Az előző írásban kicsit megismerkedhettünk a GPS történelmével, jelen bejegyzésben pedig arról olvashattok, hogy miként is működik a GPS rendszer maga. Nem kell számítani durva képletekre és különféle tudományos magyarázatra. Igyekszem egyszerűen, mindenki számára érthetően felvázolni, mi is történik akkor, ha bekapcsoljuk a navigációs készülékünket, legyen az PNA vagy mobiltelefon vagy bármi egyéb.
Az alapok
A GPS elődjének tekintett Transit rendszer négy műholdból állt, amelyek 1000 kilométeres magasságban keringtek a Föld körül. Ezzel a rendszerrel egy tengeralattjáró nagyjából 10-15 perc alatt tudta meghatározni saját földrajzi helyzetét. A Navstar műholdak 1996-ban váltották le teljesen a Transitot. Itt már 24 műhold van, melyek 20 200 km-es magassában keringenek , napjában kétszer teljesen megkerülve a Földet. A pályájukat úgy alakították ki, hogy a Föld bármely pontjáról egyszerre legalább négy mindig látható legyen. Ha kellően nyitott területen vagyunk, akkor egyébként 7-12 műholddal tudunk kapcsolatot teremteni, ez bőven elég a pontos beméréshez. Apró érdekesség, hogy a rendszer kiépítése elképesztő összegekbe került, a kezdeteknél (ami a 70-es éveket jelenti) 12 milliárd dollárt költöttek rá.
A műhold
Egy GPS műhold kétféle frekvenciát sugároz a Föld felé, ezeket L1 és L2 frekvenciáknak hívják. A jelek szórt spektrumú, amit pszeudo-véletlen zajnak szoktak nevezni (rövidítve PRN). A PRN jel minden műholdnál más és más, illetve maga a PRN kód két típusból áll. Az egyik a C/A (Coarse/Acquisition code), a másik a P (Precision code) kód. Itt rögtön előjön a GPS kettős felhasználási módja, ugyanis a P kód titkos és kizárólag katonai eszközökkel lehet dekódolni, továbbá ez a jel jóval pontosabb meghatározást tesz lehetővé, mint a „civil” C/A kód. A GPS felhasználható a pontos idő terjesztésére is. Ehhez minden műholdon két atomóra van elhelyezve. Ezt a jelet a földi állomások folyamatosan figyelik, egyeztetik az UTC világidővel, továbbá az évente szükséges szökőmásodpercekhez való igazítás értékét közlik a műholddal, így a vevőn már a valós időt látjuk.
Hogyan történik a mérés?
Bizonyára legtöbben arra kíváncsiak, hogy miként tudja meg a kezünkben lévő eszköz, hogy mi most épp hol vagyunk a Földön. Nos, a helyzetmeghatározás időmérésre visszavezetett távolságmérésen alapszik. Ha ismerjük a rádióhullámok terjedési sebességét és ismerjük a kibocsátásának és beérkezésének idejét, akkor ezekből meg lehet határozni a forrás távolságát. Miután háromdimenziós térben élünk, ezért legalább három ismert helyzetű pontra van szükségünk, ezek maguk a műholdak. Minden további műhold pontosítja ezt a bemérést. Maga a pozíció meghatározása négy lépésből épül fel.
Az első lépésben a GPS-vevő lekérdezi a műholdról a pontos időt. Ezt a PRN-kóddal tudja megtenni, ami jelzi, hogy melyik műholddal (műholdakkal) kommunikál, hiszen ez egyedi jel. A vevő a saját óráját leszinkronizálja a műholdról kapott adattal. A második lépés a „háromszögelés”-nek hívott módszer, ami valójában nem teljesen fedi a valóságot, mert a pontatlanságok miatt legalább 4 műhold szükséges a beméréshez. A vevő kiszámolja a műholdaktól való távolságát, ez r1, r2 és r3 távolságot ad ki. A három távolság térbeli metszéspontja mutatja a vevő pontos helyét, azonban ez a háromdimenziós tér miatt két metszési helyet is ad, viszont a rendszer felismeri a hibásat, mert az vagy a Föld belsejébe vagy a világűrbe mutat. Viszont a pontossághoz szükség van arra is, hogy a vevő órája szinkronban legyen a műholdakkal. Ezért van szükség egy negyedik műholdra is, aminél az r4 távolság metszéspontja pontosan az r1-r2-r3 közös metszéspontban kell áthaladjon. Emiatt kell legalább 4 műhold a beméréshez és ezért nincs szükség rá, hogy a vevő készülékben is legyen atomóra.
A távolság kiszámításához viszont ismerni kell a műholdak éppen aktuális pozícióját. Harmadik lépésként a pályaadatokat tartalmazó jelet a vevő megkapja és így tudja kiszámolni, hogy épp hol is van a Föld felett az adott műhold. Persze a pálya nem lehet tökéletesen statikus és egyforma, ezért a Földről radarokkal figyelik és az eltéréseket fellövik a műholdra, amit aztán a vevőbe is lesugároznak, hogy az tényleg valós adatokkal számoljon. Az utolsó, negyedik lépés a hibák kiküszöbölése. Az atomórák igen precíz és pontos szerkezetek, de itt is lehetnek eltérések, amiket a Földről figyelnek és korrigálnak. Vannak hatások, melyek a műhold pályát zavarják, mint mondjuk a földi gravitáció egyenetlensége, a Nap és Hold gravitációs hatásai, illetve a napszél, napkitörések eltérítő ereje. Ezek még nem okoznak komolyabb problémát, ellentétben a légkörrel, aminek oka, hogy a rádióhullámok terjedési sebessége csak vákuumban állandó. Itt viszont az űrben lévő műholdról elinduló jel a légkör különböző rétegein áthaladva lelassul. Viszont a légkör mindig változik és sosem áll be kétszer pontosan ugyanolyan állapot. Ezt például az L1 és L2 frekvenciák különbözőségével lehet kiküszöbölni, viszont ilyen módszert csak egy katonai vevő képes használni.
Sajnos akadnak még más zavaró tényezők is, mint az épületek, a sűrű erdős területek, de még a felhők is megnehezíthetik, lelassíthatják a pontos bemérést. Egy mobiltelefon esetében ez még nem annyira életbevágó, ám vannak olyan felhasználási területet (például a repülés), ahol akár életek is múlhatnak a pontosságon. A különböző segítő rendszerekről egy következő írásban számolok be.
A cikk elkészítéséhez a Smartshop nyújtott segítséget, köszönjük! Ha valaki további információkra vágyik, a cég szakértőit személyesen is faggathatja az Erzsébet körúton található üzletükben.
Rusi
