Automašīnas navigācija - kā patiesībā darbojas GPS?

AVSTAR/GPS (Navigation Signal Timing and Ranging/Global Positioning System) – satelītnavigācijas sistēma, bieži saukta GPS jeb globālā pozicionēšanas sistēma. Sistēma nosaka objektu atrašanās vietu un pārvietošanās ātrumu jebkurā vietā uz Zemes (arī polu tuvumā) gandrīz jebkādos laikapstākļos, kā arī kosmiskajā telpā līdz 100 000 kilometru attālumā no Zemes virsmas. Sistēmu izstrādājusi, realizējusi un ekspluatē ASV Aizsardzības ministrija.

Eiropas Komisija ir noskaidrojusi, ka aptuveni 800 miljardi eiro Eiropas ekonomikā ir atkarīgi no GPS navigācijas precizitātes un ātruma, no GPS atkarīga aviācija, loģistika, lauksaimniecība, telekomunikācijas. Pēdējos gados satelītnavigācijas attīstās milzu soļiem, pateicoties ne tikai ražotāju konkurencei, bet arī dažādām lielvalstīm, kas ievieš savas globālas pozicionēšanas sistēmas. Piemēram, briti izgudrojuši jaunu tehnoloģiju, kas varētu papildināt vai pat aizvietot pašreiz pieejamās navigācijas sistēmas, piemēram, amerikāņu GPS un krievu Glonass (Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema), ķīniešu Beidou.

Neaizmirsīsim, ka Eiropas Savienība un Eiropas Kosmosa aģentūra attīsta atsevišķu 20 miljardu eiro vērtu projektu Galileo, kas būtu neatkarīgs no pieminēto lielvalstu tīkliem. Jauno navigācijas sistēmu izstrādājusi Lielbritānijas aizsardzības kompānija BAE Systems.

Citi lasa

Gita Vīksne

Attiecības

«Viņa vienkārši aizgāja…» Kāpēc basketbolistu Kristapu Valteru pametusi trešā sieva?

Ineta Meimane

Personības

Leldes Ceriņas pirmā intervija pēc šķiršanās: Biju salauzta tik dziļi, ka gribējās kliegt

Dari Pats

Māja

Līmējam tapetes — cik sarežģīts ir šis process?

GPS tiek izmantoti no satelīta nākoši signāli aptuveni 20 000 km attālumā.

Tikmēr visos elektronikas veikalos šobrīd nopērkamas cenā un funkcijās atšķirīgas GPS iekārtas, kas lieti noder gan ceļojumos, gan veicot darbu svešā pilsētas malā. Latvijā populārākie zīmoli ir TomTom, Garmin, Becker, Navigon, Blaupunkt. Modernas GPS iespējas piedāvā arī virkne viedtālruņu. Piemēram, tāds ražotājs kā Microsoft/Nokia jau 2009. gadā par velti ieviesa savu GPS programmu OVI Maps. Šī lietotne nodrošina autobraucēju un gājēju soļu navigāciju ar balss komentāriem. Līdzīgu servisu nodrošina arī Latvijā populārā Waze.

Kā tas sākās?

Globālā pozicionēšanas sistēma ir ASV pavadoņu navigācijas sistēma, ko sākotnēji izstrādāja ASV Aizsardzības ministrija, ko uztur ASV Gaisa spēki. GPS ir vienīgā pilnā apjomā strādājošā pavadoņu navigācijas sistēma, kas sākumā bija paredzēta militārajai izmantošanai, bet kopš 1989. gada, pakāpeniski atceļot dažāda veida ierobežojumus, ir izmantojama arī civilajiem mērķiem.

GPS ir atsevišķi signālu kanāli militāriem un civiliem mērķiem, un nepieciešamības gadījumā ASV var pilnībā atslēgt GPS civilo kanālu.

Ideja par pavadoņu radionavigācijas sistēmu radās 50. gados, kad PSRS tika palaists pirmais mākslīgais Zemes pavadonis. Amerikāņu zinātnieki Ričarda Keršnera vadībā vēroja pirmā pavadoņa raidītos signālus un konstatēja, ka, pateicoties Doplera efektam, saņemtā signāla frekvence palielinās, pavadonim pietuvojoties, un samazinās, tam attālinoties. Viņi atklāja, ka, precīzi zinot savas koordinātes uz Zemes, ir iespējams noteikt pavadoņa atrašanās vietu, un otrādi – zinot pavadoņa atrašanās vietu, var noteikt savas koordinātas.

Ideju realizēja tikai pēc 20 gadiem. Sekmīgi pirmo eksperimentālo pavadoni orbītā palaida 1974. gada 14. jūlijā, bet 1978. gada 22. februārī tika palaists pirmais orbitālās grupas pavadonis. No 1978. līdz 1980. gadam orbitālajā grupā tika palaisti jau seši pavadoņi, bet 1980. gada 6. janvārī daļēji sāka izmantot GPS. Sākumā pie GPS strādāja tikai kā pie militāra projekta. Pēc 1983. gada ASV prezidents atļāva šo sistēmu daļēji izmantot civilajām vajadzībām, bet sistēmas precizitāte ar nodomu tika samazināta ar speciāli radītu algoritmu.

Tā kā kļuva zināms, ka daži uzņēmumi šo algoritmu atšifrējuši un kļūdas veiksmīgi novērsuši, 2000. gadā ASV prezidents šos speciāli radītos precizitātes traucējumus atcēla.

Kā darbojas GPS?

Sistēmas pamatā ir navigācijas pavadoņi, kas 20 180 km augstumā riņķo ap Zemi sešās orbitālajās trajektorijās (četri pavadoņi katrā). Pavadoņi pēta signālus diapazonos: L1=1575,42 MHz, L2=1227,60 MHz, pēdējā modeļa pavadoņi arī diapazonā L5=1176,45 MHz. Antena uztver navigācijas informāciju (parasti apstākļos, kad pavadonis ir tieši redzams), un GPS uztvērējs to apstrādā. Standarta precizitātes informācija S/A kodā, ko pārraida ar L1 palīdzību, tiek izplatīta brīvi, bez maksas un neierobežojot lietotājus.

Šifrēts P(Y) kods (ar daudz augstāku precizitāti) tiek izmantots militārām vajadzībām. Maksimāli iespējamais vienlaikus strādājošo pavadoņu skaits NAVSTAR sistēmā ir 31. GPS uztvērējs aprēķina objekta koordinātas, nosakot attālumu starp uztvērēju un četriem (var pieņemt, ka viens no tiem atrodas Zemes centrā) vai vairāk GPS pavadoņiem, izmērot laiku, kāds pagājis starp signālu raidīšanas no katra pavadoņa un to saņemšanas uztvērējā. Savukārt kopā ar signālu no pavadoņa tiek pārraidītas attiecīgā pavadoņa koordinātas. Ņemot vērā radiosignāla izplatīšanās laiku, ir nosakāma distance no šā pavadoņa S=vxt.

Katrs pavadonis šādi dod lodveida pozīcijas virsmu ap sevi. Divi pavadoņi jau dod riņķa līniju, kur viņu dažāda diametra burbuļi šķērso cits citu. Trešā pavadoņa burbulis šķērso šo riņķa līniju divos punktos. Ceturtais pavadonis dod pēdējo izvēli – tā burbulis šķērso vienu no šiem diviem atlikušajiem punktiem. Var pieņemt, ka šis ceturtais pavadonis atrodas Zemes centrā, tad šī iedomātā pavadoņa pozīcijas virsma tiek aizstāta ar jūras virsmu, kas formas ziņā tuvu lodei ap Zemes centru. Līdz ar to, pieņemot, ka uztvērējs atrodas tuvu Zemes virsmai, nepieciešami tikai trīs pavadoņi pozīcijas noteikšanai.

Fakti

• 1973. gads. Lēmums par pavadoņu navigācijas sistēmas izstrādi.
• 1974.–1979. gads. Sistēmas izmēģināšana.
• 1977. gads. Signāla saņemšana no virszemes stacijas, kura simulēja sistēmas pavadoni.
• 1978.–1985. gads. 11 pirmās grupas pavadoņu palaišana (Block I).
• 1979. gads. Programmas finansējuma samazināšana. Lēmums par 18 pavadoņu palaišanu 24 vietā.
• 1980. gads. Ar sensoriem aprīkotu pavadoņu palaišana, lai reģistrētu atomieroču izmēģinājumus zem ūdens un virs zemes.
• 1980.–1982. gads. Programmas finansējuma turpmāka samazināšana.
• 1983. gads. Pēc uzņēmuma Korean Airlines lidaparāta bojāejas, kas tika notriekts virs PSRS teritorijas, pieņemts lēmums par signāla pārraidīšanu civildienestiem.
• 1986. gads. Kosmiskā kuģa Challenger bojāeja programmas izpildi apturēja, jo ar šī kuģa palīdzību bija plānots orbītā palaist otrās grupas pavadoņus. Rezultātā par galveno transportlīdzekli tika izvēlēts raķešu nesējs Delta.
• 1988. gads. Lēmums par orbitālās pavadoņu grupas palielināšanu līdz 24 pavadoņiem. 18 pavadoņi nespēj nodrošināt vienmērīgu sistēmas darbību.
• 1989. gads. Otrās grupas pavadoņu aktivizēšana.
• 1990.–1991. gads. Saistībā ar karu Persijas līcī un uztvērēju militāro modeļu trūkumu atslēdz uz laiku ierobežotās pieejas režīmu (Selective Availability – SA), kas neautorizētiem lietotājiem atrašanās vietas noapaļoja līdz 100 metriem. SA ieslēgšana 1991. gada 1. jūnijā.
• 1993. gads. Paziņojums par sistēmas starta gatavību. Šajā gadā tika pieņemts galīgais lēmums par signālu bezmaksas pārraidīšanu civildienestiem un privātpersonām.
• 1994. gads. Pavadoņu grupa tiek pabeigta.
• 2000. gads. SA atslēgšana civilajiem lietotājiem. Mērījumu precizitāte uzlabojās no 100 līdz 20 metriem.
• 2004. gads. Sadarbības līguma parakstīšana par Galileo un GPS savietojamību un savstarpēju papildināšanu.
• 2006. gads. Krievijas un ASV sarunas par sadarbību, lai nodrošinātu kosmisko navigācijas sistēmu GLONASS un GPS² savstarpējo papildināšanu.

Rezumējums

GPS attīstība parāda mūsdienu tehnoloģiju ievainojamību un modernā cilvēka atkarību no tām. Mēs ieteiktu neaizmirst lasīt arī papīra kartes. Ja nu kaut kur kāds vīrs izslēdz GPS?