régióban, amelyben tartózkodik, előfordulhat, hogy egy bizonyos ideig egyáltalán nem működik minden navigációs rendszer. Az oroszok lehetőség szerint védik elnökük utazási útvonalát, így a navigációs rendszerek blokkolásával igyekeznek legalább részben kizárni a dróntámadást.
A fent említett problémák és hiányosságok ellenére sem számíthatunk arra, hogy a hadsereg feladja a GPS-rendszert. Éppen ellenkezőleg, a zavaró rendszerek elleni küzdelem fokozódik, és további rendszerekkel egészülnek ki a felszerelések és fegyverek között, amelyek megakadályozzák a GPS-jel zavarását.
Az inerciális navigáció folyamatosan javulni fog, és a precíziós fegyvereknél mindig lesz tartalékban egy másik, ugyanolyan hatékony célzási módszer. Jelenleg intenzív munka folyik az ilyen megoldásokon. Szóba kerül a kép-navigáció, az űrhajózás (visszamegy az időben?) és a mágneses anomália-navigáció. Magas technológia! Ezért még sok érdekesség vár ránk.
Műholdas navigáció polgári célokra
De az átlagfelhasználót nem nagyon érdekli, hogy mi van ott a hadseregben. Szeretnénk, ha a GPS segítene pontosan meghatározni a helyzetünket navigátor helyesen megtervezi a hegyi túrázás vagy a reggeli futás vagy autós kirándulás útvonalát. Ma már nehéz elképzelni egy modern ember életét e kényelem nélkül.
Elvileg azt mondhatjuk, hogy ha nem is közvetlenül használjuk a GPS-t, vagyis nem kapcsoljuk be magunk a vevőt, akkor is használhatjuk. A rendszer önállóan működik, életünk megszokott, kényelmes és szükséges részévé vált.
Olvassa el még:
