Mis on GPS? Miks me seda vajame? Mis vahe on erinevatel navigatsioonisüsteemidel? Selles artiklis räägime kõigest.
Praegu tundub GPS meile igapäevane tuttav asi, millest kõik on kuulnud ja mida enamik oma igapäevaelus kasutab. See on üks tööriistu, mida oma seadmetes kasutame. Samas me isegi ei mõtle sellele, kuidas see töötab, kust see tuli, kui palju aega, vaeva ja raha selle süsteemi loomisesse tuli investeerida. Tänapäeval on GPS-signaali vastuvõtjatel mitte ainult navigaatorid, telefonid, nutitelefonid, tahvelarvutid, autod, aga isegi fitness käevõrud ja "nutikad" kellad, nende andmeid kasutatakse tööstuses, amatöör- ja profispordis, rallis ja võidusõidus ning loomulikult sõjatööstuses. Vaatame lähemalt erinevaid navigatsioonisüsteeme.
Mis on satelliitnavigatsioon?
Satelliitnavigatsioon ehk Global Navigation Satellite System on satelliitide süsteem, mis edastab andmeid globaalse positsioneerimise ja täpse aja kohta. Teabe edastamiseks kasutatakse teatud sagedusega raadiolaineid. Pärast selliste andmete saamist arvutab vastuvõtja need välja ja kuvab meie asukoha koordinaadid ehk pikkus-, laius- ja kõrgus merepinnast.
Lisaks põhisüsteemidele (GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo) on kosmoses ka abisüsteeme. Need on põllumajanduses kasutatavad niinimetatud satelliitkorrektsioonisüsteemid (SBAS), nagu Global Omnistar ja StarFire.
Meie kohal on ka piirkondlikud tugisüsteemid, nagu WAAS USA-s, EGNOS EL-is, MSAC Jaapanis ja GAGAN Indias, mis hoolitsevad andmete täpsustamise eest maakera väiksemates piirkondades. Seda kõike toetavad maapealsed komponendid, millest räägime hiljem. Süsteemis on palju definitsioone, kuid me ei hakka detailidesse laskuma.
Loe ka: Kõige olulisemad ja huvitavamad kosmosemissioonid 2021. aastal
Satelliitnavigatsiooni tüübid
GPS ei ole ainus praegu saadaolev satelliitnavigatsioonisüsteem. Meie pea kohal lendavad mitut tüüpi satelliite, mis vastutavad taskus, randmel kantavate või navigaatorites kasutatavate seadmete geopositsioneerimise eest. Miks on mitu süsteemi ja mitte üks? Olen kindel, et seda küsimust küsis enamik tavakasutajaid. Fakt on see, et algselt loodi GPS-süsteem sõjalisteks vajadusteks ja sõjaväel on selle üle endiselt kontroll. See tähendab, et nad kontrollivad kõigi ja kõikjal maailmas positsioneerimist. Muidugi ei meeldinud see positsioon paljudele, mitte ainult vastastele, vaid isegi sõpradele. Seetõttu otsustasid tõsised maailmamängijad arendada oma navigatsioonisüsteeme nii, et nende armeel oleks nende üle kontroll. Peagi ilmusid maailmas GPS-i analoogid, mis võistlesid omavahel turu parima ja täpseima tiitli nimel. Meie, tavakasutajate jaoks on see ainult eelis. Niisiis, proovime käsitleda iga süsteemi eraldi.
Ameerika GPS
See on esimene navigatsioonisüsteem, mida me kõige sagedamini kasutame. Kui mõtleme satelliitnavigatsioonile, kasutame tavaliselt terminit GPS. Ameerika süsteemi kutsuti algselt NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System ehk lühidalt NAVSTAR-GPS.
GPS on USA sõjaväe, õigemini USA kosmosejõudude käes. Kõikide seadmete nõuetekohast toimimist kontrollib Space Delta 8, mis asub Colorado Springsi lähedal Shriveri õhujõudude baasis ja töötab GPS-i peakorteri osana.
Tsiviilrakendused on vaid väike täiendus sõjalistele rakendustele, mille paigutus ja kõrgeim positsioneerimistäpsus on prioriteetsed. Tsiviilkasutajad saavad mõnevõrra kärbitud versiooni, kuid see on siiski piisavalt hea. Me ei vaja autoga sõitmiseks või jooksmiseks mõnekümne sentimeetri täpsust, kuid üha suuremat täpsust on vaja näiteks navigatsioonis, kartograafias, põllumajanduses põldude jälgimiseks, transpordiettevõtetes sõidukite jälgimiseks ja paljudes teistes valdkondades. Seetõttu pole üllatav, et GPS-süsteem muutub pidevalt, toimub satelliitide optimeerimine.
Kasutamise käigus on süsteem läbi teinud muudatusi ja seda veel moderniseeritakse, aeg-ajalt tuuakse võrku suurema võimekusega satelliite ning vanad, mis varem kasutusel olid, aja jooksul hävivad. Enamik neist põleb atmosfääris ära ja mõnikord vajub praht Vaiksesse ookeani.
GPS-süsteemi täielik valmisolek saavutati 1993. aastal, mil orbiidile viidi vajalik arv satelliite. Kuid juba 1983. aastal kiitis Ronald Reagani administratsioon heaks loa süsteemi tsiviilkasutuseks. See juhtus pärast seda, kui NSV Liit tulistas alla Korea tsiviillennuki, mis ekslikult rikkus Nõukogude õhuruumi. Kuid esialgu piirdus süsteemi täpsus tsiviilelanikkonna jaoks 100 meetriga. Kuid isegi sellest piisas toona, et vältida edasisi katastroofe.
GPS-süsteemi tööd kosmosest toetavad täiendavalt WAAS (Wide Area Augmentation System) satelliidid, mis tagab süsteemi täpsuse tõstmiseks vajaliku andmete korrektsiooni. Need asuvad Põhja-Ameerikas (ja osaliselt ka Lõuna-Ameerikas) ja on FAA (Federal Aviation Administration) hoole all. WAAS on mõeldud tsiviilotstarbeliste satelliitnavigatsioonirakenduste toetamiseks.
Vene GLONASS
GLONASS on globaalse satelliitnavigatsioonisüsteemi (Global Navigation Satellite System) lühend, mis töötab sarnaselt Ameerika GPS-iga. GLONASS koosneb 24 aktiivsest satelliidist, mis asuvad umbes 19 100 kilomeetri kõrgusel maapinnast ning satelliidi orbiit kestab 11 tundi ja 15 minutit. Süsteemi testimine algas 1982. aastal, see tähendab juba NSV Liidus. See loodi tõesti vastusena Ameerika arengutele, mida meie riigis tuntakse rohkem kui "Star Wars". Nõukogude Liit ei tahtnud USA-le milleski järele anda, kuid "Perestroika, glasnost, kiirendus" tegi oma töö. Töid piirati enamasti rahapuudusel. Kuigi, nagu hiljem selgus, polnud kõik suletud. Ameeriklastele oli see tõesti üllatus, kui 1993. aastal teatati ametlikult, et süsteem GLONASS on töövalmis. 1995. aastal õnnestus venelastel orbiidile viia terve 24 satelliidist koosnev tähtkuju.
Aga kõik ei olnud algusest peale nii hästi. Üheksakümnendate Jeltsini ajastu mõjutas ka kosmoseprogramme. Puudus rahastus, keegi ei tundnud huvi kosmose ja satelliitnavigatsiooni vastu. Selle tulemusena töötas 2002. aastal veel vaid 7 satelliiti. Venelased asusid aga tööle ja panid 2002-2011 taastamisprogrammi raames tööle täiustatud GLONASS-K satelliidid ning nendega kaasnevad kaasaegsed maapealsed juhtimissüsteemid.
Moderniseerimise järgmises etapis, aastatel 2012-2020, pöörati põhitähelepanu PNT omaduste (positsioneerimine, navigeerimine ja sünkroniseerimine) parandamisele, et tõsta riigi julgeolekut ning riigi kaitse- ja tsiviilsüsteemide võimekust. Praegu käib töö järgmise põlvkonna satelliitide kallal, mida tuntakse GLONASS-K2 nime all.
Hiina BeiDou
Hiina alustas satelliitnavigatsioonisüsteemi väljatöötamist 2000. sajandi lõpus. 1. aastal õnnestus neil lõpetada BDS-1 esimene arendusetapp, mis on paremini tuntud kui navigatsioonisatelliitide süsteem BeiDou-2. Selle projekti raames varustati Hiina ja lähimad välisriigid positsioneerimissüsteemidega. Järgmine samm oli BDS-2020 satelliitvõrguga, mis pakkus katvust Aasia ja Vaikse ookeani piirkonnas. 3. aastal hakkas BDS-XNUMX projekti raames BeiDou süsteem toimima kogu maailmas.
Praegu on orbiidil 35 satelliiti ja kokku on programm sooritanud juba 59 kandevõimega starti, mis viivad BeiDou süsteemi järgmised põlvkonnad orbiidile. Hiina võimude andmetel osales BDS-400 programmi loomises üle 300 agentuuri ning 000 3 teadlast ja tehnikut. Uusima satelliitide konstellatsiooni toetamiseks on loodud üle 40 maapealse jaama, mis jälgivad süsteemi õiget tööd. Süsteemi globaalne kättesaadavus on hinnanguliselt 99% ja Aasia ja Vaikse ookeani võtmepiirkonnas on see veelgi kõrgem, see tähendab, et see töötab seal peaaegu ideaalselt. Samuti tegid hiinlased palju pingutusi süsteemi täpsuse parandamiseks.
BeiDou võimaldab ka kuni 14 000 bitti (1000 hiina tähemärki) lühikesi tekstsõnumeid. See väärtus võib hõlmata ka fotosid või helisalvestisi.
Nagu ka muude satelliitnavigatsioonisüsteemide arenduste puhul, maksavad kohalikud kasutajad teenuse eest, kuid tulemused on tõeliselt muljetavaldavad.
Loe ka: Hiina on ka innukalt kosmose avastamist. Kuidas neil siis läheb?
Euroopa Galileo
Mis on Galileo süsteemi suurim eelis? Erinevalt GPS-ist ja GLONASSist jääb see tsiviilkätesse ega kuulu ühelegi konkreetsele valitsusele, nagu kommunistlikus Hiinas. Süsteem ehitati üles ainult tsiviilturgu silmas pidades ja seetõttu mõjutavad selle arengut lõppkokkuvõttes elanikkonna vajadused. Tuleb tunnistada, et Galileo on militariseeritud positsioneerimissüsteemide seas värske õhu sõõm. Seni on Galileo programm lõpetanud 28 stardi ja orbiidile viinud 30 satelliiti. Praegu kasutab süsteem täielikku satelliitide konstellatsiooni, kuid kõik seadmed ei ole alati saadaval ja mõned neist ootavad veel ladudes oma järjekorda.
Maapealse teeninduse segment asub kahes keskuses – Oberpfaffenhofenis Saksamaal ja Fucinos Itaalias. Lisaks hõlmab süsteem ülemaailmset seireandurite, mõõtmis- ja andmeedastusjaamade võrgustikku.
Kuna kõigi nende süsteemide orbiidid muutuvad üha küllastumaks, paiknevad Galileo satelliidid veidi kõrgemal, 23 222 kilomeetri kõrgusel (madalaim on GLONASS, siis GPS, Hiina BeiDou ja Galileo püramiidi tipus ). Igal satelliidil kulub maa ümber tiirlemiseks umbes 14 tundi. Enamiku maakera paikade jaoks on alati saadaval 6–8 Galileo satelliiti, mis tähendab väga suurt täpsust, mida enamikus olukordades mõõdetakse pigem sentimeetrites kui meetrites.
Galileo ühildub GPS-süsteemiga, mis parandab veelgi mõõtmiste täpsust ning selle tööd toetab ka maapealsetest komponentidest ja satelliitidest koosnev süsteem EGNOS (European Geostationary Navigation Service), mis vastutab satelliitnavigatsioonisüsteemide töö ja täpsuse parandamise eest. .
Jaapani MICHIBIKI (Michibiki)
Oma territooriumil navigeerimise täpsuse tagamiseks lõi Jaapan väikese satelliitide konstellatsiooni, mida nimetatakse Quasi-Zenith Satellite Systemiks (QZSS) või Michibikiks. Mägistes või tugevalt linnastunud piirkondades ei piisa sageli ainult GPS-ist liiga paljude takistuste tõttu. Alates 4. aasta novembrist töötavad neli satelliiti, mis kõrvaldavad selle probleemi. Kolm neist on endiselt Aasia ja Okeaania piirkonnas. 2018. aastal on plaanis jõuda 2024 ühikust koosneva satelliidi tähtkujuni. See parandab veelgi süsteemi üldist tõhusust ja muudab selle GPS-ist sõltumatuks. Seega tagab Jaapan oma territooriumil täieliku autonoomia.
Vaatamata oma väiksusele võrreldes teiste süsteemidega vastab QZSS kõigile Jaapani elanikkonna ootustele ning lisaks toetab laevandust kõigis riikides, mis asuvad Jaapani territooriumi läbivatel meridiaanidel.
Lisaks on Jaapanis ka GPS/Michibiki täppistoetussüsteem nimega MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS). See koosneb 2 satelliidist, mis muuhulgas edastavad ilmaandmeid.
NavIC (Navigation with Indian Constellation) on India analoog GPS-ile, mida nimetatakse ka India piirkondlikuks satelliitnavigatsioonisüsteemiks (IRNSS). Süsteem on pärast kõigi oma võimaluste saavutamist oma töös sarnane Jaapani omaga. Praegu on orbiidil 7 satelliiti, mis pakuvad positsioneerimist Indias ja riigi piiridest kuni 1500 kilomeetri kaugusel. Süsteem ei sõltu GPS-ist.
NavIC-i toetab GAGAN (Geosynchronous Augmented Navigation System with GPS), mis koosneb kolmest täiendavast satelliidist ja maapealsest infrastruktuurist. Kasutuselevõtuga on lõhe EGNOSe ja MSASi süsteemide vahel ületatud, mis suurendab veelgi tsiviillennunduse ohutuse taset.
Ülemaailmsed abisüsteemid
Üksikute süsteemide kirjeldamisel mainisime ka piirkondlikke tugisüsteeme. Kuid satelliitnavigatsiooni toimimine väljaspool piirkondlikke piire võib toetada ka ülemaailmseid abisüsteeme. Praegu saab neist eristada kahte. Need on Omnistar ja StarFire. Mõlemal on tugi satelliitnavigatsioonile, mida kasutatakse enamasti tänapäevase täppisviljeluse vajadusteks. Nende kasutamiseks on vaja spetsiaalseid vastuvõtjaid, tänu millele saab põllumees oma põldudel liikudes töötada kuni 5-10 sentimeetri täpsusega (rekordi tugisüsteemid annavad 1-2 sentimeetrise täpsuse). Sellist täpset positsioneerimist osutatakse teenusena ja see nõuab lisatasusid otse süsteemiandmete edastamise eest.
Teenus põhineb diferentsiaalsel globaalsel positsioneerimissüsteemil (DGPS) ja taandub kindlas asukohas asuva baasvastuvõtja kasutamisele. Autol olev vastuvõtja saab lisaks satelliidi signaalile parandusi ka statsionaarselt baasvastuvõtjalt.
Omnistar on iseseisev ettevõte ja selle saatjaid saab osta erinevatele masinatele, StarFire süsteem on aga põllumajandusseadmete tootjalt John Deere, mis pakub sisseehitatud või väliseid süsteeme, mille täpsus on ±3 cm ning töötab GPS-i ja GLONASS-iga.
Kuidas GPS töötab?
Selles jaotises kirjeldame GPS-i tööd, kasutades algset, st Ameerika versiooni, kuna meil on praegu selle kohta kõige rohkem saadaolevaid andmeid. Teised töötavad sarnaselt.
GPS-satelliitide tähtkuju
Korralikuks tööks kogu maailmas on vaja üsna tihedat satelliitide võrgustikku. 24 satelliidist koosneva tähtkuju puhul võime olla kindlad, et oleme igal ajal ja igas punktis Maa peal neist nelja levialas. Ameeriklased lubasid üldiselt, et 24% ajast on saadaval vähemalt 95. Praegu toetab süsteemi 31 satelliiti. Maa on jagatud 6 võrdseks tsooniks, millest satelliidid liiguvad, ja igaühel neist on katta 4 välja.
2011. aasta juunis lasti orbiidile modifikatsioon nimega Expendable 24. 24 satelliidist kolm ja seega ka nende juhitavad väljad said täiendava satelliidi võimenduse, et saavutada kiirem signaali saamine ja parem täpsus rasketes maastikutingimustes. Samuti on tehtud mõningaid muudatusi, et muuta kogu 27 satelliidist koosnev võrk võimalikult tõhusaks.
GPS-satelliidid liiguvad prognoositaval MEO (Mean Earth Orbit) orbiidil ligikaudu 20 200 km kõrgusel, nii et teate alati nende asukohta. Lisaks kontrollitakse nende asukohta raadioteleskoopide abil. Maapealne juhtimisvõrk koosneb peajuhtimiskeskusest, varujuhtimiskeskusest, 11 juhtimis- ja juhtimisantennist ning 16 vaatlusjaamast, seega on satelliitide asukoht alati teada. Iga satelliidi üks pöörlemine ümber Maa võtab aega 12 tundi.
Kuidas see kõik praktikas käib?
Orbiidil olev satelliit edastab pidevalt raadiosignaale, mida võtavad meie vastavad vastuvõtjad omavad seadmed. Iga satelliit teatab oma asukoha ja edastusaja. Teades lisaks, kui kiiresti raadiolained levivad, saame arvutada kauguse sellest satelliidist. Kui saame lisaandmeid veel kolmelt satelliidilt ja laeme andmeid alla korraga neljalt, arvutab seade välja meie asukoha kõikidelt satelliitidelt tulevate andmete ristumiskohas.
Et asjad toimiksid sujuvalt ja täpselt, vajame siiski täpseid signaali saatmisaja mõõtmisi. Kuidas see saavutati? Igal satelliitil on aatomkell – kõige täpsem kronomeeter, mille inimene on kunagi leiutanud. Mis on sellise kella täpsus? Aega mõõdetakse sekundi miljondiku täpsusega!
Vastuvõttev seade kasutab kõiki neid andmeid meie asukoha tõhusaks arvutamiseks. Kuid kogu süsteem peab arvestama ka selliste küsimustega nagu erirelatiivsusteooria, mille kirjutas Albert Einsteinina tuntud härrasmees. Mida kaugemal on objekt gravitatsiooniallikast, seda kiiremini aeg sellel edasi läheb, mistõttu tuleb igal satelliidil ümber arvutada. Ühesõnaga, see kõik on päris keeruline, aga õnneks oleme seda süsteemi juba aastaid kasutanud ja avastanud, et see töötab ja päris hästi.
Loomulikult on süsteemi normaalseks tööks vaja kõrgelt kvalifitseeritud personali osalust, kelle väljaõppe taset võib võrrelda kosmoselendude juhtimiskeskuste omaga.
GPS: programmikulud miljardid
Pärast orbiidile saatmist ei tööta satelliit seal igavesti. Vanemate versioonide elutsükkel on 7,5 aastat, uuemate versioonide eluiga 12 aastat ja uusim GPS III/IIIF süsteem jääb eeldatavasti orbiidile 15 aastaks (süsteemi USA versiooni andmed). Selle aja möödudes tuleb aparaat välja vahetada, seega tuleb ehitada uus proov steriilsetes tingimustes ja alles siis saab see kunstiteos orbiidile minna.
Lisaks kosmoses olevatele seadmetele on kohapeal ka seireseadmed ja kõrgelt koolitatud personal, kes vastutab süsteemi juhtimise eest. Töö maapealse komponendi täiustamiseks on samuti käimas, keskendudes nüüd uuele järgmise põlvkonna operatsioonijuhtimissüsteemile (OCX) ja sellega seotud alamsüsteemidele. Muudatused viiakse sisse järk-järgult, et mitte häirida kogu GPS-süsteemi tööd.
Kogu süsteemi toetamiseks kulutatakse umbes 1,7 miljardit dollarit (2020. eelarveaasta). 2021. eelarveaastaks küsisid arendajad USA Kongressilt GPS-süsteemi ülalpidamiskuludeks 1,8 miljardit dollarit. Seetõttu saavad selliste summade juures autonoomse süsteemi ülalpidamist endale lubada vaid suurimad riigid ja ülejäänud peavad kasutama olemasolevaid. Näitamaks, kuidas programmi maksumus kasvab, võib vaid öelda, et 2012. aastal oli see 750 miljonit dollarit (me ei võta siinkohal isegi inflatsiooni, arvutusmetoodikat ja selle taset arvesse).
Kas GPS-i on lihtne blokeerida?
GPS-süsteemi kuldsed päevad relvajõududes hakkavad vaikselt ununema. Satelliidisignaalide sumbumine ja segamine on muutumas üha tavalisemaks ning seetõttu pole pelgalt kosmoseandmetel põhinevad täppisrelvad enam nii tõhusad kui kunagi varem. Probleem ei puuduta mitte ainult relvi endid, vaid ka lennukeid, laevu, maismaasõidukeid ja muid seadmeid, mis on varustatud GPS-vastuvõtjaga.
Oleme rohkem kui korra näinud näiteid GPS-signaali blokeerimisest Maa "kuumades" kohtades. Juhtus, et sadamas või näiteks Mustal merel seilavad hiigelsuured laevad kadusid ootamatult kaartidelt ja ilmusid neile 30 kilomeetri kaugusele ning see on seotud venelaste tegevusega selles piirkonnas. Teemat jätkates olgu öeldud, et sarnaseid meetmeid rakendatakse sageli ka Süürias, et tagada regioonis Venemaa baaside toimimine. Isegi Iisrael kannatab selliste häirete all, kus GPS töötab mõnikord halvemini ja see on tõsine probleem, näiteks tsiviillennuliikluse jaoks.
GPS-signaali segamine pole eriti keeruline. Kaitstud sihtmärgi lähedusse paigutatud sobiva võimsuse ja sagedusega raadiosaatja takistab GPS-vastuvõtjatel õigeid andmeid vastu võtmast. Satelliiditootjad püüavad selle vastu võidelda, töötades välja üha enam häirekindlaid signaale, mis on varustatud seadmete uusimate versioonidega. See on aga kassi ja hiire mäng ning eelis on hävitajate poolel. Nad suudavad muutustele kiiremini reageerida madalamate kulude ja suuremate võimalustega. Satelliidid ei muutu ju nädalaga.
Lisaks salakavalatele eesmärkidele kasutatakse riigipeade kaitseks ka GPS-i blokeerimismeetodeid. Pole üllatav, et venelased armastavad selliseid tööriistu eriti. Eriti puudutab see Putini liikumisi, mida nad üritavad nii kõvasti varjata, et piirkonnas, kus ta asub, ei pruugi kõik navigatsioonisüsteemid teatud aja jooksul üldse töötada. Venelased kaitsevad oma presidendi reisimarsruuti nii palju kui võimalik, seega üritavad nad navigatsioonisüsteeme blokeerides vähemalt osaliselt välistada droonirünnaku.
Vaatamata ülalmainitud probleemidele ja puudujääkidele ei tasu oodata, et sõjaväelased GPS-süsteemist loobuksid. Vastupidi, tõhustatakse võitlust segamissüsteemide vastu ning varustusele ja relvadele lisatakse täiendavaid süsteeme, mis takistavad GPS-signaali ummistumist.
Inertsiaalne navigatsioon paraneb jätkuvalt ja täppisrelvadel on alati varuks teine, sama tõhus sihtimismeetod. Praegu käib selliste lahenduste kallal intensiivne töö. Räägitakse piltnavigatsioonist, astronavigatsioonist (ajas tagasi minek?) ja magnetanomaalia navigatsioonist. Kõrgtehnoloogia! Seetõttu ootab meid ees veel palju huvitavat.
Tsiviilotstarbeline satelliitnavigatsioon
Aga tavakasutajat väga ei huvita, mis seal sõjaväel on. Tahame, et GPS aitaks meil meie asukohta täpselt kindlaks teha navigaator õigesti paika pannud mägedes matkamise või hommikujooksu või autoreisi marsruudi. Nüüd on tänapäevase inimese elu ilma nende mugavusteta raske ette kujutada.
Põhimõtteliselt võib öelda, et isegi kui me GPS-i otseselt ei kasuta, ehk siis ise vastuvõtjat sisse ei lülita, saame seda siiski kasutada. Süsteem töötab iseseisvalt, sellest on saanud tuttav, mugav ja vajalik osa meie elust.
Loe ka: