Kaj je GPS? Zakaj ga potrebujemo? Kakšna je razlika med različnimi navigacijskimi sistemi? O vsem bomo govorili v tem članku.
Trenutno se nam GPS zdi vsakdanja, poznana stvar, za katero so že vsi slišali in jo večina uporablja v vsakdanjem življenju. To je eno od orodij, ki jih uporabljamo v naših napravah. Ob tem sploh ne pomislimo, kako deluje, od kod prihaja, koliko časa, truda in denarja je bilo treba vložiti v ustvarjanje tega sistema. Danes sprejemniki signala GPS nimajo samo navigatorji, telefoni, pametni telefoni, tablice, avtomobili, pa tudi fitnes zapestnice in »pametne« ure, njihovi podatki se uporabljajo v industriji, amaterskem in profesionalnem športu, reliju in dirkah ter seveda v vojaški industriji. Oglejmo si podrobneje različne navigacijske sisteme.
Kaj je satelitska navigacija?
Satelitska navigacija ali globalni satelitski navigacijski sistem je sistem satelitov, ki oddaja podatke o globalnem položaju in natančnem času. Za prenos informacij se uporabljajo radijski valovi določenih frekvenc. Po prejemu teh podatkov jih sprejemnik izračuna in prikaže koordinate naše lokacije, to je zemljepisno dolžino, širino in nadmorsko višino.
Poleg osnovnih sistemov (GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo) obstajajo tudi pomožni sistemi v vesolju. Gre za tako imenovane satelitske korekcijske sisteme (SBAS), kot sta Global Omnistar in StarFire, ki se uporabljajo v kmetijstvu.
Nad nami so tudi regionalni podporni sistemi, kot so WAAS v ZDA, EGNOS v EU, MSAC na Japonskem in GAGAN v Indiji, ki skrbijo za izpopolnjevanje podatkov na manjših območjih sveta. Vse to podpirajo zemeljske komponente, o katerih bomo govorili kasneje. V sistemu je veliko definicij, vendar se ne bomo spuščali v podrobnosti.
Preberite tudi: Najpomembnejše in najbolj zanimive vesoljske misije v letu 2021
Vrste satelitske navigacije
GPS ni edini trenutno razpoložljivi satelitski navigacijski sistem. Nad našimi glavami leti več vrst satelitov, ki so odgovorni za geografsko pozicioniranje naprav, ki jih imamo v žepu, nosimo na zapestju ali uporabljamo v navigatorjih. Zakaj obstaja več sistemov in ne en sam? Prepričan sem, da si je to vprašanje zastavila večina povprečnih uporabnikov. Dejstvo je, da je bil sistem GPS sprva ustvarjen za vojaške potrebe in vojska ga še vedno nadzoruje. To pomeni, da nadzorujejo pozicioniranje vseh in povsod po svetu. Seveda ta položaj mnogim ni bil všeč, ne le nasprotniki, ampak celo prijatelji. Zato so se resni svetovni igralci odločili razviti svoje navigacijske sisteme, da bi njihova vojska imela nadzor nad njimi. Kmalu so se v svetu pojavili analogi GPS, ki so med seboj tekmovali za naziv najboljšega in najnatančnejšega na trgu. Za nas, navadne uporabnike, je to le prednost. Poskusimo torej obravnavati vsak sistem posebej.
Ameriški GPS
To je prvi navigacijski sistem, ki ga najpogosteje uporabljamo. Ko pomislimo na satelitsko navigacijo, običajno uporabimo izraz GPS. Ameriški sistem se je prvotno imenoval NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System ali na kratko NAVSTAR-GPS.
GPS je v rokah ameriške vojske oziroma ameriških vesoljskih sil. Vesolje Delta 8, ki ima sedež v letalski bazi Shriver blizu Colorado Springsa in deluje kot del sedeža GPS, preverja pravilno delovanje vseh naprav.
Civilne aplikacije so le manjši dodatek k vojaškim aplikacijam, pri katerih sta postavitev in najvišja natančnost pozicioniranja prednostni. Civilni uporabniki dobijo nekoliko okrnjeno različico, a je še vedno dovolj dobra. Natančnosti nekaj deset centimetrov ne potrebujemo za vožnjo avtomobila ali tek, vedno večjo natančnost pa potrebujemo na primer v navigaciji, kartografiji, v kmetijstvu za spremljanje polj, v transportnih podjetjih za sledenje vozil in v številna druga področja. Zato ne preseneča, da se sistem GPS nenehno spreminja, poteka optimizacija satelitov.
Med uporabo se je sistem spreminjal in se še posodablja, občasno se v omrežje uvedejo sateliti z večjimi zmogljivostmi, stari, ki so bili prej v uporabi, pa se sčasoma uničijo. Večina jih zgori v ozračju, včasih pa ostanki potonejo v Tihi ocean.
Popolna pripravljenost sistema GPS je bila dosežena leta 1993, ko je bilo v orbito postavljeno potrebno število satelitov. Toda leta 1983 je administracija Ronalda Reagana odobrila dovoljenje za civilno uporabo sistema. To se je zgodilo po tem, ko je ZSSR sestrelila korejsko civilno letalo, ki je pomotoma kršilo sovjetski zračni prostor. Vendar je bila sprva natančnost sistema za civilno prebivalstvo omejena na 100 metrov. Toda tudi to je bilo takrat dovolj, da bi se izognili nadaljnjim katastrofam.
Delovanje sistema GPS iz vesolja je dodatno podprto s sateliti WAAS (Wide Area Augmentation System), ki zagotavljajo potrebno korekcijo podatkov za večjo natančnost sistema. Nahajajo se v Severni Ameriki (in deloma v Južni Ameriki) in so pod oskrbo FAA (Federal Aviation Administration). WAAS je namenjen podpori civilnih satelitskih navigacijskih aplikacij.
ruski GLONASS
GLONASS je okrajšava za Global Navigation Satellite System, ki deluje podobno kot ameriški GPS. GLONASS sestavlja 24 aktivnih satelitov, ki se nahajajo približno 19 kilometrov nad zemljo, orbita satelita pa traja 100 ur in 11 minut. Testiranje sistema se je začelo leta 15, torej nazaj v ZSSR. Res je nastala kot odgovor na ameriško dogajanje, pri nas bolj znano kot "Vojna zvezd". Sovjetska zveza ni hotela v ničemer popuščati ZDA, a "perestrojka, glasnost, pospešek" so naredile svoje. Dela so bila večinoma okrnjena zaradi pomanjkanja sredstev. Čeprav, kot se je kasneje izkazalo, ni bilo vse zaprto. Za Američane je bilo res presenečenje, ko je bilo leta 1982 uradno objavljeno, da je sistem GLONASS pripravljen za delovanje. Leta 1993 je Rusom uspelo v orbito spraviti celo konstelacijo 1995 satelitov.
A vse od začetka ni bilo tako dobro. Jelcinovo obdobje devetdesetih je vplivalo tudi na vesoljske programe. Financiranja ni bilo, vesolje in satelitska navigacija nista zanimala nikogar. Posledično je leta 2002 delovalo le še 7 satelitov. Vendar so se Rusi lotili posla in v okviru obnovitvenega programa 2002–2011 dali v uporabo izboljšane satelite GLONASS-K ter pripadajoče sodobne sisteme zemeljskega nadzora.
Na naslednji stopnji modernizacije, v letih 2012–2020, je bila glavna pozornost namenjena izboljšanju lastnosti PNT (pozicioniranje, navigacija in sinhronizacija) z namenom povečanja varnosti države ter zmogljivosti njenih obrambnih in civilnih sistemov. Trenutno poteka delo na naslednji generaciji satelitov, znanih kot GLONASS-K2.
kitajski BeiDou
Kitajska je konec 2000. stoletja začela razvijati satelitski navigacijski sistem. Leta 1 jim je uspelo zaključiti prvo fazo razvoja BDS-1, ki je bolj znan kot navigacijski satelitski sistem BeiDou-2. V okviru tega projekta so Kitajska in najbližje tuje države dobile sisteme za določanje položaja. Naslednji korak je bil BDS-2020 s satelitskim omrežjem, ki zagotavlja pokritost v azijsko-pacifiški regiji. Leta 3 je v okviru projekta BDS-XNUMX sistem BeiDou začel delovati po vsem svetu.
Trenutno je v orbiti 35 satelitov, skupno pa je program izvedel že 59 izstrelitev s tovorom, ki v orbito postavi naslednje generacije sistema BeiDou. Po podatkih kitajskih oblasti je pri ustvarjanju programa BDS-400 sodelovalo več kot 300 agencij in 000 znanstvenikov in tehnikov. Za podporo najnovejše konstelacije satelitov je bilo ustvarjenih več kot 3 zemeljskih postaj za spremljanje pravilnega delovanja sistema. Globalna razpoložljivost sistema je ocenjena na 40 %, za ključno azijsko-pacifiško regijo pa je še višja, torej deluje skoraj brezhibno. Prav tako so Kitajci vložili veliko truda v izboljšanje natančnosti sistema.
BeiDou omogoča tudi kratka besedilna sporočila do 14 bitov (000 kitajskih znakov). Ta vrednost lahko vključuje tudi fotografije ali zvočne posnetke.
Tako kot pri drugih novostih v satelitskih navigacijskih sistemih lokalni uporabniki storitev plačajo, vendar so rezultati resnično impresivni.
Preberite tudi: Kitajska je tudi vneta raziskovanja vesolja. Torej, kako jim gre?
Evropski Galileo
Kaj je največja prednost sistema Galileo? Za razliko od GPS in GLONASS ostaja v civilnih rokah in ne pripada nobeni določeni vladi, kot je to v primeru komunistične Kitajske. Sistem je bil zgrajen zgolj z mislijo na civilni trg, zato potrebe prebivalstva na koncu vplivajo na njegov razvoj. Priznati je treba, da je Galileo svež veter med militariziranimi sistemi za določanje položaja. Program Galileo je doslej izvedel 28 izstrelitev in v orbito poslal 30 satelitov. Trenutno sistem uporablja celotno konstelacijo satelitov, vendar vse naprave niso vedno na voljo, nekatere pa še vedno čakajo na vrsto v skladiščih.
Segment zemeljske oskrbe se nahaja v dveh centrih – Oberpfaffenhofen v Nemčiji in Fucino v Italiji. Poleg tega sistem vključuje svetovno mrežo nadzornih senzorjev, merilnih postaj in postaj za prenos podatkov.
Ker so orbite vseh teh sistemov vedno bolj nasičene, se sateliti Galileo nahajajo nekoliko višje, na višini 23 kilometrov (najnižja je GLONASS, nato GPS, kitajski BeiDou in na vrhu Galilejeve piramide ). Vsak satelit potrebuje približno 222 ur, da popolnoma obkroži Zemljo. Za večino krajev na zemlji je ves čas na voljo od 14 do 6 satelitov Galileo, kar pomeni zelo visoko natančnost, ki se v večini primerov meri v centimetrih in ne v metrih.
Galileo je združljiv s sistemom GPS, kar dodatno izboljša natančnost meritev, njegovo delovanje pa podpira tudi sistem EGNOS (European Geostationary Navigation Service), sestavljen iz zemeljskih komponent in satelitov, odgovornih za izboljšanje delovanja in natančnosti satelitskih navigacijskih sistemov .
Japonski MICHIBIKI (Michibiki)
Da bi zagotovila točnost navigacije na lastnem ozemlju, je Japonska ustvarila majhno konstelacijo satelitov, imenovano Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) ali Michibiki. V gorskih ali močno urbaniziranih območjih samo GPS pogosto ne zadošča zaradi preveč ovir. 4 sateliti, ki delujejo od novembra 2018, odpravljajo to težavo. Trije izmed njih so še vedno v regiji Azije in Oceanije. Leta 2024 je načrtovano doseči satelitsko konstelacijo, sestavljeno iz 7 enot. To bo dodatno izboljšalo splošno učinkovitost sistema in ga naredilo neodvisnega od GPS. Tako bo Japonska zagotovila popolno avtonomijo na svojem ozemlju.
QZSS kljub svoji majhnosti v primerjavi z drugimi sistemi izpolnjuje vsa pričakovanja japonskega prebivalstva, poleg tega pa podpira ladijski promet v vseh tistih državah, ki se nahajajo na meridianih, ki potekajo čez ozemlje Japonske.
Poleg tega ima Japonska tudi GPS/Michibiki sistem za natančno podporo, imenovan MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS). Sestavljata ga 2 satelita, ki med drugim posredujeta vremenske podatke.
NavIC (NANavigation with Indian Constellation) je indijski analog GPS-a, ki se imenuje tudi indijski regionalni navigacijski satelitski sistem (IRNSS). Sistem bo po dosegu vseh svojih zmogljivosti po delovanju podoben japonskemu. Trenutno je v orbiti 7 satelitov, ki zagotavljajo pozicioniranje v Indiji in na razdalji do 1500 kilometrov od meja države. Sistem ni odvisen od GPS-a.
NavIC podpira GAGAN (Geosynchronous Augmented Navigation System with GPS), ki je sestavljen iz treh dodatnih satelitov in zemeljske infrastrukture. Z uvedbo v uporabo je bila vrzel med sistemoma EGNOS in MSAS premoščena, kar je dodatno povečalo raven varnosti v civilnem letalstvu.
Globalni sistemi pomoči
Pri opisovanju posameznih sistemov smo omenili tudi regionalne podporne sisteme. Vendar pa lahko delovanje satelitske navigacije zunaj regionalnih meja podpira tudi globalne asistenčne sisteme. Trenutno je med njimi mogoče ločiti dva. To sta Omnistar in StarFire. Oba imata podporo za satelitsko navigacijo, ki se večinoma uporablja za potrebe sodobnega preciznega kmetijstva. Njihova uporaba zahteva posebne sprejemnike, zahvaljujoč katerim lahko kmet, ki se giblje po svojih poljih, dela z natančnostjo do 5-10 centimetrov (podporni sistemi zapisov dajejo natančnost 1-2 centimetra). Tako natančno določanje položaja je na voljo kot storitev in zahteva dodatne stroške, plačane neposredno za dostavo sistemskih podatkov.
Storitev temelji na diferencialnem globalnem sistemu za določanje položaja (DGPS) in je omejena na uporabo baznega sprejemnika, ki se nahaja na določeni lokaciji. Sprejemnik na avtomobilu poleg satelitskega signala sprejema tudi popravke s stacionarnega baznega sprejemnika.
Omnistar je neodvisno podjetje in njegove oddajnike je mogoče kupiti za različne stroje, medtem ko je sistem StarFire proizvajalca kmetijske opreme John Deere, ki ponuja vgrajene ali zunanje sisteme, ki so natančni do ±3 cm in delujejo z GPS in GLONASS.
Kako deluje GPS?
V tem poglavju bomo opisali delovanje GPS-a z originalno, torej ameriško različico, saj imamo o njej trenutno največ podatkov. Drugi delujejo podobno.
Konstelacija GPS satelitov
Za pravilno delovanje po vsem svetu je potrebna dokaj gosta mreža satelitov. V primeru konstelacije 24 satelitov smo lahko prepričani, da smo kadarkoli in na kateri koli točki na Zemlji v dosegu štirih izmed njih. Američani so na splošno obljubljali, da bo vsaj 24 na voljo 95% časa. Trenutno sistem podpira 31 satelitov. Zemlja je razdeljena na 6 enakih območij, po katerih se premikajo sateliti, in vsaka od njih ima 4 polja, ki jih pokriva.
Junija 2011 je bila lansirana modifikacija, imenovana Expendable 24. Trije od 24 satelitov in s tem polja, ki jih nadzorujejo, so bili okrepljeni z dodatnim satelitom, da bi dosegli hitrejši zajem signala in večjo natančnost v težkih terenskih razmerah. Da bi bila celotna mreža 27 satelitov čim bolj učinkovita, je prišlo tudi do nekaterih sprememb.
Sateliti GPS se gibljejo po predvidljivi orbiti MEO (Mean Earth Orbit) na višini približno 20 km, tako da vedno veste, kje so. Poleg tega se njihov položaj preverja z radijskimi teleskopi. Mrežo zemeljskega nadzora sestavljajo glavni nadzorni center, rezervni nadzorni center, 200 komandno-nadzornih anten in 11 opazovalnih postaj, tako da je položaj satelitov vedno znan. Ena rotacija vsakega satelita okoli Zemlje traja 16 ur.
Kako vse skupaj poteka v praksi?
Satelit v orbiti neprestano oddaja radijske signale, ki jih zajame naša oprema z ustreznimi sprejemniki. Vsak satelit poroča o svojem položaju in času prenosa. Če dodatno vemo, kako hitro potujejo radijski valovi, lahko izračunamo razdaljo od tega satelita. Če prejmemo dodatne podatke še s treh satelitov in prenesemo podatke s štirih naenkrat, bo naprava našo lokacijo izračunala na presečišču podatkov, ki prihajajo z vseh satelitov.
Da bi stvari delovale gladko in natančno, še vedno potrebujemo natančne meritve časa, ko je signal poslan. Kako je bilo to doseženo? Vsak od satelitov nosi atomsko uro - najnatančnejši kronometer, kar jih je človek kdaj izumil. Kakšna je natančnost takšne ure? Čas se meri na najbližjo milijoninko sekunde!
Sprejemna naprava uporablja vse te podatke za učinkovit izračun našega položaja. Toda celoten sistem mora upoštevati tudi vprašanja, kot je posebna teorija relativnosti, ki jo je napisal gospod, splošno znan kot Albert Einstein. Dlje kot je predmet od vira gravitacije, hitreje teče čas na njem, zato je treba preračunati na vsakem satelitu. Skratka, vse skupaj je precej zapleteno, a na srečo ta sistem uporabljamo že leta in smo ugotovili, da deluje, in to kar dobro.
Seveda je za normalno delovanje sistema potrebno sodelovanje visoko usposobljenega osebja, ki se lahko po stopnji usposobljenosti primerja s Centri za vodenje vesoljskih poletov.
GPS: milijardni stroški programa
Po izstrelitvi v orbito satelit tam ne bo deloval večno. Starejše različice imajo življenjski cikel 7,5 let, novejše različice 12 let, najnovejši sistem GPS III/IIIF pa naj bi ostal v orbiti 15 let (podatki za ameriško različico sistema). Po tem času je treba aparaturo zamenjati, torej v sterilnih pogojih zgraditi nov vzorec in šele nato lahko ta umetnina odleti v orbito.
Poleg opreme v vesolju je na voljo tudi nadzorna oprema na terenu in visoko usposobljeno osebje, odgovorno za nadzor sistema. Delo za izboljšanje zemeljske komponente prav tako poteka, pri čemer je glavni poudarek zdaj na novem sistemu operativnega nadzora naslednje generacije (OCX) in povezanih podsistemih. Spremembe uvajamo postopoma, da ne moti delovanja celotnega GPS sistema.
Približno 1,7 milijarde USD (fiskalno leto 2020) je porabljenih za podporo celotnemu sistemu. Za proračunsko leto 2021 so razvijalci od ameriškega kongresa zahtevali 1,8 milijarde dolarjev za stroške vzdrževanja sistema GPS. Zato si ob takšnih vsotah samo največje države lahko privoščijo vzdrževanje avtonomnega sistema, ostale pa morajo uporabljati obstoječe. Za prikaz, kako rastejo stroški programa, lahko povemo le, da so leta 2012 znašali 750 milijonov dolarjev (inflacije, metodologije izračuna in njene višine tu niti ne upoštevamo).
Ali je enostavno blokirati GPS?
Zlati časi sistema GPS v oboroženih silah gredo počasi v pozabo. Slabljenje in motenje satelitskih signalov postaja vse pogostejše, posledično pa natančno orožje, ki temelji zgolj na vesoljskih podatkih, ni več tako učinkovito, kot je bilo nekoč. Težava ne vpliva le na samo orožje, ampak tudi na letala, ladje, kopenska vozila in vse druge naprave, ki so opremljene s sprejemnikom GPS.
Več kot enkrat smo videli primere blokiranja signala GPS na "vročih" točkah na Zemlji. Zgodilo se je, da so ogromne ladje v pristanišču ali na primer v Črnem morju nenadoma izginile z zemljevidov in se na njih pojavile 30 kilometrov stran, kar je povezano z dejanji Rusov v tej regiji. V nadaljevanju te teme je treba povedati, da se podobni ukrepi pogosto izvajajo v Siriji, da se zagotovi delovanje ruskih baz v regiji. Tudi Izrael trpi zaradi tovrstnih motenj, kjer GPS včasih slabše deluje, kar je resen problem, na primer za civilni letalski promet.
Motenje signala GPS ni posebej težavno. Radijski oddajnik ustrezne moči in frekvence, nameščen v bližini varovane tarče, onemogoča GPS sprejemnikom sprejem pravilnih podatkov. Proizvajalci satelitov se skušajo temu boriti z razvojem vedno bolj odpornih signalov na motnje, ki so opremljeni z najnovejšimi različicami opreme. Vendar je to igra mačke z mišjo in prednost je na strani uničevalcev. Na spremembe se lahko odzovejo hitreje z nižjimi stroški in večjimi zmogljivostmi. Navsezadnje se sateliti ne spremenijo v enem tednu.
Poleg zahrbtnih namenov se metode blokiranja GPS uporabljajo tudi za zaščito voditeljev držav. Ni presenetljivo, da so Rusi še posebej radi takšnih orodij. To še posebej velja za Putinovo gibanje, ki ga tako zelo poskušajo prikriti, da v regiji, kjer se nahaja, morda določen čas sploh ne bodo delovali vsi navigacijski sistemi. Rusi maksimalno varujejo pot potovanja svojega predsednika, zato skušajo z blokado navigacijskih sistemov vsaj delno izključiti napad drona.
Kljub zgoraj omenjenim težavam in pomanjkljivostim ne smemo pričakovati, da bo vojska opustila sistem GPS. Nasprotno, okrepili bodo boj proti motilnim sistemom, opremi in oborožitvi bodo dodali dodatne sisteme, ki bodo preprečevali motenje signala GPS.
Inercialna navigacija se bo še izboljševala, natančno orožje pa bo vedno imelo v rezervi drugo, enako učinkovito metodo ciljanja. Trenutno poteka intenzivno delo na tovrstnih rešitvah. Govori se o slikovni navigaciji, astronavtaciji (vrnitev v preteklost?) in navigaciji po magnetnih anomalijah. Visoka tehnologija! Čaka nas torej še marsikaj zanimivega.
Satelitska navigacija za civilne namene
Toda povprečnega uporabnika ne zanima preveč, kaj ima tam vojska. Želimo, da nam GPS pomaga določiti našo lokacijo, tako da navigator pravilno zastavljena pot pohodništva v gore ali jutranjega teka ali med potovanjem z avtomobilom. Zdaj si je težko predstavljati življenje sodobnega človeka brez teh dobrin.
Načeloma lahko rečemo, da tudi če GPS ne uporabljamo neposredno, torej sprejemnika ne vklopimo sami, ga še vedno lahko uporabljamo. Sistem deluje samostojno, postal je znan, priročen in nujen del našega življenja.
Preberite tudi: