Šta je GPS? Zašto nam treba? Koja je razlika između različitih navigacijskih sistema? O svemu ćemo pričati u ovom članku.
GPS nam se trenutno čini kao svakodnevna, poznata stvar za koju su svi čuli i većina ih koristi u svakodnevnom životu. Ovo je jedan od alata koje koristimo u našim uređajima. Pritom, ni ne razmišljamo o tome kako funkcionira, odakle je, koliko je vremena, truda i novca trebalo uložiti u stvaranje ovog sistema. Danas prijemnici GPS signala nemaju samo navigatori, telefone, pametne telefone, tablete, automobile, ali čak i fitnes narukvice i "pametne" satove, njihovi podaci se koriste u industriji, amaterskom i profesionalnom sportu, reliju i trkama, i naravno u vojnoj industriji. Pogledajmo bliže različite navigacijske sisteme.
Šta je satelitska navigacija?
Satelitska navigacija, ili Globalni navigacioni satelitski sistem, je sistem satelita koji prenosi podatke o globalnom pozicioniranju i preciznom vremenu. Za prenos informacija koriste se radio talasi određenih frekvencija. Nakon što primi takve podatke, prijemnik ih izračunava i prikazuje koordinate naše lokacije, odnosno geografsku dužinu, širinu i nadmorsku visinu.
Pored osnovnih sistema (GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo), postoje i pomoćni sistemi u svemiru. To su takozvani sistemi satelitske korekcije (SBAS), kao što su Global Omnistar i StarFire, koji se koriste u poljoprivredi.
Iznad nas su i regionalni sistemi podrške kao što su WAAS u SAD-u, EGNOS u EU, MSAC u Japanu i GAGAN u Indiji, koji se brinu za preciziranje podataka u manjim dijelovima svijeta. Sve to podržavaju zemaljske komponente, o kojima ćemo kasnije. U sistemu postoji mnogo definicija, ali nećemo ulaziti u detalje.
Pročitajte također: Najvažnije i najzanimljivije svemirske misije u 2021
Vrste satelitske navigacije
GPS nije jedini trenutno dostupan satelitski navigacijski sistem. Iznad naših glava leti nekoliko vrsta satelita, odgovornih za geo-pozicioniranje uređaja koje držimo u džepovima, nosimo na zapešćima ili koristimo u navigatorima. Zašto postoji više sistema, a ne jedan? Siguran sam da je ovo pitanje postavila većina prosječnih korisnika. Činjenica je da je u početku GPS sistem kreiran za vojne potrebe, a vojska i dalje ima kontrolu nad njim. To znači da oni kontroliraju pozicioniranje svih i svugdje u svijetu. Naravno, mnogima se ova pozicija nije dopala, ne samo protivnicima, već i prijateljima. Stoga su ozbiljni svjetski igrači odlučili razviti svoje navigacijske sisteme kako bi njihova vojska imala kontrolu nad njima. Ubrzo su se u svijetu pojavili GPS analozi koji su se međusobno takmičili za titulu najboljih i najpreciznijih na tržištu. Za nas, obične korisnike, ovo je samo prednost. Dakle, hajde da se pozabavimo svakim sistemom posebno.
Američki GPS
Ovo je prvi navigacijski sistem koji najčešće koristimo. Kada razmišljamo o satelitskoj navigaciji, obično koristimo termin GPS. Američki sistem se prvobitno zvao NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System, ili skraćeno NAVSTAR-GPS.
GPS je u rukama američke vojske, odnosno američkih svemirskih snaga. Sve uređaje provjerava da li ispravno rade od strane Space Delta 8, koji se nalazi u bazi Shriver Air Force Base u blizini Colorado Springsa i djeluje kao dio GPS sjedišta.
Civilne aplikacije su samo mali dodatak vojnim aplikacijama, za koje su izgled i najveća preciznost pozicioniranja prioritet. Civilni korisnici dobijaju donekle skraćenu verziju, ali je i dalje dovoljno dobra. Ne treba nam tačnost od nekoliko desetina centimetara da bismo vozili ili trčali, ali je potrebna sve veća tačnost, na primjer, u navigaciji, u kartografiji, u poljoprivredi za praćenje polja, u transportnim kompanijama za praćenje vozila i u mnoge druge oblasti. Stoga ne čudi što se GPS sistem stalno mijenja, vrši se optimizacija satelita.
Tokom svog korišćenja sistem je pretrpeo promene i još se modernizuje, s vremena na vreme se u mrežu uvode sateliti sa većim mogućnostima, a stari koji su ranije korišćeni vremenom se uništavaju. Većina ih sagorijeva u atmosferi, a ponekad krhotine potonu u Tihi ocean.
Potpuna spremnost GPS sistema postignuta je 1993. godine, kada je potreban broj satelita pušten u orbitu. Ali još 1983. godine, administracija Ronalda Regana odobrila je dozvolu za civilnu upotrebu sistema. To se dogodilo nakon što je SSSR oborio korejski civilni avion koji je greškom narušio sovjetski vazdušni prostor. Međutim, u početku je tačnost sistema za civilno stanovništvo bila ograničena na 100 metara. Ali i to je u to vrijeme bilo dovoljno da se izbjegnu dalje katastrofe.
Rad GPS sistema iz svemira dodatno je podržan od strane WAAS (Wide Area Augmentation System) satelita, što omogućava neophodnu korekciju podataka za povećanje tačnosti sistema. Oni se nalaze u Sjevernoj Americi (i dijelom u Južnoj Americi) i pod brigom su FAA (Federalne uprave za avijaciju). WAAS je namijenjen za podršku civilnim aplikacijama za satelitsku navigaciju.
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 otprilike 19 kilometara iznad zemlje, a orbita satelita traje 100 sati i 11 minuta. Testiranje sistema počelo je 15. godine, odnosno još u SSSR-u. Zaista je nastao kao odgovor na američka dešavanja, kod nas poznatija kao "Ratovi zvijezda". Sovjetski Savez ni u čemu nije želio da popusti pred SAD, ali su "Perestrojka, glasnost, ubrzanje" odradili svoj posao. Radovi su uglavnom obustavljeni zbog nedostatka sredstava. Iako, kako se kasnije ispostavilo, nije sve bilo zatvoreno. Za Amerikance je zaista bilo iznenađenje kada je 1982. godine zvanično objavljeno da je GLONASS sistem spreman za rad. Godine 1993. Rusi su uspjeli da u orbitu izbace čitavu konstelaciju od 1995 satelita.
Ali nije sve bilo tako dobro od početka. Jeljcinovo doba devedesetih je takođe uticalo na svemirske programe. Nije bilo sredstava, niko nije bio zainteresovan za svemir i satelitsku navigaciju. Kao rezultat toga, 2002. godine samo 7 satelita je još uvijek bilo u funkciji. Međutim, Rusi su se bacili na posao i, u okviru programa oporavka 2002-2011, pustili u rad poboljšane satelite GLONASS-K, kao i prateće moderne sisteme zemaljske kontrole.
U narednoj fazi modernizacije, 2012-2020, glavna pažnja je posvećena poboljšanju svojstava PNT-a (pozicioniranje, navigacija i sinhronizacija) u cilju povećanja sigurnosti države i sposobnosti njenih odbrambenih i civilnih sistema. Trenutno se radi na sljedećoj generaciji satelita, poznatoj kao GLONASS-K2.
kineski BeiDou
Kina je počela da razvija satelitski navigacioni sistem krajem 2000. veka. 1. godine uspjeli su zatvoriti prvu fazu razvoja BDS-1, poznatijeg kao navigacijski satelitski sistem BeiDou-2. U okviru ovog projekta, Kina i najbliže strane zemlje su dobile sisteme za pozicioniranje. Sljedeći korak bio je BDS-2020 sa satelitskom mrežom koja je pružala pokrivenost u azijsko-pacifičkom regionu. 3. godine, kao dio projekta BDS-XNUMX, BeiDou sistem je postao operativan širom svijeta.
Trenutno je u orbiti 35 satelita, a ukupno je program već izveo 59 lansiranja s korisnim opterećenjem koje je u orbitu stavilo sljedeće generacije BeiDou sistema. Prema kineskim vlastima, više od 400 agencija i 300 naučnika i tehničara učestvovalo je u kreiranju BDS-000 programa. Za podršku najnovije konstelacije satelita, kreirano je više od 3 zemaljskih stanica za praćenje ispravnog rada sistema. Globalna dostupnost sistema procjenjuje se na 40%, a za ključnu azijsko-pacifičku regiju je još veća, odnosno tamo radi gotovo savršeno. Takođe, Kinezi su uložili mnogo napora da poboljšaju tačnost sistema.
BeiDou takođe dozvoljava kratke tekstualne poruke do 14 bita (000 kineskih znakova). Ova vrijednost može uključivati i fotografije ili zvučne snimke.
Kao i kod drugih razvoja satelitskih navigacionih sistema, lokalni korisnici plaćaju uslugu, ali rezultati su zaista impresivni.
Pročitajte također: Kina je takođe željna istraživanja svemira. Pa kako im ide?
European Galileo
Koja je najveća prednost Galileo sistema? Za razliku od GPS-a i GLONASS-a, on ostaje u civilnim rukama i ne pripada nijednoj određenoj vladi, kao što je slučaj u komunističkoj Kini. Sistem je izgrađen isključivo imajući u vidu civilno tržište, te stoga potrebe stanovništva u konačnici utiču na njegov razvoj. Doduše, Galileo je dašak svježeg zraka među militariziranim sistemima pozicioniranja. Do sada je program Galileo završio 28 lansiranja i stavio 30 satelita u orbitu. Trenutno sistem koristi punu konstelaciju satelita, ali nisu svi uređaji uvijek dostupni, a neki od njih i dalje čekaju svoj red u skladištima.
Segment zemaljskog opsluživanja nalazi se u dva centra - Oberpfaffenhofen u Njemačkoj i Fucino u Italiji. Osim toga, sistem uključuje svjetsku mrežu senzora za praćenje, mjernih i stanica za prijenos podataka.
Zbog činjenice da su orbite svih ovih sistema sve zasićenije, Galileo sateliti se nalaze nešto više, na visini od 23 kilometra (najniži je GLONASS, zatim GPS, kineski BeiDou i na vrhu Galileove piramide ). Potrebno je otprilike 222 sati da svaki satelit u potpunosti kruži oko Zemlje. Za većinu mjesta na Zemlji, 14 do 6 Galileo satelita je dostupno u svakom trenutku, što znači vrlo visoku preciznost, koja se u većini situacija mjeri u centimetrima, a ne u metrima.
Galileo je kompatibilan sa GPS sistemom koji dodatno poboljšava tačnost mjerenja, a njegov rad podržava i EGNOS sistem (European Geostational Navigation Service), koji se sastoji od zemaljskih komponenti i satelita odgovornih za poboljšanje rada i tačnosti satelitskih navigacijskih sistema. .
japanski MICHIBIKI (Michibiki)
Kako bi osigurao tačnost navigacije na vlastitoj teritoriji, Japan je stvorio malu konstelaciju satelita nazvanu Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) ili Michibiki. U planinskim ili izrazito urbaniziranim područjima, sam GPS često nije dovoljan zbog previše prepreka. 4 satelita u funkciji od novembra 2018. otklanjaju ovaj problem. Tri od njih su i dalje u regionu Azije i Okeanije. U 2024. planirano je dostizanje satelitske konstelacije koja se sastoji od 7 jedinica. Ovo će dodatno poboljšati ukupnu efikasnost sistema i učiniti ga nezavisnim od GPS-a. Time će Japan osigurati punu autonomiju na svojoj teritoriji.
Uprkos svojoj maloj veličini u odnosu na druge sisteme, QZSS ispunjava sva očekivanja japanske populacije, a dodatno podržava transport u svim onim zemljama koje se nalaze na meridijanima koji prolaze kroz teritoriju Japana.
Osim toga, Japan također ima GPS/Michibiki precizan sistem podrške koji se zove MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS). Sastoji se od 2 satelita, koji, između ostalog, daju podatke o vremenu.
NavIC (NAVigation with Indian Constellation) je indijski analog GPS-a, koji se također naziva Indijski regionalni navigacijski satelitski sistem (IRNSS). Sistem će, nakon što dostigne sve svoje mogućnosti, po svom radu biti sličan japanskom. Trenutno je u orbiti 7 satelita koji omogućavaju pozicioniranje u Indiji i na udaljenosti do 1500 kilometara od granica zemlje. Sistem ne zavisi od GPS-a.
NavIC podržava GAGAN (Geosinhroni prošireni navigacijski sistem sa GPS-om), koji se sastoji od tri dodatna satelita i zemaljske infrastrukture. Uvođenjem u upotrebu, jaz između EGNOS i MSAS sistema je premošćen, čime se dodatno povećava nivo sigurnosti civilnog vazduhoplovstva.
Globalni sistemi pomoći
Opisujući pojedinačne sisteme, spomenuli smo i regionalne sisteme podrške. Međutim, rad satelitske navigacije izvan regionalnih granica također može podržati globalne sisteme pomoći. Trenutno se mogu razlikovati dva od njih. To su Omnistar i StarFire. I jedan i drugi imaju podršku za satelitsku navigaciju, koja se najviše koristi za potrebe moderne precizne poljoprivrede. Njihova upotreba zahtijeva posebne prijemnike, zahvaljujući kojima poljoprivrednik, krećući se kroz svoja polja, može raditi s preciznošću do 5-10 centimetara (sistemi za podršku zapisima daju tačnost od 1-2 centimetra). Takvo precizno pozicioniranje se pruža kao usluga i zahtijeva dodatne naknade koje se plaćaju direktno za isporuku sistemskih podataka.
Usluga je bazirana na Diferencijalnom sistemu globalnog pozicioniranja (DGPS) i svodi se na korištenje osnovnog prijemnika koji se nalazi na određenoj lokaciji. Prijemnik na automobilu, osim satelitskog signala, prima i korekcije od stacionarnog baznog prijemnika.
Omnistar je nezavisna kompanija i njeni odašiljači se mogu kupiti za razne mašine, dok je sistem StarFire od proizvođača poljoprivredne opreme John Deere, koji nudi ugrađene ili eksterne sisteme koji su tačni do ±3cm i rade sa GPS-om i GLONASS-om.
Kako funkcionira GPS?
U ovom dijelu ćemo opisati rad GPS-a koristeći originalnu, odnosno američku verziju, jer trenutno imamo najviše dostupnih podataka o njemu. Drugi rade slično.
Konstelacija GPS satelita
Za pravilan rad širom svijeta neophodna je prilično gusta mreža satelita. U slučaju konstelacije od 24 satelita, možemo biti sigurni da smo u bilo koje vrijeme iu bilo kojoj tački na Zemlji u dometu od njih četiri. Amerikanci su generalno obećavali da će najmanje 24 biti na raspolaganju u 95% vremena. Trenutno sistem podržava 31 satelit. Zemlja je podijeljena na 6 jednakih zona kroz koje se kreću sateliti, a svaka od njih ima 4 polja za pokrivanje.
U junu 2011. lansirana je modifikacija pod nazivom Expendable 24. Tri od 24 satelita, a samim tim i polja koja kontrolišu, pojačani su dodatnim satelitom kako bi se postiglo brže hvatanje signala i bolja preciznost u teškim terenskim uslovima. Došlo je i do nekih promjena kako bi cijela mreža od 27 satelita bila što efikasnija.
GPS sateliti se kreću u predvidivoj orbiti MEO (Mean Earth Orbit) na visini od približno 20 km, tako da uvijek znate gdje se nalaze. Osim toga, njihov položaj se provjerava pomoću radio teleskopa. Mrežu zemaljske kontrolne mreže čine glavni kontrolni centar, rezervni kontrolni centar, 200 komandno-kontrolnih antena i 11 osmatračkih stanica, tako da je pozicija satelita uvijek poznata. Jedna rotacija svakog satelita oko Zemlje traje 16 sati.
Kako sve to funkcionira u praksi?
Satelit u orbiti neprestano emituje radio signale koje hvata naša oprema koja ima odgovarajuće prijemnike. Svaki satelit javlja svoju poziciju i vrijeme prijenosa. Znajući dodatno koliko brzo putuju radio valovi, možemo izračunati udaljenost od ovog satelita. Ako primimo dodatne podatke sa još tri satelita i preuzmemo podatke sa četiri odjednom, uređaj će izračunati našu lokaciju na raskrižju podataka koji dolaze sa svih satelita.
Da bi stvari funkcionisale glatko i precizno, i dalje su nam potrebna tačna merenja vremena slanja signala. Kako je to postignuto? Svaki od satelita nosi atomski sat - najprecizniji hronometar koji je čovjek ikada izmislio. Kolika je tačnost takvog sata? Vrijeme se mjeri do najbližeg milionitog dijela sekunde!
Prijemni uređaj koristi sve ove podatke kako bi efikasno izračunao našu poziciju. Ali cijeli sistem također mora uzeti u obzir pitanja poput posebne teorije relativnosti, koju je napisao gospodin nadaleko poznat kao Albert Ajnštajn. Što je objekt udaljeniji od izvora gravitacije, vrijeme mu brže prolazi, pa je potrebno izvršiti preračunavanje na svakom satelitu. Ukratko, sve je prilično komplikovano, ali na sreću mi koristimo ovaj sistem već godinama i otkrili smo da radi, i to prilično dobro.
Naravno, za normalan rad sistema potrebno je učešće visokokvalifikovanog osoblja, čija se obučenost može uporediti sa nivoom obučenosti centara za upravljanje svemirskim letovima.
GPS: milijarde u troškovima 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 sistem ostati u orbiti 15 godina (podaci za američku verziju sistema). Nakon ovog vremena aparat mora biti zamijenjen, pa se mora napraviti novi uzorak u sterilnim uslovima, pa tek onda ovo umjetničko djelo može ići u orbitu.
Pored opreme u svemiru, postoji i oprema za nadzor na zemlji i visoko obučeno osoblje zaduženo za kontrolu sistema. Rad na poboljšanju zemaljske komponente je takođe u toku, sa velikim fokusom sada na novu sledeću generaciju Operativnog Kontrolnog Sistema (OCX) i srodne podsisteme. Promjene se uvode postepeno, kako se ne bi poremetio rad cijelog GPS sistema.
Oko 1,7 milijardi dolara (2020. fiskalna godina) potrošeno je za podršku čitavom sistemu. Za fiskalnu 2021. godinu, programeri su tražili od američkog Kongresa 1,8 milijardi dolara za troškove održavanja GPS sistema. Dakle, s obzirom na tolike sume, samo najveće zemlje mogu sebi priuštiti održavanje autonomnog sistema, a ostale moraju koristiti postojeće. Da pokažemo kako cena programa raste, možemo samo reći da je u 2012. godini iznosila 750 miliona dolara (ovde ne uzimamo u obzir inflaciju, metodologiju obračuna i njen nivo).
Da li je lako blokirati GPS?
Zlatni dani GPS sistema u oružanim snagama polako se zaboravljaju. Slabljenje i ometanje satelitskih signala sve je češće, a kao rezultat toga, precizno oružje zasnovano isključivo na svemirskim podacima više nije tako efikasno kao što je nekada bilo. Problem ne pogađa samo samo oružje, već i avione, brodove, kopnena vozila i bilo koji drugi uređaj koji je opremljen GPS prijemnikom.
Više puta smo vidjeli primjere blokiranja GPS signala na "vrućim" tačkama na Zemlji. Dešavalo se da su ogromni brodovi u luci ili plovi, na primjer, Crnim morem, iznenada nestali sa mapa i pojavili se na njima 30 kilometara dalje, a to je povezano s djelovanjem Rusa u ovoj regiji. Nastavljajući ovu temu, treba reći da se slične mjere često provode u Siriji kako bi se osiguralo djelovanje ruskih baza u regiji. Čak i Izrael pati od ove vrste smetnji, gdje GPS ponekad radi lošije, a to je ozbiljan problem, na primjer za civilni zračni saobraćaj.
Ometanje GPS signala nije posebno teško. Radio odašiljač odgovarajuće snage i frekvencije postavljen u blizini zaštićene mete sprečava GPS prijemnike da prime ispravne podatke. Proizvođači satelita pokušavaju da se bore protiv ovoga tako što razvijaju signale koji su sve otporniji na smetnje, koji su opremljeni najnovijim verzijama opreme. Međutim, ovo je igra mačke i miša, a prednost je na strani razarača. Oni mogu brže reagirati na promjene uz niže troškove i veće mogućnosti. Uostalom, sateliti se ne mijenjaju za tjedan dana.
Uz podmukle svrhe, metode blokiranja GPS-a 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 da sakriju da u regionu u kojem se on nalazi možda neko vrijeme uopšte neće raditi svi sistemi za navigaciju. Rusi maksimalno štite put svog predsjednika, pa blokiranjem navigacijskih sistema pokušavaju, barem djelimično, isključiti napad dronom.
Uprkos gore navedenim problemima i nedostacima, ne treba očekivati da će vojska napustiti GPS sistem. Naprotiv, bit će pojačana borba protiv sistema ometanja, a opremi i oružju će biti dodani dodatni sistemi koji će spriječiti ometanje GPS signala.
Inercijalna navigacija će se i dalje usavršavati, a precizno oružje će uvijek imati u rezervi još jedan, jednako efikasan metod nišana. Trenutno se intenzivno radi na ovakvim rješenjima. Govori se o navigaciji slikama, astronavigaciji (vraćanje u prošlost?) i navigaciji magnetnih anomalija. Visoka tehnologija! Stoga nas čeka još puno zanimljivih stvari.
Satelitska navigacija za civilne svrhe
Ali prosječnog korisnika ne zanima mnogo šta vojska tamo ima. Želimo da nam GPS pomogne da odredimo našu lokaciju kako bismo to učinili navigator pravilno postavljena ruta planinarenja ili jutarnjeg trčanja ili tokom putovanja automobilom. Sada je teško zamisliti život moderne osobe bez ovih pogodnosti.
U principu, možemo reći da čak i ako ne koristimo GPS direktno, odnosno ne uključimo sami prijemnik, ipak ga možemo koristiti. Sistem radi samostalno, postao je poznat, zgodan i neophodan dio našeg života.
Pročitajte također: