Što je GPS? Zašto nam je to potrebno? Koja je razlika između različitih navigacijskih sustava? O svemu ćemo govoriti u ovom članku.
GPS nam se trenutno čini kao svakodnevna, poznata stvar za koju su svi čuli i koju većina koristi u svakodnevnom životu. Ovo je jedan od alata koje koristimo u našim uređajima. Pritom uopće ne razmišljamo o tome kako funkcionira, odakle dolazi, koliko je vremena, truda i novca bilo potrebno uložiti u stvaranje ovog sustava. Danas prijamnici GPS signala imaju ne samo navigatori, telefoni, pametni telefoni, tableti, automobili, ali čak i fitness narukvice i "pametni" satovi, njihovi se podaci koriste u industriji, amaterskom i profesionalnom sportu, reliju i auto utrkama, te naravno u vojnoj industriji. Pogledajmo pobliže različite navigacijske sustave.
Što je satelitska navigacija?
Satelitska navigacija ili Globalni navigacijski satelitski sustav sustav je satelita koji odašilje podatke o globalnom položaju i točnom vremenu. Radio valovi određenih frekvencija koriste se za prijenos informacija. Nakon što primi takve podatke, prijemnik ih izračunava i prikazuje koordinate naše lokacije, odnosno dužinu, širinu i nadmorsku visinu.
Uz osnovne sustave (GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo) postoje i pomoćni sustavi u svemiru. Riječ je o tzv. satelitskim korekcijskim sustavima (SBAS), poput Global Omnistara i StarFirea, koji se koriste u poljoprivredi.
Iznad nas su i regionalni sustavi podrške poput WAAS-a u SAD-u, EGNOS-a u EU-u, MSAC-a u Japanu i GAGAN-a u Indiji, koji se brinu za pročišćavanje podataka na manjim područjima zemaljske kugle. Sve to podržavaju zemaljske komponente, o kojima ćemo kasnije. U sustavu postoji puno definicija, ali nećemo ulaziti u detalje.
Pročitajte također: Najvažnije i najzanimljivije svemirske misije u 2021
Vrste satelitske navigacije
GPS nije jedini trenutačno dostupan satelitski navigacijski sustav. Iznad naših glava leti nekoliko vrsta satelita, odgovornih za geopozicioniranje uređaja koje držimo u džepovima, nosimo na ruci ili ih koristimo u navigatorima. Zašto postoji više sustava, a ne jedan? Siguran sam da je ovo pitanje postavila većina prosječnih korisnika. Činjenica je da je u početku GPS sustav stvoren za vojne potrebe, a vojska još uvijek ima kontrolu nad njim. To znači da kontroliraju pozicioniranje svih i svugdje u svijetu. Naravno, mnogima se ova pozicija nije svidjela, ne samo protivnicima, nego čak ni prijateljima. Stoga su ozbiljni svjetski igrači odlučili razviti svoje navigacijske sustave kako bi njihova vojska imala kontrolu nad njima. Ubrzo su se u svijetu pojavili GPS analozi koji su se međusobno natjecali za titulu najboljeg i najtočnijeg na tržištu. Za nas, obične korisnike, to je samo prednost. Dakle, pokušajmo se pozabaviti svakim sustavom zasebno.
Američki GPS
Ovo je prvi navigacijski sustav koji najčešće koristimo. Kada govorimo o satelitskoj navigaciji, obično koristimo izraz GPS. Američki sustav izvorno se zvao NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System ili skraćeno NAVSTAR-GPS.
GPS je u rukama američke vojske, odnosno američkih svemirskih snaga. Ispravan rad svih uređaja provjerava Space Delta 8, koja se nalazi u bazi zračnih snaga Shriver u blizini Colorado Springsa i djeluje kao dio sjedišta GPS-a.
