Hva er GPS? Hvorfor trenger vi det? Hva er forskjellen mellom ulike navigasjonssystemer? Vi vil snakke om alt i denne artikkelen.
Foreløpig virker GPS for oss å være en hverdagslig, kjent ting som alle har hørt om og de fleste av dem bruker i hverdagen. Dette er et av verktøyene vi bruker i enhetene våre. Samtidig tenker vi ikke engang på hvordan det fungerer, hvor det kom fra, hvor mye tid, krefter og penger som måtte investeres i å lage dette systemet. I dag har GPS-signalmottakere ikke bare navigatører, telefoner, smarttelefoner, nettbrett, biler, men til og med treningsarmbånd og "smarte" klokker, dataene deres brukes i industri, amatør- og profesjonell sport, rally og racing, og selvfølgelig i militærindustrien. La oss se nærmere på de forskjellige navigasjonssystemene.
Hva er satellittnavigasjon?
Satellittnavigasjon, eller Global Navigation Satellite System, er et system av satellitter som overfører data om global posisjonering og nøyaktig tid. Radiobølger med visse frekvenser brukes til å overføre informasjon. Etter å ha mottatt slike data, beregner mottakeren dem og viser koordinatene til vår plassering, det vil si lengdegrad, breddegrad og høyde over havet.
I tillegg til basissystemer (GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo), finnes det også hjelpesystemer i verdensrommet. Dette er såkalte satellittkorreksjonssystemer (SBAS), som Global Omnistar og StarFire, som brukes i landbruket.
Over oss er også regionale støttesystemer som WAAS i USA, EGNOS i EU, MSAC i Japan og GAGAN i India, som tar seg av dataforedling i mindre områder av kloden. Alt dette støttes av jordkomponenter, som vi vil snakke om senere. Det er mange definisjoner i systemet, men vi vil ikke gå i detaljer.
Les også: De viktigste og mest interessante romoppdragene i 2021
Typer satellittnavigasjon
GPS er ikke det eneste tilgjengelige satellittnavigasjonssystemet. Flere typer satellitter flyr over hodene våre, ansvarlige for geoposisjonering av enheter som vi har i lommen, bærer på håndleddet eller bruker i navigatorer. Hvorfor er det flere systemer og ikke ett? Jeg er sikker på at dette spørsmålet ble stilt av de fleste gjennomsnittlige brukere. Faktum er at GPS-systemet i utgangspunktet ble opprettet for militære behov, og militæret har fortsatt kontroll over det. Dette betyr at de kontrollerer posisjoneringen til alle og overalt i verden. Selvfølgelig likte mange ikke denne posisjonen, ikke bare motstandere, men til og med venner. Derfor bestemte seriøse verdensspillere seg for å utvikle navigasjonssystemene sine slik at hæren deres ville ha kontroll over dem. Snart dukket GPS-analoger opp i verden, og konkurrerte med hverandre om tittelen som den beste og mest nøyaktige på markedet. For oss vanlige brukere er dette kun en fordel. Så la oss prøve å håndtere hvert system separat.
Amerikansk GPS
Dette er det første navigasjonssystemet vi bruker oftest. Når vi tenker på satellittnavigasjon, bruker vi vanligvis begrepet GPS. Det amerikanske systemet ble opprinnelig kalt NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System, eller NAVSTAR-GPS for kort.
GPS er i hendene på det amerikanske militæret, eller rettere sagt den amerikanske romstyrken. Alle enheter kontrolleres for riktig drift av Space Delta 8, som er basert på Shriver Air Force Base nær Colorado Springs og opererer som en del av GPS-hovedkvarteret.
Sivile applikasjoner er kun et mindre tillegg til militære applikasjoner, der layout og høyeste posisjoneringsnøyaktighet er en prioritet. Sivile brukere får en noe avkortet versjon, men den er fortsatt god nok. Vi trenger ikke en nøyaktighet på noen titalls centimeter for å kjøre bil eller løpe, men det trengs stadig større nøyaktighet, for eksempel i navigasjon, i kartografi, i landbruket for å overvåke åkre, i transportselskaper for å spore kjøretøy og i mange andre områder. Derfor er det ikke overraskende at GPS-systemet er i stadig endring, optimalisering av satellitter finner sted.
Under bruken har systemet gjennomgått endringer og er fortsatt under modernisering, fra tid til annen introduseres satellitter med større kapasiteter i nettverket, og de gamle som ble brukt tidligere blir ødelagt over tid. De fleste brenner opp i atmosfæren, og noen ganger synker søppelet i Stillehavet.
Den fulle beredskapen til GPS-systemet ble oppnådd i 1993, da det nødvendige antallet satellitter ble satt i bane. Men tilbake i 1983 godkjente Ronald Reagans administrasjon en tillatelse for sivil bruk av systemet. Dette skjedde etter at USSR skjøt ned et koreansk sivilt fly som ved en feiltakelse krenket sovjetisk luftrom. Imidlertid var nøyaktigheten til systemet for sivilbefolkningen i utgangspunktet begrenset til 100 meter. Men selv dette var nok på den tiden for å unngå ytterligere katastrofer.
Driften av GPS-systemet fra verdensrommet støttes i tillegg av WAAS (Wide Area Augmentation System)-satellitter, som gir den nødvendige datakorrigeringen for å øke nøyaktigheten til systemet. De er lokalisert i Nord-Amerika (og delvis i Sør-Amerika) og er under omsorg av FAA (Federal Aviation Administration). WAAS er ment å støtte sivile satellittnavigasjonsapplikasjoner.
russiske GLONASS
GLONASS er en forkortelse for Global Navigation Satellite System, som fungerer på samme måte som den amerikanske GPS. GLONASS består av 24 aktive satellitter plassert omtrent 19 100 kilometer over jorden, og satellittens bane tar 11 timer og 15 minutter. Testing av systemet begynte i 1982, det vil si tilbake i USSR. Den ble virkelig skapt som et svar på amerikansk utvikling, bedre kjent i vårt land som "Star Wars". Sovjetunionen ville ikke gi etter for USA i noe, men «Perestroika, glasnost, akselerasjon» gjorde jobben sin. Arbeidene ble stort sett innskrenket på grunn av mangel på midler. Selv om, som det viste seg senere, ikke alt var stengt. Det var virkelig en overraskelse for amerikanerne da det i 1993 ble offisielt annonsert at GLONASS-systemet var klart for drift. I 1995 klarte russerne å sette en hel konstellasjon på 24 satellitter i bane.
Men alt var ikke så bra fra begynnelsen. Jeltsin-tiden på nittitallet påvirket også romfartsprogrammer. Det var ingen finansiering, ingen var interessert i verdensrommet og satellittnavigasjon. Som et resultat var det i 2002 bare 7 satellitter som fortsatt var i drift. Russerne gikk imidlertid i gang og, som en del av utvinningsprogrammet for 2002-2011, satte de i drift de forbedrede GLONASS-K-satellittene, samt de tilhørende moderne bakkekontrollsystemene.
På neste stadium av moderniseringen, i 2012-2020, ble hovedoppmerksomheten rettet mot å forbedre egenskapene til PNT (posisjonering, navigasjon og synkronisering) for å øke sikkerheten til staten og evnene til dens forsvar og sivile systemer. Arbeidet pågår for tiden med neste generasjon satellitter, kjent som GLONASS-K2.
Kinesisk BeiDou
Kina begynte å utvikle et satellittnavigasjonssystem på slutten av 2000-tallet. I 1 klarte de å stenge den første utviklingsfasen av BDS-1, som er bedre kjent som navigasjonssatellittsystemet BeiDou-2. Som en del av dette prosjektet ble Kina og de nærmeste utlandet utstyrt med posisjoneringssystemer. Neste trinn var BDS-2020 med et satellittnettverk som gir dekning i Asia-Stillehavsregionen. I 3, som en del av BDS-XNUMX-prosjektet, ble BeiDou-systemet operativt over hele verden.
Foreløpig er det 35 satellitter i bane, og totalt har programmet allerede gjennomført 59 oppskytinger med nyttelast som setter de neste generasjonene av BeiDou-systemet i bane. Ifølge kinesiske myndigheter deltok mer enn 400 byråer og 300 000 forskere og teknikere i opprettelsen av BDS-3-programmet. For å støtte den siste konstellasjonen av satellitter er det opprettet mer enn 40 bakkestasjoner for å overvåke korrekt drift av systemet. Global tilgjengelighet av systemet er estimert til 99%, og for nøkkelområdet Asia-Stillehavsregionen er det enda høyere, det vil si at det fungerer nesten perfekt der. Kineserne gjorde også mye arbeid for å forbedre nøyaktigheten til systemet.
BeiDou tillater også korte tekstmeldinger på opptil 14 000 biter (1000 kinesiske tegn). Denne verdien kan også inkludere fotografier eller lydopptak.
Som med annen utvikling innen satellittnavigasjonssystemer, betaler lokale brukere for tjenesten, men resultatene er virkelig imponerende.
Les også: Kina er også ivrige etter å utforske verdensrommet. Så hvordan har de det?
Europeisk Galileo
Hva er den største fordelen med Galileo-systemet? I motsetning til GPS og GLONASS forblir den i sivile hender og tilhører ikke noen spesiell regjering, slik tilfellet er i det kommunistiske Kina. Systemet ble bygget kun med det sivile markedet i tankene, og derfor påvirker befolkningens behov til syvende og sist utviklingen. Galileo er riktignok et friskt pust blant militariserte posisjoneringssystemer. Så langt har Galileo-programmet fullført 28 oppskytinger og satt 30 satellitter i bane. For øyeblikket bruker systemet en full konstellasjon av satellitter, men ikke alle enheter er alltid tilgjengelige, og noen av dem venter fortsatt på sin tur i varehusene.
Bakkehåndteringssegmentet er lokalisert i to sentre - Oberpfaffenhofen i Tyskland og Fucino i Italia. I tillegg inkluderer systemet et verdensomspennende nettverk av overvåkingssensorer, måle- og dataoverføringsstasjoner.
På grunn av det faktum at banene til alle disse systemene blir stadig mer mettede, er Galileo-satellittene plassert litt høyere, i en høyde av 23 222 kilometer (den laveste er GLONASS, deretter GPS, Kinas BeiDou og på toppen av Galileo-pyramiden ). Det tar omtrent 14 timer for hver satellitt å gå helt i bane rundt jorden. For de fleste steder på jorden er 6 til 8 Galileo-satellitter tilgjengelig til enhver tid, noe som betyr en meget høy nøyaktighet, som i de fleste situasjoner måles i centimeter i stedet for meter.
Galileo er kompatibel med GPS-systemet, som ytterligere forbedrer nøyaktigheten av målinger, og driften støttes også av EGNOS-systemet (European Geostationary Navigation Service), som består av bakkekomponenter og satellitter som er ansvarlige for å forbedre driften og nøyaktigheten til satellittnavigasjonssystemer .
Japansk MICHIBIKI (Michhibiki)
For å sikre nøyaktigheten av navigasjonen på sitt eget territorium, opprettet Japan en liten konstellasjon av satellitter kalt Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) eller Michibiki. I fjellrike eller sterkt urbaniserte områder er GPS alene ofte utilstrekkelig på grunn av for mange hindringer. 4 satellitter i drift siden november 2018 eliminerer dette problemet. Tre av dem er fortsatt i Asia og Oceania-regionen. I 2024 er det planlagt å nå en satellittkonstellasjon bestående av 7 enheter. Dette vil ytterligere forbedre den generelle effektiviteten til systemet og gjøre det uavhengig av GPS. Dermed vil Japan sikre full autonomi på sitt territorium.
Til tross for sin lille størrelse sammenlignet med andre systemer, oppfyller QZSS alle forventningene til den japanske befolkningen, og støtter i tillegg skipsfart i alle de landene som ligger på meridianene som passerer gjennom Japans territorium.
I tillegg har Japan også et GPS/Michibiki presisjonsstøttesystem kalt MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS). Den består av 2 satellitter, som blant annet gir værdata.
NavIC (NAVigation with Indian Constellation) er den indiske analogen til GPS, som også kalles Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS). Systemet, etter å ha nådd alle sine evner, vil være likt det japanske. For tiden er det 7 satellitter i bane som gir posisjonering i India og i en avstand på opptil 1500 kilometer fra landets grenser. Systemet er ikke avhengig av GPS.
NavIC støttes av GAGAN (Geosynchronous Augmented Navigation System with GPS), som består av tre ekstra satellitter og bakkeinfrastruktur. Med introduksjonen i bruk har gapet mellom EGNOS- og MSAS-systemene blitt bygd bro, noe som ytterligere forbedrer nivået på sivil luftfartssikkerhet.
Globale hjelpesystemer
Mens vi beskrev individuelle systemer, nevnte vi også regionale støttesystemer. Driften av satellittnavigasjon utover regionale grenser kan imidlertid også støtte globale assistansesystemer. Foreløpig kan to av dem skilles fra hverandre. Disse er Omnistar og StarFire. Begge har støtte for satellittnavigasjon, som mest brukes til behovene til moderne presisjonslandbruk. Bruken deres krever spesielle mottakere, takket være hvilke bonden, som beveger seg gjennom feltene sine, kan jobbe med en nøyaktighet på opptil 5-10 centimeter (rekordstøttesystemer gir en nøyaktighet på 1-2 centimeter). Slik presis posisjonering tilbys som en tjeneste og krever ekstra avgifter som betales direkte for levering av systemdata.
Tjenesten er basert på Differential Global Positioning System (DGPS) og koker ned til bruk av en basemottaker som er plassert på et spesifisert sted. Mottakeren på bilen mottar i tillegg til satellittsignalet også korrigeringer fra den stasjonære basemottakeren.
Omnistar er et uavhengig selskap og dets sendere kan kjøpes til en rekke maskiner, mens StarFire-systemet er fra landbruksutstyrsprodusenten John Deere, som tilbyr innebygde eller eksterne systemer som er nøyaktige til ±3 cm og fungerer med GPS og GLONASS.
Hvordan fungerer GPS?
I denne delen vil vi beskrive bruken av GPS ved å bruke originalen, det vil si den amerikanske versjonen, fordi vi for øyeblikket har de mest tilgjengelige dataene på den. Andre jobber på samme måte.
Konstellasjon av GPS-satellitter
Et ganske tett nettverk av satellitter er nødvendig for riktig drift rundt om i verden. Når det gjelder en konstellasjon med 24 satellitter, kan vi være sikre på at vi når som helst og når som helst på jorden er innenfor rekkevidde til fire av dem. Amerikanerne lovet generelt at minst 24 ville være tilgjengelige 95 % av tiden. For øyeblikket støttes systemet av 31 satellitter. Jorden er delt inn i 6 like soner som satellittene beveger seg gjennom, og hver av dem har 4 felt å dekke.
I juni 2011 ble det lansert en modifikasjon kalt Expendable 24. Tre av de 24 satellittene, og dermed feltene de kontrollerer, ble forsterket av en ekstra satellitt for å oppnå raskere signalinnsamling og bedre nøyaktighet under vanskelige terrengforhold. Det er også gjort noen endringer for å gjøre hele nettverket av 27 satellitter så effektivt som mulig.
GPS-satellitter beveger seg i en forutsigbar MEO-bane (Mean Earth Orbit) i en høyde på omtrent 20 200 km, slik at du alltid vet hvor de er. I tillegg sjekkes deres posisjon ved hjelp av radioteleskoper. Bakkekontrollnettverket består av et hovedkontrollsenter, et reservekontrollsenter, 11 kommando- og kontrollantenner og 16 observasjonsstasjoner, slik at posisjonen til satellittene alltid er kjent. En rotasjon av hver satellitt rundt jorden tar 12 timer.
Hvordan fungerer det hele i praksis?
En satellitt som går i bane sender hele tiden radiosignaler som fanges opp av utstyret vårt som har de riktige mottakerne. Hver satellitt rapporterer sin posisjon og sendetid. Når vi i tillegg vet hvor raskt radiobølger beveger seg, kan vi beregne avstanden fra denne satellitten. Hvis vi mottar ytterligere data fra tre satellitter til og laster ned data fra fire samtidig, vil enheten beregne plasseringen vår i skjæringspunktet mellom data som kommer fra alle satellitter.
For å få ting til å fungere jevnt og nøyaktig, trenger vi fortsatt nøyaktige målinger av tiden signalet sendes. Hvordan ble dette oppnådd? Hver av satellittene har en atomklokke - det mest nøyaktige kronometeret som noen gang er oppfunnet av mennesker. Hva er nøyaktigheten til en slik klokke? Tiden måles til nærmeste milliondels sekund!
Mottaksenheten bruker alle disse dataene for å effektivt beregne vår posisjon. Men hele systemet må også ta hensyn til slike spørsmål som den spesielle relativitetsteorien, som ble skrevet av en gentleman viden kjent som Albert Einstein. Jo lenger objektet er fra tyngdekraftskilden, desto raskere går tiden på den, så det er nødvendig å beregne på nytt på hver satellitt. Kort sagt, det hele er ganske komplisert, men heldigvis har vi brukt dette systemet i mange år nå, og vi har funnet ut at det fungerer, og det fungerer ganske bra.
Selvfølgelig krever den normale driften av systemet deltakelse av høyt kvalifisert personell, hvis treningsnivå kan sammenlignes med romflykontrollsentrene.
GPS: milliarder i programkostnader
Etter oppskyting i bane vil ikke satellitten fungere der for alltid. Eldre versjoner har en livssyklus på 7,5 år, nyere versjoner 12 år, og det siste GPS III/IIIF-systemet forventes å forbli i bane i 15 år (data for den amerikanske versjonen av systemet). Etter denne tiden må apparatet skiftes ut, så en ny prøve må bygges under sterile forhold, og først da kan dette kunstverket gå i bane.
I tillegg til utstyr i rommet er det også overvåkingsutstyr på bakken og høyt utdannet personell som er ansvarlig for å kontrollere systemet. Arbeidet med å forbedre bakkekomponenten pågår også, med stort fokus nå på den nye neste generasjons operasjonelle kontrollsystem (OCX) og tilhørende undersystemer. Endringer innføres gradvis, for ikke å forstyrre driften av hele GPS-systemet.
Rundt 1,7 milliarder dollar (regnskapsåret 2020) brukes på å støtte hele systemet. For regnskapsåret 2021 ba utviklerne den amerikanske kongressen om 1,8 milliarder dollar for kostnadene ved vedlikehold av GPS-systemet. Derfor, gitt slike summer, er det bare de største landene som har råd til å opprettholde et autonomt system, og resten må bruke de eksisterende. For å vise hvordan kostnadene for programmet vokser, kan vi bare si at i 2012 var det 750 millioner dollar (vi tar ikke engang hensyn til inflasjon, beregningsmetodikken og nivået her).
Er det lett å blokkere GPS?
De gyldne dagene til GPS-systemet i forsvaret blir sakte glemt. Demping og jamming av satellittsignaler blir mer og mer vanlig, og som et resultat er presisjonsvåpen basert utelukkende på romdata ikke lenger like effektivt som det en gang var. Problemet påvirker ikke bare selve våpnene, men også fly, skip, landkjøretøyer og enhver annen enhet som er utstyrt med en GPS-mottaker.
Vi har sett mer enn en gang eksempler på blokkering av GPS-signalet i "hot spots" på jorden. Det skjedde at enorme skip i havnen eller seilende, for eksempel i Svartehavet, plutselig forsvant fra kartene og dukket opp på dem 30 kilometer unna, og dette er forbundet med russernes handlinger i denne regionen. For å fortsette dette emnet skal det sies at lignende tiltak ofte holdes i Syria for å sikre driften av russiske baser i regionen. Selv Israel lider av denne typen forstyrrelser, der GPS-en noen ganger fungerer dårligere, og dette er et alvorlig problem, for eksempel for sivil flytrafikk.
Det er ikke spesielt vanskelig å forstyrre et GPS-signal. En radiosender med riktig effekt og frekvens plassert nær et beskyttet mål hindrer GPS-mottakere i å motta riktige data. Satellittprodusenter prøver å bekjempe dette ved å utvikle stadig mer interferensbestandige signaler, som er utstyrt med de nyeste versjonene av utstyret. Dette er imidlertid et spill med katt og mus, og fordelen er på ødeleggernes side. De kan reagere raskere på endringer med lavere kostnader og større muligheter. Tross alt endres ikke satellitter på en uke.
I tillegg til lumske formål, brukes også GPS-blokkeringsmetoder for å beskytte statsoverhoder. Det er ikke overraskende at russerne er spesielt glad i slike verktøy. Dette gjelder spesielt Putins bevegelser, som de prøver så hardt å skjule at i regionen hvor han befinner seg, kan det hende at alle navigasjonssystemer ikke fungerer i det hele tatt i en viss tid. Russerne beskytter presidentens reiserute så mye som mulig, så ved å blokkere navigasjonssystemer prøver de, i det minste delvis, å utelukke et droneangrep.
Til tross for de ovennevnte problemene og manglene, bør vi ikke forvente at militæret forlater GPS-systemet. Tvert imot vil kampen mot jamming-systemer intensiveres, og tilleggssystemer legges til utstyr og våpen som skal hindre jamming av GPS-signalet.
Treghetsnavigasjonen vil fortsette å bli bedre, og presisjonsvåpen vil alltid ha en annen, like effektiv siktemetode i reserve. For tiden jobbes det intensivt med slike løsninger. Det er snakk om bildenavigasjon, astronavigasjon (gå tilbake i tid?) og magnetisk anomalinavigasjon. Høy teknologi! Derfor har vi fortsatt mange interessante ting som venter på oss.
Satellittnavigasjon for sivile formål
Men den gjennomsnittlige brukeren er lite interessert i hva militæret har der. Vi vil at GPS skal hjelpe oss med å finne posisjonen vår slik at navigator riktig lagt opp ruten for fotturer i fjellet eller en morgentur eller under en biltur. Nå er det vanskelig å forestille seg livet til en moderne person uten disse fasilitetene.
I prinsippet kan vi si at selv om vi ikke bruker GPS direkte, det vil si at vi ikke slår på mottakeren selv, kan vi fortsatt bruke den. Systemet fungerer uavhengig, det har blitt en kjent, praktisk og nødvendig del av livet vårt.
Les også: