Kas nutinka, kai paspaudžiate “Pradėti maršrutą”
Turbūt daugelis esame patyrę tą keistą jausmą, kai svetimame mieste ištraukiame telefoną, įvedame adresą ir staiga mažas mėlynas taškelis ekrane tiksliai parodo, kur esame. Dar labiau stebina tai, kad šis taškelis juda kartu su mumis, o mechaninis balsas ramiai nurodo: “Po 300 metrų sukite į dešinę”. Bet kaip tai iš tikrųjų veikia? Kodėl kelių palydovų, skriejančių kosmose, pakanka, kad jūsų telefonas žinotų, jog stovite prie konkretaus kavos baro Vilniaus senamiestyje?
GPS sistema – tai vienas iš tų kasdienių stebuklų, kuriuos priimame kaip savaime suprantamus dalykus. Tačiau už šios technologijos slypi fascinuojanti fizikos, matematikos ir inžinerijos derinys, kuris pradėtas kurti dar šaltojo karo laikais ir šiandien tapo neatsiejama mūsų gyvenimo dalimi.
Palydovų armija virš mūsų galvų
GPS (Global Positioning System) sistemą sudaro apie 30 palydovų, skriejančių maždaug 20 000 kilometrų aukštyje virš Žemės paviršiaus. Šie palydovai išdėstyti šešiose skirtingose orbitose taip, kad bet kuriame Žemės taške ir bet kuriuo metu būtų matomi bent keturi palydovai. Kodėl būtent keturi? Tuoj paaiškės.
Kiekvienas palydovas yra panašus į nedidelį autobusą, sveria apie 2000 kilogramų ir turi išskleistas saulės baterijas, kurios maitina visą įrangą. Svarbiausia palydovo dalis – tai atominiai laikrodžiai. Taip, tikri atominiai laikrodžiai, kurie matuoja laiką neįtikėtinu tikslumu – paklaida siekia vos kelias nanosekundes per dieną. Kiekvienas palydovas turi net keturis tokius laikrodžius, nes tikslus laiko matavimas yra visos sistemos šerdis.
Palydovai nuolat transliuoja radijo signalus, kuriuose užkoduota informacija apie jų tikslią padėtį kosmose ir tikslų signalo išsiuntimo laiką. Šie signalai keliauja šviesos greičiu – apie 300 000 kilometrų per sekundę. Ir būtent čia prasideda visa magija.
Trianguliacija – matematika, kuri žino, kur esate
Kai jūsų telefonas ar GPS imtuvas gauna signalą iš palydovo, jis gali apskaičiuoti, kiek laiko signalui užtruko pasiekti jus. Pavyzdžiui, jei signalas keliavo 0,07 sekundės, tai reiškia, kad palydovas yra maždaug 21 000 kilometrų atstumu (0,07 sekundės × 300 000 km/s). Dabar jūsų įrenginys žino, kad esate kažkur ant įsivaizduojamos sferos, kurios spindulys 21 000 km, o centras – tas palydovas.
Bet vieno palydovo nepakanka. Jei gautumėte signalą tik iš vieno palydovo, žinotumėte tik tai, kad esate kažkur ant milžiniškos sferos aplink jį. Tai galėtų būti bet kur – virš Atlanto vandenyno, Sacharos dykumoje ar Antarktidoje.
Kai prisijungia antras palydovas, situacija pagerėja. Dabar turite dvi sferas, kurios kerta viena kitą, sudarydamos apskritimą. Jūs esate kažkur ant to apskritimo. Trečias palydovas suteikia trečią sferą, kuri kerta tą apskritimą dviejuose taškuose. Vienas iš šių taškų paprastai yra kosmose ar kažkur nelogiškoje vietoje, todėl lieka vienas tikėtinas taškas – jūsų tikroji vieta.
Teoriškai trys palydovai turėtų užtekti, bet praktikoje reikia ketvirto. Kodėl? Nes jūsų telefone nėra atominių laikrodžių. Palydovų laikrodžiai yra sinchronizuoti su neįtikėtinu tikslumu, bet jūsų įrenginio laikrodis gali skubėti ar vėluoti net kelias milisekundes. Tai neskamba daug, bet kai signalai keliauja šviesos greičiu, net viena milisekundė sukelia 300 kilometrų paklaidą! Ketvirtas palydovas leidžia sistemai apskaičiuoti ir pataisyti šią laiko paklaidą.
Kodėl kartais GPS klysta
Jei viskas taip tiksliai apskaičiuota, kodėl kartais GPS rodo, kad esate kaimyniniame pastate ar net upėje? Yra keletas priežasčių, kodėl sistema gali suklupti.
Pirmiausia – atmosfera. Radijo signalai, keliaudami per jonosferą ir troposferą, šiek tiek sulėtėja ir nukrypsta nuo tiesiojo kelio. GPS sistema bando kompensuoti šiuos iškraipymus, bet tai nėra tobula. Ypač didelės problemos kyla prie horizonto, kur signalai turi keliauti per storesnį atmosferos sluoksnį.
Antra problema – pastatai ir kliūtys. Miestų kanjone, apsupti aukštų dangoraižių, GPS signalai atsimuša nuo sienų ir pasiekia jūsų įrenginį netiesioginiu keliu. Tai vadinama daugiakelio sklidimu (multipath). Jūsų telefonas gauna tą patį signalą kelis kartus – vieną tiesiai iš palydovo, kitą atsimušusį nuo stiklinio pastato, dar vieną atspindėtą nuo metalo konstrukcijos. Visi šie signalai turi skirtingą kelionės laiką, todėl sistema supainiojama.
Trečia problema – medžiai ir stogas. GPS signalai yra gana silpni ir negali prasiskverbti pro storus objektus. Tankiame miške ar pastate signalai gali būti visiškai užblokuoti arba taip susilpnėję, kad jūsų įrenginys jų net neaptinka.
Kaip telefonas padaro GPS greitesnį
Senųjų laikų GPS navigatoriai kartais užtrukdavo kelias minutes, kol “pagaudavo” palydovus ir nustatydavo padėtį. Šiuolaikiniai telefonai tai padaro per kelias sekundes. Kaip?
Atsakymas – A-GPS (Assisted GPS). Jūsų telefonas naudoja mobiliojo ryšio tinklą, kad gautų papildomos informacijos. Mobilaus ryšio bokštai perduoda duomenis apie tai, kurie palydovai turėtų būti matomi jūsų apytikrėje vietoje ir kokiose orbitose jie skrieja. Tai leidžia telefonui žinoti, kur ieškoti signalų, užuot skenuojant visą dangų.
Be to, telefonas naudoja WiFi tinklus ir mobiliojo ryšio bokštus, kad apytiksliai nustatytų jūsų vietą dar prieš gaudamas GPS signalus. Jei jūsų telefonas mato konkretų WiFi maršrutizatorių, kurio vieta žinoma Google ar Apple duomenų bazėje, jis jau žino, kad esate maždaug toje vietoje. Tai vadinama hibridine pozicionavimo sistema.
Naujesni telefonai taip pat naudoja GLONASS (Rusijos sistema), Galileo (Europos sistema) ir BeiDou (Kinijos sistema) palydovus papildomai prie amerikiečių GPS. Daugiau palydovų reiškia didesnį tikslumą ir geresnį veikimą miestų kanjone ar kalnuotose vietovėse.
Nuo karinių paslapčių iki žaidimų Pokémon Go
GPS sistema gimė kaip karinė technologija 1970-aisiais. JAV kariuomenė norėjo tiksliai nukreipti raketas ir žinoti, kur yra jų pajėgos bet kuriame pasaulio taške. Pirmieji palydovai buvo paleisti 1978 metais, o visa sistema tapo visiškai veikianti 1995-aisiais.
Įdomu tai, kad civiliai vartotojai ilgą laiką gaudavo tyčia iškraipytą signalą. Tai vadinta “Selective Availability” – civilinis signalas buvo dirbtinai pablogintas, kad tikslumas būtų tik apie 100 metrų. Kariniai imtuvai turėjo specialų kodą, leidžiantį gauti tikslų signalą. Tik 2000 metais prezidentas Bill Clinton nurodė išjungti šį apribojimą, ir staiga civilinė GPS navigacija tapo tikslesnė nei 10 metrų.
Šis sprendimas iš esmės pakeitė pasaulį. Atsirado automobilių navigacijos sistemos, išmanieji telefonai su žemėlapiais, tikslus žemės ūkis, dronai, dalijimosi automobiliais paslaugos, maršrutų planavimo programėlės ir net žaidimai kaip Pokémon Go. Šiandien GPS yra įmontuota į viską – nuo laikrodžių iki šunų antkaklinių.
Kai GPS tampa dar tikslesnis
Standartinis GPS tikslumas yra apie 5-10 metrų geriausiomis sąlygomis. Bet kai kurioms reikmėms to nepakanka. Žemės ūkyje, statybose ar geodezijoje reikia centimetrų tikslumo. Kaip tai pasiekiama?
Atsakymas – RTK (Real-Time Kinematic) ir diferencinis GPS. Šios sistemos naudoja stacionarias bazines stotis, kurių vieta žinoma su milimetriniu tikslumu. Bazinė stotis gauna GPS signalus ir palygina, kur ji iš tikrųjų yra su tuo, ką rodo GPS. Skirtumas – tai paklaida. Ši paklaidos informacija transliuojama mobiliems imtuvams netoliese, kurie gali pataisyti savo skaičiavimus.
Šiuolaikiniai traktoriai naudoja tokias sistemas ir gali važiuoti lygiagrečiomis linijomis su 2-3 centimetrų tikslumu. Tai leidžia efektyviau naudoti trąšas, sėklas ir pesticidus, nes nėra praleidžiamų ar dubliuojamų plotų.
Statybose tokios sistemos naudojamos kelių tiesimui, tunelių kasimui ir dangoraižių statybai. Geodezininkai su jomis matuoja žemės sklypus ir kuria tikslias topografines žemėlapių sistemas.
Ką daryti, kai GPS neveikia
Visi esame patyrę situaciją, kai GPS tiesiog “pakimba” ar rodo neteisingą vietą. Štai keletas praktinių patarimų, kaip pagerinti situaciją:
Jei esate mieste tarp aukštų pastatų, pabandykite pereiti į atviresnę vietą. Net kelių metrų skirtumas gali reikšti, kad jūsų telefonas matys daugiau palydovų tiesiai, o ne tik atsispindinčius signalus.
Patikrinkite, ar jūsų telefono nustatymuose įjungta “Didelio tikslumo” vietos nustatymo funkcija. Ji naudoja ne tik GPS, bet ir WiFi bei mobiliojo ryšio duomenis. Kai kurie žmonės išjungia šią funkciją taupydami bateriją, bet tada tikslumas labai nukenčia.
Jei naudojate automobilinį laikiklį, įsitikinkite, kad jis nėra su metaliniu rėmu ar magnetiniu tvirtinimu, kuris gali trukdyti signalams. Taip pat automobilio stiklas su metalizuota danga (tokia, kuri atspindi saulės šilumą) gali blokuoti GPS signalus.
Kartais padeda tiesiog perkrauti navigacijos programėlę ar net visą telefoną. GPS modulis gali “įstrigti” su pasenusia palydovų informacija, o perkrovimas priverčia jį ieškoti signalų iš naujo.
Jei planuojate kelionę į atokias vietas, kur gali nebūti mobilaus ryšio, iš anksto atsisiųskite neprisijungus veikiančius žemėlapius. Google Maps ir daugelis kitų programėlių leidžia tai padaryti. GPS signalai veiks net be interneto ryšio, bet be žemėlapių matysite tik mėlyną taškelį tuščiame ekrane.
Kai palydovai tampa mūsų kasdienybe
GPS technologija per pastaruosius du dešimtmečius tapo tokia įprasta, kad beveik pamiršome, jog tai yra neįtikėtinai sudėtinga sistema, veikianti kosmoso erdvėje. Trisdešimt palydovų nuolat transliuoja signalus, atominiai laikrodžiai matuoja laiką su nanosekunde tikslumu, o matematiniai algoritmai jūsų telefone per sekundes atlieka sudėtingus skaičiavimus, kad nustatytų, jog stovite prie kavos baro Vilniuje.
Šiandien sunku įsivaizduoti gyvenimą be šios technologijos. Taksi vairuotojai nebežiūri į popierinį žemėlapį, turistai nebepasimeta svetimuose miestuose, o maratonininkai tiksliai žino savo tempą ir nubėgtą atstumą. Bet gal svarbiausia tai, kad GPS suteikė mums laisvę tyrinėti pasaulį be baimės pasiklysti. Ir tai yra tikra technologijos dovana – ne tik žinoti, kur esame, bet ir drąsiai keliauti ten, kur dar nebuvome.