Civilne aplikacije samo su manji dodatak vojnim aplikacijama, za koje su raspored i najveća točnost pozicioniranja prioritet. Civilni korisnici dobivaju nešto skraćenu verziju, ali je i dalje dovoljno dobra. Ne treba nam točnost od nekoliko desetaka centimetara da bismo vozili automobil ili trčali, ali je potrebna sve veća točnost, na primjer, u navigaciji, kartografiji, u poljoprivredi za nadzor polja, u prijevozničkim tvrtkama za praćenje vozila i u mnoga druga područja. Stoga ne čudi što se GPS sustav stalno mijenja, vrši se optimizacija satelita.
Tijekom korištenja sustav je doživio promjene i još uvijek se modernizira, s vremena na vrijeme u mrežu se uvode sateliti s većim mogućnostima, a stari koji su ranije korišteni s vremenom se uništavaju. Većina ih izgori u atmosferi, a ponekad krhotine potonu u Tihi ocean.
Potpuna spremnost GPS sustava postignuta je 1993. godine, kada je u orbitu izbačen potreban broj satelita. No još 1983. godine administracija Ronalda Reagana odobrila je dozvolu za civilnu upotrebu sustava. To se dogodilo nakon što je SSSR oborio korejski civilni zrakoplov koji je greškom povrijedio sovjetski zračni prostor. Međutim, u početku je točnost sustava za civilno stanovništvo bila ograničena na 100 metara. Ali i to je tada bilo dovoljno da se izbjegnu daljnje katastrofe.
Rad GPS sustava iz svemira dodatno je podržan satelitima WAAS (Wide Area Augmentation System) koji osiguravaju potrebnu korekciju podataka za povećanje točnosti sustava. Nalaze se u Sjevernoj Americi (i dijelom u Južnoj Americi) i pod nadzorom su FAA (Federal Aviation Administration). WAAS je namijenjen podršci aplikacijama civilne satelitske navigacije.
ruski GLONASS
GLONASS je skraćenica za Global Navigation Satellite System, koji radi slično američkom GPS-u. GLONASS se sastoji od 24 aktivna satelita koji se nalaze na približno 19 kilometara iznad zemlje, a orbita satelita traje 100 sati i 11 minuta. Testiranje sustava počelo je 15. godine, dakle još u SSSR-u. Nastala je doista kao odgovor na američka zbivanja, kod nas poznatija kao “Ratovi zvijezda”. Sovjetski Savez ni u čemu nije želio popuštati SAD-u, ali “Perestrojka, glasnost, ubrzanje” učinili su svoje. Radovi su uglavnom bili prekinuti zbog nedostatka sredstava. Iako, kako se kasnije pokazalo, nije sve zatvoreno. Za Amerikance je doista bilo iznenađenje kada je 1982. službeno objavljeno da je sustav GLONASS spreman za rad. Godine 1993. Rusi su uspjeli u orbitu staviti cijelu konstelaciju od 1995 satelita.
Ali od početka nije sve bilo tako dobro. Jeljcinova era devedesetih također je utjecala na svemirske programe. Nije bilo sredstava, nitko nije bio zainteresiran za svemir i satelitsku navigaciju. Kao rezultat toga, 2002. godine samo je 7 satelita još uvijek bilo operativno. No, Rusi su se uhvatili posla i u sklopu programa oporavka od 2002. do 2011. pustili u rad poboljšane satelite GLONASS-K, kao i prateće suvremene sustave upravljanja sa zemlje.
U sljedećoj fazi modernizacije, 2012.-2020., glavna je pažnja posvećena poboljšanju svojstava PNT-a (pozicioniranje, navigacija i sinkronizacija) u cilju povećanja sigurnosti države i sposobnosti njezinih obrambenih i civilnih sustava. Trenutno se radi na sljedećoj generaciji satelita, poznatoj kao GLONASS-K2.
kineski BeiDou
Kina je krajem 2000. stoljeća počela razvijati satelitski navigacijski sustav. Godine 1. uspjeli su zatvoriti prvu fazu razvoja BDS-1, koji je poznatiji kao navigacijski satelitski sustav BeiDou-2. U sklopu ovog projekta Kina i najbliže strane zemlje dobile su sustave za pozicioniranje. Sljedeći korak bio je BDS-2020 sa satelitskom mrežom koja pokriva azijsko-pacifičku regiju. 3. godine, u sklopu projekta BDS-XNUMX, sustav BeiDou postao je operativan u cijelom svijetu.
Trenutno je u orbiti 35 satelita, a ukupno je program već izveo 59 lansiranja s korisnim teretom koji u orbitu stavlja sljedeće generacije sustava BeiDou. Prema kineskim vlastima, u stvaranju programa BDS-400 sudjelovalo je više od 300 agencija i 000 znanstvenika i tehničara. Za podršku najnovijoj konstelaciji satelita stvoreno je više od 3 zemaljskih stanica za praćenje ispravnog rada sustava. Globalna dostupnost sustava procijenjena je na 40%, a za ključnu azijsko-pacifičku regiju čak je i viša, odnosno tamo radi gotovo savršeno. Također, Kinezi su uložili mnogo napora da poboljšaju točnost sustava.
BeiDou također dopušta kratke tekstualne poruke do 14 bitova (000 kineskih znakova). Ova vrijednost također može uključivati fotografije ili zvučne snimke.
Kao i kod drugih razvoja satelitskih navigacijskih sustava, lokalni korisnici plaćaju uslugu, ali rezultati su doista impresivni.
Pročitajte također: Kina je također željna istraživanja svemira. Pa kako im ide?
europski Galileo
Koja je najveća prednost sustava Galileo? Za razliku od GPS-a i GLONASS-a, on ostaje u civilnim rukama i ne pripada nijednoj posebnoj vladi, kao što je to slučaj u komunističkoj Kini. Sustav je građen isključivo imajući u vidu civilno tržište, pa stoga potrebe stanovništva u konačnici utječu na njegov razvoj. Doduše, Galileo je dašak svježeg zraka među militariziranim sustavima za pozicioniranje. Do sada je program Galileo dovršio 28 lansiranja i poslao 30 satelita u orbitu. Trenutno sustav koristi punu konstelaciju satelita, ali nisu svi uređaji uvijek dostupni, a neki od njih još uvijek čekaju svoj red u skladištima.
Segment zemaljskih usluga smješten je u dva centra – Oberpfaffenhofen u Njemačkoj i Fucino u Italiji. Osim toga, sustav uključuje svjetsku mrežu nadzornih senzora, stanica za mjerenje i prijenos podataka.
Zbog činjenice da su orbite svih ovih sustava sve zasićenije, sateliti Galileo nalaze se malo više, na visini od 23 kilometra (najniža je GLONASS, zatim GPS, kineski BeiDou i na vrhu piramide Galileo ). Potrebno je otprilike 222 sati da svaki satelit u potpunosti obiđe Zemlju. Za većinu mjesta na zemlji, 14 do 6 Galileo satelita dostupno je u svakom trenutku, što znači vrlo visoku točnost, koja se u većini situacija mjeri u centimetrima, a ne u metrima.
Galileo je kompatibilan s GPS sustavom, što dodatno poboljšava točnost mjerenja, a njegov rad podržava i sustav EGNOS (European Geostationary Navigation Service), koji se sastoji od zemaljskih komponenti i satelita zaduženih za poboljšanje rada i točnosti satelitskih navigacijskih sustava .
Japanski MICHIBIKI (Michibiki)
Kako bi osigurao točnost navigacije na vlastitom teritoriju, Japan je stvorio malu konstelaciju satelita nazvanu Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) ili Michibiki. U planinskim ili jako urbaniziranim područjima, sam GPS često nije dovoljan zbog previše prepreka. 4 satelita u funkciji od studenog 2018. otklanjaju ovaj problem. Tri od njih su još uvijek u regiji Azije i Oceanije. U 2024. godini planira se doći do satelitske konstelacije koja se sastoji od 7 jedinica. To će dodatno poboljšati ukupnu učinkovitost sustava i učiniti ga neovisnim o GPS-u. Tako će Japan osigurati punu autonomiju na svom teritoriju.
Unatoč svojoj maloj veličini u odnosu na druge sustave, QZSS ispunjava sva očekivanja japanskog stanovništva, a dodatno podržava otpremu u svim onim zemljama koje se nalaze na meridijanima koji prolaze kroz teritorij Japana.
Osim toga, Japan također ima GPS/Michibiki sustav precizne podrške koji se zove MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS). Sastoji se od 2 satelita, koji između ostalog daju vremenske podatke.
NavIC (NANavigation with Indian Constellation) indijski je analog GPS-a, koji se također naziva Indijski regionalni navigacijski satelitski sustav (IRNSS). Sustav će, nakon što dosegne sve svoje mogućnosti, po svom djelovanju biti sličan japanskom. Trenutno se u orbiti nalazi 7 satelita koji osiguravaju pozicioniranje u Indiji i na udaljenosti do 1500 kilometara od granica zemlje. Sustav ne ovisi o GPS-u.
NavIC podržava GAGAN (Geosynchronous Augmented Navigation System with GPS), koji se sastoji od tri dodatna satelita i zemaljske infrastrukture. Uvođenjem u upotrebu premošten je jaz između sustava EGNOS i MSAS, čime je dodatno povećana razina sigurnosti civilnog zrakoplovstva.
Globalni sustavi pomoći
Opisujući pojedine sustave, spomenuli smo i regionalne sustave podrške. Međutim, rad satelitske navigacije izvan regionalnih granica također može podržati globalne sustave pomoći. Trenutno se mogu razlikovati dva od njih. To su Omnistar i StarFire. Oba imaju podršku za satelitsku navigaciju, koja se najviše koristi za potrebe moderne precizne poljoprivrede. Njihova uporaba zahtijeva posebne prijemnike, zahvaljujući kojima poljoprivrednik, krećući se kroz svoja polja, može raditi s točnošću do 5-10 centimetara (sustavi podrške za snimanje daju točnost od 1-2 centimetra). Takvo precizno pozicioniranje pruža se kao usluga i zahtijeva dodatne naknade koje se plaćaju izravno za isporuku podataka sustava.
Usluga se temelji na Differential Global Positioning System (DGPS) i svodi se na korištenje baznog prijemnika koji se nalazi na određenoj lokaciji. Prijemnik na automobilu, osim satelitskog signala, prima i korekcije od prijamnika stacionarne baze.
Omnistar je neovisna tvrtka i njegovi odašiljači mogu se kupiti za različite strojeve, dok je sustav StarFire od proizvođača poljoprivredne opreme John Deere, koji nudi ugrađene ili vanjske sustave koji su točni do ±3 cm i rade s GPS-om i GLONASS-om.
Kako radi GPS?
U ovom odjeljku opisat ćemo rad GPS-a koristeći originalnu, odnosno američku verziju jer o njoj trenutno imamo najviše dostupnih podataka. Drugi rade slično.
Konstelacija GPS satelita
Za pravilan rad diljem svijeta potrebna je prilično gusta mreža satelita. U slučaju konstelacije od 24 satelita, možemo biti sigurni da smo u bilo kojem trenutku i na bilo kojoj točki na Zemlji unutar dometa njih četiri. Amerikanci su općenito obećali da će najmanje 24 biti dostupna 95% vremena. Trenutno sustav podržava 31 satelit. Zemlja je podijeljena na 6 jednakih zona, po kojima se kreću sateliti, a svaka od njih ima 4 polja za pokrivanje.
U lipnju 2011. godine lansirana je modifikacija nazvana Expendable 24. Tri od 24 satelita, a time i polja koja kontroliraju, pojačana su dodatnim satelitom kako bi se postiglo brže prikupljanje signala i bolja točnost u teškim terenskim uvjetima. Došlo je i do nekih promjena kako bi cijela mreža od 27 satelita bila što učinkovitija.
GPS sateliti kreću se u predvidljivoj MEO (Mean Earth Orbit) orbiti na visini od približno 20 200 km, tako da uvijek znate gdje se nalaze. Osim toga, njihov se položaj provjerava pomoću radioteleskopa. Zemaljska kontrolna mreža sastoji se od glavnog kontrolnog centra, rezervnog kontrolnog centra, 11 zapovjedno-kontrolnih antena i 16 promatračkih postaja, tako da je položaj satelita uvijek poznat. Jedna rotacija svakog satelita oko Zemlje traje 12 sati.
Kako to sve funkcionira u praksi?
Satelit u orbiti stalno odašilje radio signale koje hvata naša oprema koja ima odgovarajuće prijemnike. Svaki satelit javlja svoju poziciju i vrijeme prijenosa. Znajući dodatno koliko brzo radio valovi putuju, možemo izračunati udaljenost od ovog satelita. Ako dobijemo dodatne podatke s još tri satelita i preuzmemo podatke s četiri odjednom, uređaj će izračunati našu lokaciju na sjecištu podataka koji dolaze sa svih satelita.
Kako bi stvari radile glatko i točno, potrebna su nam točna mjerenja vremena slanja signala. Kako je to postignuto? Svaki od satelita nosi atomski sat - najprecizniji kronometar koji je čovjek ikada izumio. Kolika je točnost takvog sata? Vrijeme se mjeri do najbližeg milijuntog dijela sekunde!
Prijemni uređaj koristi sve te podatke kako bi učinkovito izračunao našu poziciju. Ali cijeli sustav također mora uzeti u obzir pitanja poput posebne teorije relativnosti, koju je napisao gospodin nadaleko poznat kao Albert Einstein. Što je objekt dalje od izvora gravitacije, vrijeme na njemu brže prolazi, pa je potrebno preračunati na svakom satelitu. Ukratko, sve je to prilično komplicirano, ali na sreću mi već godinama koristimo ovaj sustav i ustanovili smo da radi, i to prilično dobro.
Naravno, normalan rad sustava zahtijeva sudjelovanje visokokvalificiranog osoblja čija se obučenost može usporediti s Centrima za upravljanje svemirskim letovima.
GPS: milijarde troškova programa
Nakon lansiranja u orbitu, satelit tamo neće raditi zauvijek. Starije verzije imaju životni ciklus od 7,5 godina, novije verzije 12 godina, a očekuje se da će najnoviji GPS III/IIIF sustav ostati u orbiti 15 godina (podaci za američku verziju sustava). Nakon tog vremena aparat se mora zamijeniti, pa se u sterilnim uvjetima mora izgraditi novi uzorak i tek tada ovo umjetničko djelo može otići u orbitu.
Osim opreme u svemiru, postoji i nadzorna oprema na zemlji te visoko obučeno osoblje zaduženo za upravljanje sustavom. Rad na poboljšanju zemaljske komponente također je u tijeku, s glavnim fokusom sada na novom operativnom upravljačkom sustavu (OCX) sljedeće generacije i srodnim podsustavima. Promjene se uvode postupno, kako se ne bi narušio rad cjelokupnog GPS sustava.
Oko 1,7 milijardi USD (fiskalna godina 2020.) potrošeno je za podršku cijelom sustavu. Za fiskalnu 2021. programeri su od američkog Kongresa zatražili 1,8 milijardi dolara za troškove održavanja GPS sustava. Dakle, uz takve iznose, samo najveće zemlje mogu priuštiti održavanje autonomnog sustava, a ostale moraju koristiti postojeće. Kako raste trošak programa, možemo samo reći da je 2012. godine iznosio 750 milijuna dolara (inflaciju, metodologiju izračuna i njezinu razinu ovdje niti ne uzimamo u obzir).
Je li lako blokirati GPS?
Zlatni dani GPS sustava u oružanim snagama polako odlaze u zaborav. Prigušivanje i ometanje satelitskih signala postaje sve češće, a kao rezultat toga, precizno oružje koje se temelji samo na podacima iz svemira više nije tako učinkovito kao što je nekad bilo. Problem ne utječe samo na samo oružje, već i na zrakoplove, brodove, kopnena vozila i sve druge uređaje koji su opremljeni GPS prijamnikom.
Više smo puta vidjeli primjere blokiranja GPS signala na "vrućim" točkama na Zemlji. Dešavalo se da ogromni brodovi u luci ili ploveći, na primjer, Crnim morem, odjednom nestanu s karata i pojave se na njima 30 kilometara dalje, a to se povezuje s djelovanjem Rusa u ovoj regiji. Nastavljajući ovu temu, treba reći da se slične mjere često održavaju u Siriji kako bi se osiguralo djelovanje ruskih baza u regiji. Čak i Izrael pati od ovakvih smetnji, gdje GPS ponekad lošije radi, a to je ozbiljan problem, primjerice za civilni zračni promet.
Ometanje GPS signala nije posebno teško. Radio odašiljač odgovarajuće snage i frekvencije postavljen u blizini zaštićenog cilja sprječava GPS prijamnike da prime točne podatke. Proizvođači satelita pokušavaju se boriti protiv toga razvijajući sve više signala otpornih na smetnje, koji su opremljeni najnovijim verzijama opreme. No, ovo je igra mačke i miša, a prednost je na strani razarača. Oni mogu brže odgovoriti na promjene uz niže troškove i veće mogućnosti. Uostalom, sateliti se ne mijenjaju u tjedan dana.
Osim u podmukle svrhe, GPS metode blokiranja koriste se i za zaštitu šefova država. Nije iznenađujuće da Rusi posebno vole takve alate. To se posebno odnosi na Putinovo kretanje, koje se toliko trude sakriti da u regiji u kojoj se on nalazi možda neko vrijeme uopće ne rade svi navigacijski sustavi. Rusi maksimalno štite rutu putovanja svog predsjednika, pa blokiranjem navigacijskih sustava pokušavaju, barem djelomično, isključiti napad dronovima.
Unatoč gore navedenim problemima i nedostacima, ne treba očekivati da će vojska napustiti GPS sustav. Naprotiv, pojačat će se borba protiv sustava za ometanje, a opremi i naoružanju će se dodati dodatni sustavi koji će spriječiti ometanje GPS signala.
Inercijalna navigacija nastavit će se poboljšavati, a precizno oružje uvijek će u rezervi imati drugu, jednako učinkovitu metodu ciljanja. Trenutno se intenzivno radi na takvim rješenjima. Govori se o slikovnoj navigaciji, astronavigaciji (vraćanje u prošlost?) i navigaciji magnetskim anomalijama. Visoka tehnologija! Dakle, čeka nas još puno toga zanimljivog.
Satelitska navigacija za civilne potrebe
Ali prosječnog korisnika baš i ne zanima što tamo ima vojska. Želimo da nam GPS pomogne da odredimo svoju lokaciju tako da navigator ispravno postavljena ruta planinarenja u planinama ili jutarnje trčanje ili tijekom putovanja automobilom. Sada je teško zamisliti život moderne osobe bez ovih pogodnosti.
Načelno možemo reći da čak i ako ne koristimo GPS izravno, odnosno ne uključimo sami prijemnik, možemo ga koristiti. Sustav radi samostalno, postao je poznat, zgodan i neophodan dio našeg života.
Pročitajte također: