Palydovinės navigacijos sistemos ir jų veikimo principai

Pasaulinė padėties nustatymo sistema (angl. Global Positioning System, GPS) yra palydovinė radionavigacinė sistema, leidžianti nustatyti objekto koordinates bet kurioje pasaulio vietoje. GPS veikia nepriklausomai nuo oro sąlygų, paros ar metų laiko, suteikdama informaciją apie objektų padėtį erdvėje (3D), jų judėjimo greitį, kryptį ir įveiktą atstumą, atstumus iki pasirinktų taškų, tikslų vietos laiką, geografinius saulėtekio/saulėlydžio laikus ir mėnulio fazes.

Šios sistemos pagrindą sudaro informacinių technologijų sąveika su planetą gaubiančiu GPS palydovų tinklu. GPS tapo nepakeičiama priemone kasdieniniame gyvenime, transporto, turizmo, žemės ūkio, geodezijos, statybos ir kitose srityse, leidžiančia tiksliai žinoti savo vietą arba rasti tinkamą kelią.

GPS sistemos istorija ir raida

Idėja sukurti GPS kilo 1973 metais Jungtinėse Amerikos Valstijose, siekiant įveikti ankstesnių navigacinių sistemų trūkumus. GPS kelionė prasidėjo 1957 m., kai sovietų mokslininkai į kosmosą paleido pirmąjį palydovą „Sputnik“. Masačusetso technologijos instituto mokslininkai nustatė, kad radijo signalų, sklindančių iš Rusijos palydovo, dažnis keitėsi priklausomai nuo jo buvimo vietos (Doplerio efektas).

Tai leido mokslininkams suprasti, kad orbitoje esančių palydovų buvimo vietą galima stebėti iš Žemės, matuojant radijo signalų dažnio pokyčius. Šis atradimas paskatino JAV kariuomenę pradėti kurti naują palydovų sistemą, kuri leistų sekti strategines vietas ir taikinius ant Žemės.

Pirmosios palydovinės navigacijos sistemos

• TRANSIT buvo pirmoji palydovinės navigacijos sistema, sukurta 1959 m. JAV karinio jūrų laivyno, siekiant nustatyti JAV povandeninių laivų, gabenančių branduolines raketas, buvimo vietą.

Sparti technologijų kaita ir nauji poreikiai paskatino GPS sistemos modernizavimą ir naujos kartos GPS III palydovų panaudojimą, kurio pradžia sietina su 1998 metais JAV viceprezidento Al Goro pareiškimais.

GPS atidarymas civiliams ir tolesnis tobulinimas

1983 m. įvykęs incidentas su Korean Air skrydžiu 007, nukrypusiu nuo kurso į Sovietų Sąjungos oro erdvę ir numuštu, pakeitė GPS technologijos likimą. Po šio įvykio JAV prezidentas Ronaldas Reiganas pasirašė įsaką, kad GPS būtų galima naudoti civiliams, siekiant pagerinti navigaciją ir oro saugą, kai ji pradės veikti visu pajėgumu. Kitas svarbus įvykis GPS istorijoje įvyko 2000 m., kai JAV prezidentas Bilas Klintonas panaikino nuo pirmojo Persijos įlankos karo galiojusį pasirinktinį prieinamumą (SA - Selective Availability), tyčinį GPS signalo pabloginimą, kuris mažindavo tikslumą iki maždaug 100 metrų.

GPS sistemos struktūra ir veikimas

Palydovinė GPS radionavigacinė sistema susideda iš trijų pagrindinių komponentų:

Palydovų segmentas

• Palydovai: Šiuo metu GPS sistemoje naudojami 24 palydovai, priklausantys JAV palydovinės navigacijos sistemai NAVSTAR (Navigation Satellite Time and Ranging), nors iš viso orbitoje skrieja apie 31 palydovas. Pirmasis GPS palydovas buvo paleistas 1978 m., o visa 24 palydovų sistema pradėjo veikti 1994 metais. GPS palydovai skrieja 6 orbitinėmis trajektorijomis, po 4 palydovus kiekvienoje, apie 20 180 km aukštyje virš Žemės paviršiaus. Kiekvienas palydovas sveria apie 907 kg, yra apie 5 m ilgio, siunčiamo radijo signalo dažnis yra 1575,42 MHz, o siųstuvo galia - apie 50 vatų. Kiekviename palydove yra itin tikslūs atominiai laikrodžiai, leidžiantys nustatyti laiką su 100-milijardinės sekundės dalies tikslumu. Palydovai nuolat siunčia signalus, kuriuose yra informacija apie jų tikslią padėtį kosmose, tikslų signalo išsiuntimo laiką ir identifikavimo kodą.

Kontrolės segmentas

• Kontrolės stotys (arba valdymo stotys): Šios stotys Žemėje seka palydovus, stebi jų būklę ir veikia kaip tarpininkai tarp palydovų ir GPS prietaisų. Jos užtikrina, kad palydovai veiktų tinkamai ir siųstų tikslius duomenis.

Vartotojo segmentas

• GPS prietaisai (imtuvai): Tai vartotojų naudojami įrenginiai (pvz., išmanieji telefonai, automobiliniai navigatoriai, specializuoti įrenginiai), kurie priima palydovų signalus ir apskaičiuoja savo buvimo vietą. GPS imtuvus naudoja vartotojai, esantys Žemės paviršiuje ir aviacijai tinkamame atmosferos sluoksnyje, savo buvimo koordinatėms nustatyti.

Kaip veikia GPS imtuvas?

Pagrindinis GPS veikimo principas yra trilateracijos principas (kartais neteisingai vadinamas trianguliacija). GPS imtuvas priima signalus iš trijų ar daugiau (net iki 12-os vienu metu) palydovų. Kiekvienas palydovas siunčia informaciją apie savo tikslią padėtį kosmose ir tikslų signalo išsiuntimo laiką. GPS imtuvas, gavęs šiuos signalus, apskaičiuoja, kiek laiko užtruko signalui pasiekti jį. Žinant signalo kelionės laiką ir jo greitį (šviesos greitį), galima nustatyti atstumą nuo kiekvieno palydovo. Pavyzdžiui, jei signalui prireikė 0,07 sekundės, tai reiškia, kad palydovas yra maždaug 21 000 kilometrų atstumu.

Kad būtų galima tiksliai nustatyti buvimo vietą (ilgumą, platumą ir aukštį virš jūros lygio), GPS imtuvas turi „matyti“ bent keturis palydovus. Nors trimis palydovais galima sudaryti susikertančias sferas, kurių pagrindu nustatomos koordinatės, ketvirtasis palydovas yra reikalingas, norint kompensuoti galimus laiko matavimo netikslumus pačiame imtuve (kadangi jo laikrodžiai nėra atominio tikslumo) ir tiksliai nustatyti aukštį.

Apdorojus gautus signalus algoritmais, vartotojui į ekraną išvedama informacija (grafinė ir tekstinė) apie buvimo vietos koordinates: platumą, ilgumą, aukštį virš jūros lygio, judėjimo greitį ir kryptį.

GPS tikslumas ir jį veikiantys veiksniai

Šiuo metu GPS imtuvo vietos nustatymo tikslumas gali siekti nuo 100 metrų iki 1 cm, priklausomai nuo naudojamo imtuvo sudėtingumo bei metodų.

Koordinačių tikslumas

• Civilinės paskirties imtuvai: Paprasti, civilinės paskirties arba buitiniai GPS imtuvai paprastai nustato koordinates su maždaug 3-5 metrų tikslumu.
• EGNOS: Naudojant EGNOS (Euro Geostationary Navigation Overlay Service) sistemą, tikslumas gali sumažėti iki 1-1,5 m.
• Diferencinis GPS (DGPS): Kai reikalingas didesnis tikslumas, prie GPS imtuvo naudojamas papildomas diferencialinis GPS imtuvas (DGPS). DGPS imtuvas gerina koordinačių tikslumą, pasinaudodamas antžemine stotimi. Antžeminė stotis, priėmusi palydovo signalą, apskaičiuoja jo paklaidą ir kitu radijo dažniu siunčia „patikslintą“ signalą DGPS imtuvui. DGPS leidžia pasiekti nuo kelių metrų iki 1 cm tikslumą.
• RTK (Real-Time Kinematic): Ši sistema leidžia pasiekti centimetrų tikslumą, naudojant stacionarias bazines stotis.
• WAAS (Wide Area Augmentation System): Ši sistema, veikianti Šiaurės Amerikoje, korekcijos signalą, surinktą iš antžeminių stočių, perduoda specialus geostacionarinėje orbitoje esantis palydovas. GPS su WAAS sistema paklaida - mažesnė nei 3 metrai.

Veiksniai, mažinantys GPS tikslumą

GPS tikslumas gali būti paveiktas įvairių veiksnių, dėl kurių rodoma pozicija gali būti netiksli ar net laikinai dingti:

• Tyčinis signalo pabloginimas (SA - Selective Availability): Iki 2000 m. gegužės mėn. GPS sistemos kūrėjai ir savininkai naudojo selektyvų priėjimą, sąmoningai mažindami GPS tikslumą civiliams vartotojams. Šis apribojimas buvo panaikintas.
• Atmosferos įtaka: Radijo signalai, keliaudami per jonosferą ir troposferą, šiek tiek sulėtėja ir nukrypsta nuo tiesiojo kelio dėl oro tankio, drėgmės ir kitų veiksnių. Nors GPS sistema bando kompensuoti šiuos iškraipymus, tai nėra tobula. Lietaus, šlapdribos ar sniego krituliai tiesiogiai neturi juntamos įtakos signalui, tačiau sniegas ir ledas ant imtuvo antenos gali pabloginti priėmimą.
• Fizinės kliūtys: Aukšti objektai šalia imtuvo, tokie kaip kalnai, tankus miškas, pastatai, tuneliai, stogai, metaliniai objektai gali blokuoti arba atspindėti silpnus GPS signalus. Miestų „kanjonuose“, apsuptiems aukštų pastatų, GPS signalai gali atsimušti nuo sienų ir pasiekti įrenginį netiesioginiu keliu (daugiakelio sklidimas - multipath), sukeldami painiavą ir sumažindami tikslumą.
• Palydovų geometrija: Jei visi matomi palydovai yra vienoje dangaus pusėje, tikslumas bus prastesnis nei tada, kai jie išsibarstę po visą dangų.
• Elektromagnetiniai trukdžiai: Stiprūs elektromagnetiniai laukai, generuojami kompiuterių ir kitų šaltinių, gali neigiamai paveikti GPS signalų priėmimą, ypač DGPS korekcinius signalus. Žaibai gali sugadinti GPS imtuvus ir sukelti didelius elektromagnetinių bangų trukdymus.
• Saulės aktyvumas: Jonosferos nevientisumai ir trumpalaikiai „iškraipymai“, atsirandantys dėl saulės įtakos, gali pabloginti DGPS tikslumą, ypač didelio saulės aktyvumo metais.

Normaliam darbui GPS imtuvas turi „matyti“ bent 3 palydovus, bet tiksliam 3D nustatymui reikalingi 4. Automobiliniuose GPS navigacijos aparatuose būna ne mažiau 12 GPS imtuvo kanalų, o atviroje Lietuvos teritorijoje portatyviniai aparatai su SIRF-III „mato“ iki 20 palydovų, naujesni modeliai - iki 30 palydovų.

Kitos pasaulinės navigacijos palydovinės sistemos (GNSS)

Be JAV GPS sistemos, egzistuoja ir kitos pasaulinės navigacijos sistemos, bendrai vadinamos GNSS (Global Navigation Satellite System), kurios, kartu su GPS, užtikrina didesnį tikslumą ir patikimumą, ypač naujesniuose telefonuose:

• GLONASS (Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema): Rusijos sukurta GNSS sistema. Jos pagrindą sudaro 24 palydovai, orbituojantys 19 100 km aukštyje virš Žemės trijose plokštumose 64,8° kampu su pusiauju. Sistemos veikimas analogiškas JAV GPS. GLONASS išvengia prasto veikimo Žemės poliariniuose rajonuose, kas yra daugelio kitų GNSS sistemų trūkumas.
• Galileo: Europos Sąjungos sukurta GNSS sistema, kurios paskirtis pirmiausia yra civilinė. Ji naudoja 24 darbinius ir 6 atsarginius palydovus, orbituojančius 23 222 km aukštyje. Civiliams koordinatės pateikiamos 1 metro tikslumu, kariškiams ir komerciniams klientams - 0,1 metro tikslumu.
• BeiDou (Navigation Satellite System arba BDS): Kinijos GNSS sistema. Ji naudoja palydovus geostacionarinėse, geosinchroninėse ir kitose orbitose. BeiDou tikslumo padidinimui naudoja sekimo stotis tiek Kinijoje, tiek užsienyje.

GPS pritaikymas ir svarba kasdieniniame gyvenime

GPS sistema su papildoma įranga plačiai pritaikoma navigacijoje ir kitose srityse, tampant neatsiejama šiuolaikinio pasaulio dalimi:

• Transportas ir logistika: Apskaičiuojamas maršrutas tarp pasirinktų taškų, rodomas objekto judėjimas detaliame žemėlapyje, pateikiami grafiniai nurodymai, kaip įveikti artėjančias kryžkeles, sankryžas ar posūkius. Nukrypus nuo maršruto, sistema padeda grįžti atgal. Laivams ji padeda įveikti sudėtingus jūros dugno paviršius, atlikdama šiuolaikinio švyturio darbą. Uostų kranams reikalinga GPS, kad surastų tinkamą konteinerį.
• Ekstremalios situacijos ir saugumas: Gelbėtojų tarnybos remiasi GPS (ar kitomis sistemomis) tam, kad būtų surasti tie, kuriems prireikia pagalbos. Šeimos nariai naudojasi asmeninių lokatorių paslaugomis, kad galėtų stebėti savo artimuosius.
• Žemės ūkis, geodezija ir statyba: GPS naudojama tiriant statybvietes, o žvejams padeda laikytis griežtų žuvininkystės taisyklių.
• Finansai ir ryšiai: Visi mobiliojo ryšio tinklai naudoja GPS jų antžeminių bazių sinchronizavimui, o finansų institutai ir bankai remiasi ja fiksuodami pinigines operacijas.

Kariškas pritaikymas

GPS sistema gimė kaip karinė technologija 1970-aisiais. JAV kariuomenė norėjo tiksliai nukreipti raketas ir žinoti savo pajėgų buvimo vietą bet kuriame pasaulio taške. Palydovinė navigacija iš pat pradžių buvo sukurta Pentagono reikmėms ir naudojama yra kariuomenėje visur: nuo „išmaniųjų raketų“ iki pėstininkų.

GPS tipai ir tobulinimas

Atsiradus poreikiui technologiją tobulinti ir pritaikyti skirtingoms situacijoms, atsirado skirtingi GPS tipai:

• Pagalbinė GPS (A-GPS): Naudojama vietovėse, kur signalai pasiekiami sunkiau. Ji plačiai naudojama išmaniuosiuose telefonuose, leidžia įrenginiams prisijungti prie sistemos net ir esant silpnam signalui, pasinaudodama mobiliojo ryšio tinklo duomenimis. Tai labai pagreitina pozicijos nustatymą.
• S-GPS: Leidžia vienu metu perduoti ir balso duomenis, ir GPS signalus, ypač naudinga ekstremaliose situacijose.
• D-GPS (Diferencinis GPS): GPS patobulinimas, leidžiantis geriau nustatyti tikrąją objekto ar asmens buvimo vietą, pasinaudojant antžeminėmis stotimis.
• RTK (Real-Time Kinematic): Sistema, leidžianti pasiekti centimetrų tikslumą, naudojant stacionarias bazines stotis.

Naujesni telefonai taip pat naudoja GLONASS, Galileo ir BeiDou palydovus papildomai prie amerikiečių GPS, taip užtikrinant dar didesnį tikslumą ir patikimumą. Be A-GPS, šaltam startui (kai GPS nebuvo naudojamas ilgą laiką) gali prireikti kelių minučių, kol sistema „užsifiksuos“ ant palydovų.

Telefonai taip pat naudoja mobiliųjų tinklų bokštus ir WiFi tinklus pozicijai nustatyti. Jei žinoma WiFi maršrutizatoriaus pozicija, telefonas gali apytiksliai nustatyti savo vietą net be GPS. Naujieji palydovai transliuoja papildomus signalus skirtingais dažniais, kas leidžia geriau kompensuoti atmosferos trukdžius. Naujausios technologijos, tokios kaip PPP (Precise Point Positioning), leidžia pasiekti labai didelį tikslumą net be papildomų Žemės stočių.

Grėsmės ir alternatyvos GPS sistemai

Nepaisant visų privalumų, GPS veiklos sutrikimai yra neįtikėtinai dažni. Dažnu atveju tai būna kai kurių šalių vykdomos karinės pratybos, pasitaiko ir paprasčiausių techninių gedimų. Pasauliui gresia pavojus, jei GPS tinklas sutriktų, nes visuomenė tampa vis labiau priklausoma nuo šios technologijos.

Galimos grėsmės

• Tyčiniai trukdžiai: GPS blokavimo sistemas šiais laikais gali įsigyti faktiškai bet kuris norintis. Jos gali būti naudojamos kaip karo preliudija, kaip svarbiausio infrastruktūros elemento ar ekonomikos puolimas. Pavyzdžiui, Ben Guriono oro uoste Tel Avive staiga strigus GPS sistemos darbui, tai sukėlė didelių problemų aviacijoje.
• Gamtinės sąlygos: Stiprios saulės audros, tokios kaip 1859-ųjų „Carringtono įvykis“, manoma, galėtų sutrikdyti dabartinio GPS palydovų tinklo veiklą.
• Techniniai gedimai: Palydovui išėjus iš rikiuotės dėl gedimo ar resursų pabaigos, dalis GPS vartotojų gali tam tikrais laiko tarpais pajusti navigacijos sulėtėjimą ar net trumpalaikius jos nuostolius. Pavyzdžiui, Europos kosmoso agentūra (ESA) aiškinosi, kodėl sugedo laikrodžiai kai kuriuose iš 18 jau iškeltų į orbitą „Galileo“ palydovų.

Galimos alternatyvos ir rezervinės sistemos

Ekspertams kyla natūralus klausimas: o kas, jeigu GPS neliks? Kuo reiktų pakeisti mūsų kasdienybėje naudojamą įrankį? Tikėtina, kad viena pavienė sistema negalės pakeisti tokios galingos navigacinės sistemos, kaip GPS, todėl bus naudojami įvairūs alternatyvūs sprendimai skirtingiems atvejams - laivams, lėktuvams, automobiliams.

• eLoran (Enhanced Long Range Navigation): Tai modernizuota radionavigacinė antžeminė sistema LORAN, sukurta Antrojo pasaulinio karo metais. Vietoje palydovų yra naudojamasi antžeminiais siųstuvais su antenomis, kurios perduoda radionavigacinius signalus. Šiuolaikinė eLoran versija gali užtikrinti tokį patį tikslumą, kaip ir GPS (iki 10 m tikslumu, o kartais ir tiksliau). Skirtingai nuo GPS, eLoran siųstuvų signalas gali patekti kiaurai sienas ir tunelius, ir šią sistemą daug sunkiau „nugesinti“.
• Žvaigždžių navigacija: Senovėje jūreiviai orientavosi pagal žvaigždes ir Saulę. Nors tai gali skambėti „viduramžiškai“, balistinės raketos, tokios kaip amerikiečių „Trident“, iki šiol naudojasi tokia skrydžio navigacija. JAV bendrovė „Draper Laboratory“ sukūrė žvaigždžių navigacijos sistemą „Skymark“, kuriame įtraukti ir kiti dabar danguje skriejantys objektai: TKS, palydovai ir pan. Šie greitai judantys objektai leidžia pasiekti kur kas didesnio tikslumo (iki 15 metrų), nei „lėtosios“ žvaigždės. Trūkumas - ji idealiai veikia tik esant giedram dangui.
• Inercinė navigacija: Ši sistema jau dabar yra naudojama kai kuriuose automobiliuose. Ji palaiko vidinį sistemos pozicionavimą prapuolus GPS ryšiui (pvz., tunelyje). Tačiau, kol kas, šios sistemos patikimumas negali prilygti GPS, todėl yra pasitelkiamas tik tuomet, kai pagrindinė navigacinė sistema neveikia.

Kuo labiau mes tampame kasdieniame gyvenime priklausomi nuo navigacijos sistemų, tuo didesnę reikšmę gali turėti paprasčiausias signalo blokavimas. Kol nėra sukurtos alternatyvios sistemos, sustabdyti gyvenimą net ir dideliame megapolyje galima faktiškai akimirksniu.

tags: #navigacija #pameta #palydovus