GPS atsiradimo istorija
Kur aš esu? Klausimas atrodo nesudėtingas; atsakymas, kaip įrodo istorija, nebuvo paprastas. Per amžius jūrininkai ir keliautojai stebėjo dangų ir ieškojo sistemos, kuri leistu jiems nustatyti jų buvimo vieta tikslumu, leidžiančiu išvengti tragedijos ir pasiekti užsibrėžtą tikslą.
Atsakymas į klausimą tapo toks pat paprastas tik praeito amžiaus antroje pusėje. JAV karinio laivyno navigacijos sistema TRANSIT startavo šešto dešimtmečio pabaigoje ir pilnai pradėjo funkcionuoti septinto dešimtmečio viduryje. Ši sistema turėjo tiekti tikslius navigacijos duomenis raketiniams povandeniniams laivams. Skaičiavimai buvo paremti Doplerio efektu. Bet iki aštunto dešimtmečio vidurio dar nebuvo galima pakankamai tiksliai nustatyti koordinates. TRANSIT sistemą sudarė šeši palydovai, skriejantys 1075 km aukštyje. Palydovo orbitos įveikimo periodas buvo 107 minutes. Prie palankiausių sąlygų šios sistemos tikslumas siekė nuo 35 iki 100 metrų. Pagrindinė problema buvo palydovų neapglėbiami žemės paviršiaus plotai. Tokiu atveju vartotojas turėjo interpoliuoti savo poziciją. TRANSIT projekto sėkmė stimuliavo amerikiečių karinio jūrų ir oro laivynus tirti ir kurti kitas, tobulesnes navigacijos sistemas su geresnėmis galimybėmis. Galiausiai, 1996 metais buvo atsisakyta TRANSIT navigacinės sistemos.
Globali vietos nustatymo sistema (GPS – Global Positioning System) buvo pradedama kurti Jungtinių Valstijų Gynybos Departamento dar 1973 metais, siekiant tikslios navigacijos galimybių. Iš pradžių ji buvo vadinama NAVSTAR (Navigation System with Timing and Ranging) ir taip pat buvo naudojama tik kariniais tikslais. Šioje sistemoje 24 Žemės palydovai skrieja šešiomis orbitomis apytiksliai 20000 km aukštyje nuo Žemės centro ir užtikrina pilna mūsų planetos paviršiaus padengima. Orbitą palydovas įveikia du kartus per 24 valandas. Skriedamas jis pastoviai siunčia radijo signalus su informacija, kada tas signalas buvo išsiustas ir kitais navigaciniais duomenimis. Navigacijos tikslumą užtikrina palydovuose esantys atominiai laikrodžiai. Kiekvienas palydovas turi du cezio ir du rubidžio laikrodžius, kurie užtikrina tikslumą iki nanosekundžių. Žinant elektromagnetinių bangų sklidimo greitį, nesunkiai galima suskaičiuoti, kad kiekviena nanosekundė atitinka 30 cm atstumą. Palydovų plejada buvo išdėstyta taip, kad iš bet kurio Žemės paviršiaus taško būtų matomi mažiausiai 4 palydovai. GPS imtuvas, esantis automobilyje, lėktuve, laive ar bet kurioje kitoje transporto priemonėje, priima informaciją iš mažiausiai trijų palydovų ir, atlikdamas reikalingus skaičiavimus, nustato tikslią savo poziciją Žemės paviršiuje. Tam, kad nustatyti poziciją trimatėje erdvėje, reikia priimti signalus bent iš keturių palydovų. Ši sistema pilnai buvo įdiegta jau 1993 metais ir jos realizavimas pareikalavo daugiau nei 15 milijonų JAV dolerių.
Pabandykime smulkiau panagrinėti GPS veikimo principus. Sistemą sudaro:
- dirbtinių Žemės palydovų plejada (kosminis segmentas);
- antžeminių sekimo ir valdymo stočių tinklas (valdymo segmentas);
- GPS imtuvas (vartotojo aparatinės priemonės).
Kosminis segmentas
Jį sudaro 26 palydovai (21 pagrindinis ir 5 papildomi), nors kiti šaltiniai teigia, kad net 28, beskriejantys aplink planetą šešiomis orbitomis. Orbitų plokštumos pasvirusios 55° nuo ekvatoriaus plokštumos ir perstumtos viena kitos atžvilgiu 60° pagal ilgumą.
Orbitų spindulys apie 26 tūkst. km., o apsisukimo periodas – pusė paros (apytiksliai 11 val. 58 min.). Kaip jau minėjome, palydove sumontuoti keturi atominiai laikrodžiai, arba kitaip sakant, keturi dažnių standartai, taip pat saulės baterija, orbitų koregavimo varikliai, priėmimo perdavimo aparatūra, kompiuteriai.
Palydovo siųstuvai skleidžia dviejų nešančiųjų dažnių signalus: L1=1575,42 MHz ir L2=1227,6 MHz.
Prieš tai šie signalai moduliuojami taip vadinamais pseudoatsitiktinėmis skaičių sekomis (tiksliau ši procedūra vadinama fazine manipuliacija). Reikia pastebėti, kad L1 dažnis moduliuojamas dvejais kodais: C/A (angl. Coarse Acquisition – grubus kodas) kodu (dar vadinamas laisvo priėjimo kodu) ir P kodu (angl. Protected arba Precision code – sankcionuoto priėjimo kodu), o dažnis L2 tik P (Protected arba Precision code) kodu. Negana to, abi nešančiosios papildomai koduojamos navigaciniu pranešimu, kuriame yra duomenys apie palydovų orbitas dar vadinami almanachu, informacija apie atmosferos parametrus, sisteminio laiko ir orbitų korekcijos duomenys – efemeridės (angl. Ephemeris). Almanachas apima visų palydovų orbitų parametrus. Jo duomenys nepasižymi dideliu tikslumu ir galioja tik kelis mėnesius. Tuo tarpu, efemeridės apima labai tikslius kiekvieno palydovo orbitų ir laiko korekcijos duomenis, nes tai reikalinga tiksliam jo koordinačių nustatymui. Kiekvienas GPS palydovas perduoda tik savo nuosavos efemeridės duomenis. Šie duomenys galioja tik 30 minučių. Palydovai siunčia savo efemerides kas 30 sekundžių.
Signalų kodavimas padeda sinchronizuoti palydovų ir GPS imtuvų laikus, sudaro aparatūrai palankiausias sąlygas atskirti signalą iš triukšmų, realizuoja riboto priėjimo prie GPS režimą. C/A kodo impulsų dažnis yra 1,023 MHz ir pasikartojimo periodas – 0,001 sekundės, todėl GPS imtuvui jį dekoduoti nėra labai sudėtinga. Bet remiantis šiuo signalu matavimo tikslumas nėra didelis. P kodo impulsų dažnis jau yra 10,23 MHz, o jų pasikartojimo periodas siekia net 7 paras. Be to, kartą į savaitę šis kodas keičiamas visuose palydovuose. Todėl dar visai neseniai šiuo kodu naudotis galėjo tik vartotojai, turintys JAV Gynybos ministerijos leidimą. Šiuo metu atlikti matavimus remiantis šiuo kodu gali kas nori, bet amerikiečių žinybos ėmėsi papildomų priemonių, kad apsaugotų šį kodą; bet kuriuo metu be perspėjimo gali būti įjungiamas AS režimas(angl. Anti Spoofing). Tokiu atveju P kodas papildomai koduojamas ir jis tampa Y kodu. Y kodo iššifravimas galimas tik aparatinėmis priemonėmis, naudojantis specialiomis mikroschemomis (kriptografiniais raktais), kurios įmontuojamos į GPS imtuvą. Be to, siekdami sumažinti GPS imtuvų tikslumą nesankcionuotiems vartotojams (arba karo atveju), yra numatytas taip vadinamas „pasirinktinio priėjimo režimas“ SA (angl. Selective Availability). Įjungus tokį režimą, į navigacinį pranešimą specialiai įterpiami klaidinantys duomenys apie palydovų orbitas ir sisteminio laiko korekcijas, tuo sumažindami pozicijos nustatymo tikslumą net iki 3 kartų.
Kadangi P kodas perduodamas dviem nešančiais dažniais (L1 ir L2), o C/A kodas – tik vienu (L1), GPS imtuvuose, dirbančiuose pagal P kodą, dalinai kompensuojama signalo užlaikymo jonosferoje klaida, kuri priklauso nuo signalo dažnio. Tokiu imtuvų tikslumas visa eile didesnis, negu dirbančių su C/A kodu.
Valdymo segmentas
Jis susideda iš pagrindinės valdymo stoties (Falcon aviacijos bazė, Kolorado valst. JAV), penkių sekimo stočių, išsidėsčiusių taip pat amerikiečių karinėse bazėse įvairiose salose po visą pasaulį ir dar trijų siuntimo stočių. Be to yra visas tinklas valstybinių ir privačių palydovų sekimo stočių, kurios stebi ir tikslina atmosferos ir palydovų judėjimo trajektorijų parametrus. Surenkama informacija apdorojama galingais kompiuteriais ir periodiškai perduodama į palydovus navigacinių pranešimų atnaujinimui ir orbitų koregavimui.
Vartotojų aparatūra
Vartotojo aparatūroje (GPS imtuve) priimamas signalas dekoduojamas, t. y. iš jo išskiriamos C/A ir P kodų sekos ir tarnybinė informacija. Gautas kodas lyginamas su analogišku kodu, kurį generuoja pats GPS imtuvas. Tai leidžia nustatyti signalo sklidimo iš palydovo trukmę ir taip apskaičiuoti pseudoatstumą.
Aptarsime bendrus GPS imtuvų koordinačių nustatymo principus. Pagrindinė idėja, GPS imtuvui nustatant koordinates, yra atstumo skaičiavimas iki kelių palydovų, kurių išsidėstymas iš anksto žinomas (šie duomenys yra gautame iš palydovo almanache).Objekto padėties skaičiavimas pagal atstumus iki taškų su žinomomis koordinatėmis vadinamas trilateracija.
Jeigu žinomas atstumas A nuo vieno palydovo, tai imtuvo koordinačių nustatyti neįmanoma. Jis gali būti bet kuriame sferos su spinduliu A taške. Tegul žinomas atstumas B iki kito palydovo. Tokiu atveju taip pat negalime nustatyti tikslių imtuvo koordinačių, bet galime sakyti, kad jis yra kažkur dviejų sferų susikirtimo apskritime. Atstumas C iki trečio palydovo sumažina neapibrėžtumą iki dviejų taškų. To jau pakaktų nustatant GPS imtuvo koordinates, nes tik vienas iš tų taškų randasi ant Žemės paviršiaus arba arti jo, o antras taškas, melagingas, bus arba gyliai Žemėje, arba labai aukštai virš jos paviršiaus. Taigi, teoriškai trimatei navigacijai užtenka žinoti atstumus tik iki trijų palydovų.
Deja, gyvenime taip nebūna. Aukščiau pateikti svarstymai tinka tik tuomet, jei atstumai iki palydovų žinomi su absoliučiu tikslumu. Suprantama, kaip inžinieriai nesistengtų, visada yra paklaida (netiksli GPS imtuvo ir palydovo laiku sinchronizacija, šviesos greičio priklausomybė nuo atmosferos ir t. t.). Jeigu palydovo ir imtuvo laiko skalės nesutaptu bent 0,001 s, atstumo skaičiavimas turės paklaida net 2993 km. Todėl nustatant imtuvo trimates koordinates, pasitelkiami ne trys dirbtiniai Žemės palydovai, o mažiausiai keturi. Gavęs signalus iš keturių palydovų, imtuvas ieško atitinkamų sferų susikirtimo taško. Jeigu tokio taško nėra, imtuvo procesorius pradeda nuosekliu priartėjimu koreguoti savo laikrodį iki tol, kol nepasieks visų sferų susikirtimo viename taške.
Kitas žymus paklaidos šaltinis yra signalo vėlinimas jonosferoje – tai jonizuotas atmosferos sluoksnis 50 –500 km aukštyje, kuriame yra laisvų elektronų. Šių elektronų buvimas ir iššaukia sklindančių signalų vėlinimą, kurio dydis tiesiogiai proporcingas elektronų koncentracijai ir atvirkščiai proporcingas signalo dažnio kvadratui. Kad kompensuoti šia paklaidą, naudojamas dvidažnių matavimų metodas su dažniais L1 ir L2 (dvidažniuose imtuvuose). Jei palyginsime dviejų skirtingų dažnių GPS signalų sklidimo laikus, galėsime išsiaiškinti, koks buvo vėlinimas. Be to, dalinai šią paklaidą padeda sumažinti analitiniai skaičiavimai ,pasitelkiant informaciją, kuri įtraukta į navigacinį pranešimą. Vis dėlto visko sumodeliuoti negalime, todėl likutinis, nemodeliuojamas jonosferos vėlinimas įneša paklaidą iki 10 m.
Troposfera – žemiausias atmosferos sluoksnis (iki 8–13 km.) – taip pat vėlina palydovų skleidžiamus signalus. Vėlinimo dydis priklauso nuo meteorologinių parametrų (slėgio, temperatūros, drėgmės), o taip pat nuo palydovo aukščio virš horizonto. Troposferinių vėlinimų kompensacija atliekama šio sluoksnio matematinio modelio skaičiavimais. Reikalingi tam koeficientai įtraukiami į navigacinį pranešimą. Dėl troposferos vėlinimo galutinė paklaida, skaičiuojant atstumus, gali sudaryti 1 m.
Toliau skaitykite II straipsnio dalį.
Visą straipsnį galima atsisiųsti suarchyvuotą iš archyvo.
