Vad är GPS? Varför behöver vi det? Vad är skillnaden mellan olika navigationssystem? Vi kommer att prata om allt i den här artikeln.
För närvarande verkar GPS vara en vardaglig, bekant sak som alla har hört talas om och de flesta av dem använder i sin vardag. Detta är ett av verktygen vi använder i våra enheter. Samtidigt tänker vi inte ens på hur det fungerar, var det kom ifrån, hur mycket tid, kraft och pengar som behövdes investeras i att skapa detta system. Idag har GPS-signalmottagare inte bara navigatorer, telefoner, smartphones, surfplattor, bilar, men även fitnessarmband och "smarta" klockor, deras data används inom industri, amatör- och professionella sporter, rally och racing, och naturligtvis i militärindustrin. Låt oss ta en närmare titt på de olika navigationssystemen.
Vad är satellitnavigering?
Satellitnavigering, eller Global Navigation Satellite System, är ett system av satelliter som sänder data om global positionering och exakt tid. Radiovågor av vissa frekvenser används för att överföra information. Efter att ha tagit emot sådana data, beräknar mottagaren dem och visar koordinaterna för vår plats, det vill säga longitud, latitud och höjd över havet.
Förutom bassystem (GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo) finns det även hjälpsystem i rymden. Det är så kallade satellitkorrigeringssystem (SBAS), som Global Omnistar och StarFire, som används inom jordbruket.
Ovanför oss finns också regionala stödsystem som WAAS i USA, EGNOS i EU, MSAC i Japan och GAGAN i Indien, som tar hand om dataförfining i mindre delar av världen. Allt detta stöds av jordkomponenter, som vi kommer att prata om senare. Det finns många definitioner i systemet, men vi går inte in på detaljer.
Läs också: De viktigaste och mest intressanta rymduppdragen 2021
Typer av satellitnavigering
GPS är inte det enda tillgängliga satellitnavigeringssystemet för närvarande. Flera typer av satelliter flyger över våra huvuden och ansvarar för geopositionering av enheter som vi har i fickan, bär på handleden eller använder i navigatorer. Varför finns det flera system och inte ett? Jag är säker på att den här frågan ställdes av de flesta av de genomsnittliga användarna. Faktum är att GPS-systemet ursprungligen skapades för militära behov, och militären har fortfarande kontroll över det. Det betyder att de kontrollerar placeringen av alla och överallt i världen. Naturligtvis gillade många inte denna position, inte bara motståndare, utan även vänner. Därför beslutade seriösa världsspelare att utveckla sina navigationssystem så att deras armé skulle ha kontroll över dem. Snart dök GPS-analoger upp i världen, som konkurrerade med varandra om titeln som den bästa och mest exakta på marknaden. För oss vanliga användare är detta bara en fördel. Så låt oss försöka hantera varje system separat.
Amerikansk GPS
Detta är det första navigationssystemet som vi använder oftast. När vi tänker på satellitnavigering använder vi vanligtvis termen GPS. Det amerikanska systemet kallades ursprungligen NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System, eller förkortat NAVSTAR-GPS.
GPS är i händerna på den amerikanska militären, eller snarare den amerikanska rymdstyrkan. Alla enheter kontrolleras för korrekt funktion av Space Delta 8, som är baserad på Shriver Air Force Base nära Colorado Springs och fungerar som en del av GPS-högkvarteret.
Civila applikationer är bara ett mindre tillägg till militära applikationer, för vilka layout och högsta positioneringsnoggrannhet är en prioritet. Civila användare får en något trunkerad version, men den är fortfarande tillräckligt bra. Vi behöver inte en noggrannhet på några tiotals centimeter för att köra bil eller springa, men det behövs allt större noggrannhet, till exempel inom navigering, i kartografi, inom jordbruket för att övervaka åkrar, i transportföretag för att spåra fordon och i många andra områden. Därför är det inte förvånande att GPS-systemet ständigt förändras, optimering av satelliter sker.
Under användningen har systemet genomgått förändringar och moderniseras fortfarande, då och då introduceras satelliter med större kapacitet i nätet, och de gamla som användes tidigare förstörs med tiden. De flesta av dem brinner upp i atmosfären, och ibland sjunker skräpet i Stilla havet.
GPS-systemets fulla beredskap uppnåddes 1993, när det erforderliga antalet satelliter sattes i omloppsbana. Men redan 1983 godkände Ronald Reagans administration ett tillstånd för civil användning av systemet. Detta hände efter att Sovjetunionen sköt ner ett civilt koreanskt plan som av misstag kränkte sovjetiskt luftrum. Men initialt var systemets noggrannhet för civilbefolkningen begränsad till 100 meter. Men även detta räckte vid den tiden för att undvika ytterligare katastrofer.
Driften av GPS-systemet från rymden stöds dessutom av WAAS-satelliter (Wide Area Augmentation System), som ger den nödvändiga datakorrigeringen för att öka systemets noggrannhet. De finns i Nordamerika (och delvis i Sydamerika) och är under överinseende av FAA (Federal Aviation Administration). WAAS är avsett att stödja civila satellitnavigeringsapplikationer.
Ryska GLONASS
GLONASS är en förkortning för Global Navigation Satellite System, som fungerar på samma sätt som den amerikanska GPS:en. GLONASS består av 24 aktiva satelliter placerade cirka 19 100 kilometer över jorden, och satellitens omloppsbana tar 11 timmar och 15 minuter. Testning av systemet började 1982, det vill säga tillbaka i Sovjetunionen. Den skapades verkligen som ett svar på den amerikanska utvecklingen, mer känd i vårt land som "Star Wars". Sovjetunionen ville inte ge efter för USA i någonting, men "Perestrojka, glasnost, acceleration" gjorde sitt jobb. Arbetena inskränktes mestadels på grund av brist på medel. Även om, som det visade sig senare, inte allt var stängt. Det var verkligen en överraskning för amerikanerna när det 1993 officiellt tillkännagavs att GLONASS-systemet var klart för drift. 1995 lyckades ryssarna sätta en hel konstellation av 24 satelliter i omloppsbana.
Men allt var inte så bra från början. Jeltsin-eran på 2002-talet påverkade också rymdprogrammen. Det fanns ingen finansiering, ingen var intresserad av rymd- och satellitnavigering. Som ett resultat var 7 endast 2002 satelliter fortfarande i drift. Men ryssarna kom igång och tog, som en del av återhämtningsprogrammet 2011-XNUMX, i drift de förbättrade GLONASS-K-satelliterna, liksom de tillhörande moderna markkontrollsystemen.
I nästa steg av moderniseringen, 2012-2020, ägnades den största uppmärksamheten åt att förbättra egenskaperna hos PNT (positionering, navigering och synkronisering) för att öka statens säkerhet och kapaciteten hos dess försvar och civila system. Arbete pågår för närvarande med nästa generations satelliter, känd som GLONASS-K2.
Kinesiska BeiDou
Kina började utveckla ett satellitnavigeringssystem i slutet av 2000-talet. År 1 lyckades de stänga det första steget i utvecklingen av BDS-1, som är mer känt som navigationssatellitsystemet BeiDou-2. Som en del av detta projekt försågs Kina och de närmaste främmande länderna med positioneringssystem. Nästa steg var BDS-2020 med ett satellitnätverk som ger täckning i Asien-Stillahavsområdet. 3, som en del av BDS-XNUMX-projektet, började BeiDou-systemet vara i drift över hela världen.
För närvarande finns det 35 satelliter i omloppsbana, och totalt har programmet redan genomfört 59 uppskjutningar med nyttolaster som sätter nästa generationer av BeiDou-systemet i omloppsbana. Enligt kinesiska myndigheter deltog mer än 400 byråer och 300 000 vetenskapsmän och tekniker i skapandet av BDS-3-programmet. För att stödja den senaste konstellationen av satelliter har mer än 40 markstationer skapats för att övervaka systemets korrekta funktion. Den globala tillgängligheten för systemet uppskattas till 99 %, och för nyckelregionen Asien-Stillahavsområdet är den ännu högre, det vill säga det fungerar nästan perfekt där. Kineserna gjorde också en hel del ansträngningar för att förbättra systemets noggrannhet.
BeiDou tillåter också korta textmeddelanden på upp till 14 000 bitar (1000 XNUMX kinesiska tecken). Detta värde kan även inkludera fotografier eller ljudinspelningar.
Som med annan utveckling inom satellitnavigeringssystem betalar lokala användare för tjänsten, men resultaten är verkligen imponerande.
Läs också: Kina är också ivrigt att utforska rymden. Så hur mår de?
Europeiska Galileo
Vilken är den största fördelen med Galileo-systemet? Till skillnad från GPS och GLONASS förblir den i civila händer och tillhör inte någon särskild regering, vilket är fallet i det kommunistiska Kina. Systemet byggdes endast med den civila marknaden i åtanke, och därför påverkar befolkningens behov i slutändan dess utveckling. Visserligen är Galileo en frisk fläkt bland militariserade positioneringssystem. Hittills har Galileo-programmet genomfört 28 uppskjutningar och satt 30 satelliter i omloppsbana. För närvarande använder systemet en fullständig konstellation av satelliter, men alla enheter är inte alltid tillgängliga, och några av dem väntar fortfarande på sin tur i lager.
Markhanteringssegmentet finns i två centra - Oberpfaffenhofen i Tyskland och Fucino i Italien. Dessutom inkluderar systemet ett världsomspännande nätverk av övervakningssensorer, mät- och dataöverföringsstationer.
På grund av det faktum att banorna för alla dessa system blir allt mer mättade, är Galileo-satelliterna placerade lite högre, på en höjd av 23 222 kilometer (den lägsta är GLONASS, sedan GPS, Kinas BeiDou och på toppen av Galileo-pyramiden ). Det tar ungefär 14 timmar för varje satellit att helt kretsa runt jorden. För de flesta platser på jorden finns 6 till 8 Galileo-satelliter tillgängliga hela tiden, vilket innebär en mycket hög noggrannhet, som i de flesta situationer mäts i centimeter snarare än meter.
Galileo är kompatibel med GPS-systemet, vilket ytterligare förbättrar mätnoggrannheten, och dess funktion stöds också av EGNOS-systemet (European Geostationary Navigation Service), som består av markkomponenter och satelliter som ansvarar för att förbättra driften och noggrannheten hos satellitnavigeringssystem .
Japansk MICHIBIKI (Michhibiki)
För att säkerställa noggrannheten i navigeringen på sitt eget territorium skapade Japan en liten konstellation av satelliter som kallas Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) eller Michibiki. I bergiga eller tungt urbaniserade områden är GPS ofta otillräckligt på grund av för många hinder. 4 satelliter i drift sedan november 2018 eliminerar detta problem. Tre av dem är fortfarande i Asien och Oceanien. År 2024 är det planerat att nå en satellitkonstellation bestående av 7 enheter. Detta kommer att ytterligare förbättra systemets totala effektivitet och göra det oberoende av GPS. Därmed kommer Japan att säkerställa full autonomi på sitt territorium.
Trots sin ringa storlek jämfört med andra system, uppfyller QZSS alla förväntningar från den japanska befolkningen och stöder dessutom sjöfart i alla de länder som ligger på meridianerna som passerar genom Japans territorium.
Dessutom har Japan också ett GPS/Michibiki-precisionsstödsystem som kallas MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS). Den består av 2 satelliter, som bland annat ger väderdata.
NavIC (NAVigation with Indian Constellation) är den indiska analogen av GPS, som också kallas Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS). Systemet kommer, efter att ha uppnått alla dess kapacitet, att likna det japanska i sin funktion. För närvarande finns det 7 satelliter i omloppsbana som ger positionering i Indien och på ett avstånd av upp till 1500 XNUMX kilometer från landets gränser. Systemet är inte beroende av GPS.
NavIC stöds av GAGAN (Geosynchronous Augmented Navigation System with GPS), som består av ytterligare tre satelliter och markinfrastruktur. Med introduktionen i drift har klyftan mellan EGNOS- och MSAS-systemen överbryggats, vilket ytterligare höjt nivån på civil luftfartssäkerhet.
Globala biståndssystem
Samtidigt som vi beskrev enskilda system, nämnde vi också regionala stödsystem. Driften av satellitnavigering utanför regionala gränser kan dock också stödja globala assistanssystem. För närvarande kan två av dem urskiljas. Dessa är Omnistar och StarFire. Båda har stöd för satellitnavigering, som mest används för behoven av modern precisionsjordbruk. Deras användning kräver speciella mottagare, tack vare vilka bonden, som rör sig genom sina fält, kan arbeta med en noggrannhet på upp till 5-10 centimeter (rekordstödsystem ger en noggrannhet på 1-2 centimeter). Sådan exakt positionering tillhandahålls som en tjänst och kräver extra avgifter som betalas direkt för leverans av systemdata.
Tjänsten är baserad på Differential Global Positioning System (DGPS) och kokar ner till användningen av en basmottagare som är placerad på en angiven plats. Mottagaren på bilen tar förutom satellitsignalen även emot korrigeringar från den stationära basmottagaren.
Omnistar är ett oberoende företag och dess sändare kan köpas till en mängd olika maskiner, medan StarFire-systemet är från jordbruksutrustningstillverkaren John Deere, som erbjuder inbyggda eller externa system som är exakta till ±3 cm och fungerar med GPS och GLONASS.
Hur fungerar GPS?
I det här avsnittet kommer vi att beskriva GPS-funktionen med originalet, det vill säga den amerikanska versionen, eftersom vi för närvarande har den mest tillgängliga informationen om den. Andra fungerar på liknande sätt.
Konstellation av GPS-satelliter
Ett ganska tätt nätverk av satelliter är nödvändigt för korrekt drift runt om i världen. När det gäller en konstellation med 24 satelliter kan vi vara säkra på att vi när som helst och när som helst på jorden är inom räckhåll för fyra av dem. Amerikanerna lovade i allmänhet att minst 24 skulle vara tillgängliga 95 % av tiden. För närvarande stöds systemet av 31 satelliter. Jorden är uppdelad i 6 lika stora zoner som satelliterna rör sig genom, och var och en av dem har 4 fält att täcka.
I juni 2011 lanserades en modifiering kallad Expendable 24. Tre av de 24 satelliterna, och därmed fälten de kontrollerar, förstärktes av ytterligare en satellit för att få snabbare signalinsamling och bättre noggrannhet i svåra terrängförhållanden. Det har också skett en del förändringar för att göra hela nätverket med 27 satelliter så effektivt som möjligt.
GPS-satelliter rör sig i en förutsägbar MEO-bana (Mean Earth Orbit) på en höjd av cirka 20 200 km, så att du alltid vet var de är. Dessutom kontrolleras deras position med hjälp av radioteleskop. Markkontrollnätverket består av en huvudkontrollcentral, en reservkontrollcentral, 11 kommando- och kontrollantenner och 16 observationsstationer, så satelliternas position är alltid känd. En rotation av varje satellit runt jorden tar 12 timmar.
Hur fungerar det hela i praktiken?
En satellit som kretsar runt sänder hela tiden radiosignaler som fångas upp av vår utrustning som har lämpliga mottagare. Varje satellit rapporterar sin position och sändningstid. Genom att dessutom veta hur snabbt radiovågor färdas kan vi beräkna avståndet från denna satellit. Om vi tar emot ytterligare data från ytterligare tre satelliter och laddar ner data från fyra samtidigt, kommer enheten att beräkna vår position i skärningspunkten för data som kommer från alla satelliter.
För att få saker att fungera smidigt och korrekt behöver vi fortfarande noggranna mätningar av den tid signalen skickas. Hur uppnåddes detta? Var och en av satelliterna bär en atomklocka - den mest exakta kronometer som någonsin uppfunnits av människan. Vad är noggrannheten hos en sådan klocka? Tiden mäts till närmaste miljondels sekund!
Den mottagande enheten använder all denna data för att effektivt beräkna vår position. Men hela systemet måste också ta hänsyn till sådana frågor som den speciella relativitetsteorin, som skrevs av en gentleman vida känd som Albert Einstein. Ju längre objektet är från gravitationskällan, desto snabbare går tiden på det, så det är nödvändigt att räkna om på varje satellit. Kort sagt, det hela är ganska komplicerat, men som tur är har vi använt det här systemet i flera år nu och vi har upptäckt att det fungerar, och det fungerar ganska bra.
Naturligtvis kräver den normala driften av systemet deltagande av högt kvalificerad personal, vars utbildningsnivå kan jämföras med den för Space Flight Control Centers.
GPS: miljarder i programkostnader
Efter uppskjutning i omloppsbana kommer satelliten inte att fungera där för alltid. Äldre versioner har en livscykel på 7,5 år, nyare versioner 12 år och det senaste GPS III/IIIF-systemet förväntas förbli i omloppsbana i 15 år (data för den amerikanska versionen av systemet). Efter denna tid måste apparaten bytas ut, så ett nytt prov måste byggas under sterila förhållanden, och först då kan detta konstverk gå i omloppsbana.
Utöver utrustning i rymden finns även övervakningsutrustning på marken och högutbildad personal som ansvarar för att styra systemet. Arbetet med att förbättra markkomponenten pågår också, med stort fokus nu på nästa generations Operational Control System (OCX) och relaterade delsystem. Förändringar införs gradvis för att inte störa driften av hela GPS-systemet.
Cirka 1,7 miljarder dollar (räkenskapsåret 2020) spenderas för att stödja hela systemet. För räkenskapsåret 2021 bad utvecklarna den amerikanska kongressen om 1,8 miljarder dollar för kostnaderna för att underhålla GPS-systemet. Givet sådana summor är det därför bara de största länderna som har råd att upprätthålla ett autonomt system, och resten måste använda de befintliga. För att visa hur kostnaden för programmet växer kan vi bara säga att 2012 var det 750 miljoner dollar (vi tar inte ens hänsyn till inflationen, beräkningsmetoden och dess nivå här).
Är det lätt att blockera GPS?
GPS-systemets gyllene dagar i försvarsmakten glöms sakta bort. Dämpning och störning av satellitsignaler blir allt vanligare, och som ett resultat är precisionsvapen baserade enbart på rymddata inte längre lika effektivt som det en gång var. Problemet påverkar inte bara själva vapnen utan även flygplan, fartyg, landfordon och alla andra enheter som är utrustade med en GPS-mottagare.
Vi har sett mer än en gång exempel på att blockera GPS-signalen i "heta" ställen på jorden. Det hände att enorma fartyg i hamnen eller som seglade, till exempel i Svarta havet, plötsligt försvann från kartorna och dök upp på dem 30 kilometer bort, och detta är kopplat till ryssarnas agerande i denna region. För att fortsätta detta ämne bör det sägas att liknande åtgärder ofta hålls i Syrien för att säkerställa driften av ryska baser i regionen. Även Israel lider av den här typen av störningar, där GPS:en ibland fungerar sämre, och det är ett allvarligt problem, till exempel för civil flygtrafik.
Att störa en GPS-signal är inte särskilt svårt. En radiosändare med lämplig effekt och frekvens placerad nära ett skyddat mål hindrar GPS-mottagare från att ta emot rätt data. Satellittillverkare försöker bekämpa detta genom att utveckla allt fler störningsbeständiga signaler, som är utrustade med de senaste versionerna av utrustningen. Detta är dock ett spel med katt och råtta, och fördelen ligger på förstörarnas sida. De kan reagera på förändringar snabbare med lägre kostnader och större kapacitet. Satelliter förändras trots allt inte på en vecka.
Förutom lömska syften används även GPS-blockeringsmetoder för att skydda statschefer. Det är inte förvånande att ryssarna är särskilt förtjusta i sådana verktyg. Det gäller särskilt Putins rörelser, som de försöker dölja så mycket att i regionen där han befinner sig kanske alla navigationssystem inte fungerar alls under en viss tid. Ryssarna skyddar sin presidents resväg så mycket som möjligt, så genom att blockera navigationssystem försöker de, åtminstone delvis, utesluta en drönareattack.
Trots de ovan nämnda problemen och bristerna bör vi inte förvänta oss att militären överger GPS-systemet. Tvärtom kommer kampen mot störningssystem att intensifieras, och ytterligare system kommer att läggas till utrustning och vapen som kommer att förhindra störning av GPS-signalen.
Tröghetsnavigeringen kommer att fortsätta att förbättras, och precisionsvapen kommer alltid att ha en annan, lika effektiv siktningsmetod i reserv. Just nu pågår ett intensivt arbete med sådana lösningar. Det talas om bildnavigering, astronavigation (gå tillbaka i tiden?) och magnetisk anomalinavigering. Högteknologi! Därför har vi fortfarande många intressanta saker som väntar på oss.
Satellitnavigering för civila ändamål
Men den genomsnittlige användaren är inte särskilt intresserad av vad militären har där. Vi vill att GPS ska hjälpa oss att lokalisera vår position så att navigatör korrekt utformad rutten för vandring i bergen eller en morgonrunda eller under en bilresa. Nu är det svårt att föreställa sig livet för en modern person utan dessa bekvämligheter.
I princip kan vi säga att även om vi inte använder GPS direkt, det vill säga att vi inte sätter på mottagaren själva, så kan vi fortfarande använda den. Systemet fungerar självständigt, det har blivit en välbekant, bekväm och nödvändig del av vårt liv.
Läs också: