Kaip viskas prasidėjo ir kodėl dabar niekas nebepasiklysta
Prisimenu laikus, kai važiuodavome su tėvu į nežinomą vietą ir jis prieš kelionę valandą studijuodavo popierinį žemėlapį, o mama iš šalies duodavo patarimus, kurie dažniausiai baigdavosi ginčais. Dabar mano telefonas žino, kur esu, tiksliau nei aš pats. GPS technologija per kelias dešimtis metų tapo tokia įprasta, kad net nepagalvojame, koks sudėtingas mechanizmas slypi už tos mėlynos taškutės žemėlapyje.
GPS jutikliai – tai ne kažkoks magiškas dalykas, nors kartais taip ir atrodo. Tai gana paprasta (teoriškai) sistema, kuri leidžia jūsų telefonui, automobiliui ar net šuniui su specialia apykakle žinoti savo tikslią vietą Žemėje. Visa tai veikia dėka palydovų, kurie skrieja virš mūsų galvų ir nuolat transliuoja signalus. Bet kaip iš tų signalų gaunama konkreti vieta? Čia ir prasideda įdomiausia dalis.
Pati GPS sistema (Global Positioning System) buvo sukurta amerikiečių kariuomenės dar šaltojo karo laikais. Pirmasis palydovas pakilo 1978 metais, o pilnai veikianti sistema su 24 palydovais pradėjo funkcionuoti 1995-aisiais. Iš pradžių tai buvo grynai karinis projektas, bet 2000 metais prezidentas Clintonas panaikino dirbtinį signalo pabloginimą civiliniams vartotojams, ir štai tuomet prasidėjo tikroji GPS revoliucija.
Palydovų baletas virš mūsų galvų
Šiuo metu aplink Žemę skrieja daugiau nei 30 GPS palydovų (sistema projektuota taip, kad veiktų su 24, bet yra atsarginių). Jie išdėstyti šešiose orbitose, maždaug 20 200 kilometrų aukštyje. Kodėl būtent tiek? Nes tokiame aukštyje palydovas apskrieja Žemę per 12 valandų – tai reiškia, kad per parą jis padaro du ratus, ir tai leidžia išlaikyti stabilią konsteliacijos geometriją.
Kiekvienas palydovas yra gana įspūdingas technologijos stebuklas. Jis sveria apie 1 toną, turi saulės baterijas energijai gauti ir labai tikslų atominį laikrodį. Taip, atominį! Šie laikrodžiai yra tokie tikslūs, kad nukrypsta tik vieną sekundę per 300 000 metų. Kodėl reikalingas toks tikslumas? Nes GPS veikia matuojant laiką, o net mažytė paklaida čia sukelia didžiulius atstumo skaičiavimo nukrypimus.
Palydovai nuolat transliuoja du pagrindinius dalykus: savo tikslią padėtį erdvėje ir tikslų laiko žymą. Signalai keliauja šviesos greičiu (apie 300 000 km/s), todėl pasiekia Žemę maždaug per 0,067 sekundes. Jūsų telefone esantis GPS jutiklis priima šiuos signalus ir pradeda skaičiuoti.
Kaip jutiklis išsiaiškina, kur jūs esate
Čia įdomiausia matematikos dalis. GPS jutiklis jūsų telefone ar navigacijoje yra iš esmės radijo imtuvas, kuris klauso palydovų signalų. Kai jis gauna signalą iš palydovo, jis žiūri, kiek laiko užtruko signalui nueiti kelią. Pavyzdžiui, jei signalas keliavo 0,07 sekundes, jutiklis padaugina šį laiką iš šviesos greičio ir gauna atstumą iki palydovo – apie 21 000 kilometrų.
Bet žinoti atstumą iki vieno palydovo dar nieko nereiškia. Jūs galite būti bet kurioje vietoje ant sferos, kurios spindulys yra tas atstumas. Todėl reikia daugiau palydovų. Kai jutiklis gauna signalą iš antro palydovo, jis žino, kad esate kažkur ant dviejų sferų susikirtimo – tai jau apskritimas. Trečias palydovas sumažina galimybes iki dviejų taškų erdvėje. O ketvirtasis palydovas galutinai nustato jūsų tikslią vietą trimačiame erdvės taške.
Praktiškai jūsų GPS jutikliui reikia matyti bent keturis palydovus, kad nustatytų ne tik jūsų platumą ir ilgumą, bet ir aukštį virš jūros lygio. Dauguma šiuolaikinių jutiklių gali vienu metu sekti 12-20 palydovų signalus, o tai leidžia pasiekti kur kas didesnį tikslumą.
Kodėl kartais GPS klysta ir ką su tuo daryti
Turbūt visi esame patyrę situaciją, kai navigacija rodo, kad esame upėje ar kažkieno kieme, nors iš tikrųjų stovime gatvėje. GPS tikslumas priklauso nuo daugybės veiksnių, ir ne visada sistema veikia idealiai.
Pirma problema – signalo užstojimas. GPS signalai yra gana silpni (palydovas yra 20 000 km aukštyje!), todėl pastatus, medžius ar net storus debesis gali juos susilpninti ar visai užblokuoti. Štai kodėl viduje GPS dažnai neveikia arba rodo netikslią vietą. Signalai tiesiog negali prasiskverbti pro betoną ir plieną.
Antra problema – daugiakelis signalo atspindys. Miestuose, kur daug aukštų pastatų, GPS signalas gali atsispindėti nuo sienų prieš pasiekdamas jūsų telefoną. Tai tarsi šviesos atspindys veidrodyje – jutiklis gauna signalą, kuris nukeliavo ilgesnį kelią, ir todėl apskaičiuoja neteisingą atstumą.
Trečia problema – jonosfera ir atmosfera. GPS signalai keliauja per skirtingus atmosferos sluoksnius, kurie šiek tiek lėtina ir iškreipia signalą. Šiuolaikiniai GPS imtuvai turi specialius algoritmus, kurie bando kompensuoti šiuos iškraipymus, bet visiškai jų pašalinti neįmanoma.
Paprastas civilinis GPS tikslumas yra apie 5-10 metrų. Tai reiškia, kad 95 procentais atvejų jūsų tikroji vieta yra ne toliau kaip 10 metrų nuo tos, kurią rodo GPS. Kariniai GPS imtuvai, kurie naudoja užšifruotą signalą, gali pasiekti tikslumą iki kelių centimetrų, bet tai jau visai kita istorija.
A-GPS ir kodėl telefonas randa vietą greičiau nei sena navigacija
Pastebėjote, kad sena automobilinė navigacija kartais kelias minutes ieško palydovų, o telefonas randa vietą per kelias sekundes? Tai ne todėl, kad telefonas turi geresnį GPS jutiklį (dažnai jis net prastesnis), o todėl, kad naudoja A-GPS – Assisted GPS technologiją.
Esmė tokia: kai GPS jutiklis įsijungia, jam reikia gauti duomenis iš palydovų apie tai, kur tiksliai jie yra (tai vadinasi almanachas ir efemeridės). Šių duomenų atsisiuntimas iš palydovų gali užtrukti kelias minutes, nes GPS signalo perdavimo greitis labai mažas – tik 50 bitų per sekundę.
A-GPS išsprendžia šią problemą naudodamas internetą. Jūsų telefonas prisijungia prie specialių serverių per mobilųjį internetą ar Wi-Fi ir iš karto gauna visą reikalingą informaciją apie palydovų padėtis. Be to, jei telefonas žino, prie kokio mobiliojo ryšio bokšto esate prisijungę, jis jau apytiksliai žino jūsų vietą (su kelių šimtų metrų tikslumu), todėl GPS jutikliui lengviau rasti tinkamus palydovus.
Dar vienas triukas – telefonai naudoja ne tik GPS. Šiuolaikiniai išmanieji telefonai turi daugiamodžius padėties nustatymo jutiklius, kurie gali naudoti ne tik amerikietiškus GPS palydovus, bet ir rusiškus GLONASS, europiečių Galileo, kiniškus BeiDou ir net japonų bei indų regionines sistemas. Kuo daugiau palydovų mato jutiklis, tuo tikslesnė ir greitesnė padėties nustatymas.
Kas dar slypi jūsų telefone be GPS
GPS jutiklis jūsų telefone nėra vienas. Jis dirba komandoje su kitais jutikliais, kad tiksliau nustatytų jūsų padėtį ir judėjimą. Vienas svarbiausių pagalbininkų – akselerometras ir giroskopas.
Akselerometras matuoja pagreitį visomis trimis kryptimis. Kai jūs pasukate kampu automobilyje, GPS gali dar nežinoti, kad pasukote (ypač jei signalas silpnas), bet akselerometras jau jaučia posūkį. Giroskopas matuoja kampinį greitį – tai reiškia, kaip greitai jūs sukatės. Šie du jutikliai kartu leidžia telefonui žinoti, kuria kryptimi judite, net jei GPS signalas laikinai prarandamas.
Magnetometras (skaitmeninis kompasas) taip pat padeda. Jis matuoja Žemės magnetinį lauką ir nustato, kur yra šiaurė. Tai ypač naudinga, kai stovite vietoje – GPS gali žinoti, kur esate, bet nežino, kuria kryptimi žiūrite. Kompasas išsprendžia šią problemą.
Barometras matuoja atmosferos slėgį ir padeda tiksliau nustatyti aukštį. GPS taip pat gali nustatyti aukštį, bet ne taip tiksliai kaip horizontalią padėtį. Barometras čia labai praverčia, ypač kalnuose ar daugiaaaukščiuose pastatuose.
Visi šie jutikliai dirba kartu per sudėtingus algoritmus, vadinamus jutiklių susiliejimu (sensor fusion). Telefonas nuolat analizuoja duomenis iš visų šaltinių ir sprendžia, kuriam labiau pasitikėti konkrečioje situacijoje. Pavyzdžiui, tunelyje, kur GPS neveikia, telefonas gali naudoti akselerometrą ir giroskopą, kad apytiksliai nustatytų, kur esate, kol vėl pasirodys GPS signalas.
Ateities technologijos ir dar didesnis tikslumas
GPS technologija nestovi vietoje. Viena įdomiausių naujovių – RTK (Real-Time Kinematic) technologija, kuri leidžia pasiekti centimetrų tikslumo. Kaip tai veikia? Sistema naudoja bazinę stotį, kuri stovi žinomoje vietoje ir taip pat gauna GPS signalus. Ši stotis žino tikslias savo koordinates, todėl gali apskaičiuoti, kokia paklaida yra GPS signale tuo metu. Tada ji transliuoja šią pataisos informaciją kitiems imtuvams, kurie gali panaudoti ją savo skaičiavimuose.
RTK jau dabar naudojamas žemės ūkyje – traktoriai su centimetrų tikslumu važiuoja laukais, taupydami kurą ir trąšas. Statybose ši technologija leidžia tiksliai išmatuoti žemės sklypus. O netrukus ji ateis ir į vartotojų rinką – kai kurie naujausi išmanieji telefonai jau turi aparatinę įrangą, kuri gali naudoti RTK signalus.
Kita įdomi kryptis – palydovinė navigacija patalpose. Kadangi GPS signalai neveikia pastatuose, kuriamos naujos sistemos, kurios naudoja Wi-Fi, Bluetooth švyturius ar net šviesos diodus (Li-Fi technologija). Dideli prekybos centrai ir oro uostai jau pradeda diegti tokias sistemas, kad žmonės galėtų tiksliai naviguo ti viduje.
Europos Galileo sistema, kuri vis dar baigiama kurti, žada dar didesnį tikslumą nei GPS – iki 1 metro be jokių papildomų sistemų. Ji taip pat turės specialų paieškos ir gelbėjimo kanalą – jei aktyvuosite avarinius signalus, sistema ne tik perduos jūsų koordinates gelbėtojams, bet ir atsiųs jums patvirtinimą, kad signalas gautas.
Kas nutiktų, jei GPS nustotų veikti
Kartais pamąstau, kaip labai mes priklausome nuo šių palydovų virš mūsų galvų. GPS naudojamas ne tik navigacijai. Bankai naudoja GPS laiko ženklus finansiniams sandoriams sinchronizuoti. Elektros tinklai naudoja GPS tiksliam laikui, kad sinchronizuotų energijos tiekimą. Telekomunikacijų tinklai remiasi GPS signalais. Net internetas veikia geriau dėka GPS laiko sinchronizacijos.
Jei GPS sistema staiga nustotų veikti, pasaulis nesubyrėtų, bet būtų labai nepatogu. Lėktuvai turėtų grįžti prie senų navigacijos metodų. Laivai naudotų radijo švyturius. Automobiliai – žemėlapius (tikrus, popierinius!). Bet didžiausia problema būtų ne navigacija, o laiko sinchronizacija – daugelis kritinių sistemų paprasčiausiai neveiktų tinkamai.
Todėl daugelis šalių kuria savo palydovines navigacijos sistemas. Rusija turi GLONASS, Kinija – BeiDou, Europa – Galileo, Indija – NavIC, Japonija – QZSS. Tai ne tik prestižo klausimas, bet ir nacionalinio saugumo – niekas nenori visiškai priklausyti nuo amerikiečių kontroliuojamos sistemos.
Kaip išspausti maksimumą iš GPS savo telefone
Norite, kad jūsų telefono GPS veiktų kuo tiksliau? Yra keletas praktinių patarimų. Pirma, įsitikinkite, kad telefonas mato dangų. GPS signalai ateina iš viršaus, todėl kuo daugiau dangaus mato jūsų telefonas, tuo geriau. Kišenėje ar rankinėje GPS veiks prasčiau nei laikant telefoną horizontaliai.
Antra, įjunkite visas padėties nustatymo paslaugas. Daugelis žmonių išjungia A-GPS, bijodami, kad tai eikvos duomenis ar bateriją, bet iš tikrųjų A-GPS sunaudoja labai mažai duomenų (kelias kilobaitus) ir faktiškai taupo bateriją, nes GPS greičiau randa palydovus ir gali greičiau išsijungti.
Trečia, jei GPS tikslumas prastas, pabandykite perkrauti telefoną arba išjunkite ir vėl įjunkite padėties nustaymą. Kartais GPS modulis “pakimba” su pasenusiais palydovų duomenimis, ir perkrovimas padeda gauti naujus.
Ketvirta, atnaujinkite telefoną. Gamintojai nuolat tobulina GPS algoritmų programinę įrangą, todėl naujausiose operacinės sistemos versijose GPS dažnai veikia tiksliau nei senose.
Penkta, jei naudojate GPS sportui ar žygiam, įsigykite išorinį GPS imtuvą. Jie paprastai tikslesni nei telefonų integruoti jutikliai, turi geresnes antenas ir gali veikti daug ilgiau be įkrovimo. Kaina prasideda nuo 50-100 eurų, bet skirtumas tikrai jaučiamas.
Kai palydovai žino apie mus daugiau nei norėtume
GPS technologija kelia ir privatumo klausimų. Kiekviena programėlė jūsų telefone, kuri prašo prieigos prie padėties duomenų, gali žinoti, kur esate bet kuriuo metu. Daugelis programų saugo jūsų judėjimo istoriją – Google Maps, pavyzdžiui, gali parodyti visas vietas, kur buvote per pastaruosius metus, jei neišjungėte šios funkcijos.
Tai gali būti naudinga – pavyzdžiui, jei pamirštate, kur palikote automobilį, arba norite prisiminti, kuriame restorane buvote praėjusį mėnesį. Bet tai taip pat reiškia, kad kas nors (įmonė, vyriausybė, o gal ir įsilaužėlis) gali žinoti labai daug apie jūsų įpročius, kur gyvenate, kur dirbate, kur lankotės.
Šiuolaikinės operacinės sistemos leidžia kontroliuoti, kurios programėlės turi prieigą prie GPS. Galite leisti prieigą tik kai programėlė naudojama, arba visiškai uždrausti. Verta periodiškai peržiūrėti šiuos nustatymus ir uždrausti prieigą programėlėms, kurioms ji iš tikrųjų nereikalinga. Ar tikrai žaidimui reikia žinoti jūsų tikslią vietą?
Įdomu tai, kad pats GPS jutiklis yra tik imtuvas – jis nieko netransliuoja. Palydovai nežino, kad jūs juos klausotės. Privatumo problema kyla tik tada, kai programėlės jūsų telefone pradeda dalintis šia informacija su serveriais internete. Todėl lėktuve ar vietose, kur reikia privatumo, galite naudoti GPS navigaciją su atsisiųstais žemėlapiais – jūsų padėtis bus žinoma tik jums.
Kai technologija tampa neatskiriama gyvenimo dalimi
GPS jutikliai per kelias dešimtis metų tapo tokia kasdienybe, kad net nepagalvojame, kaip be jų gyvenome anksčiau. Tai viena iš tų technologijų, kuri tikrai pakeitė pasaulį – ne tik tai, kaip keliauajme, bet ir kaip organizuojame logistiką, kaip stebime orą, kaip atliekame mokslinius tyrimus.
Geologai naudoja GPS stebėti tektonines plokštes – sistema tokia tiksli, kad gali užfiksuoti net kelis milimetrus per metus. Meteorologai naudoja GPS signalų vėlavimą atmosferoje, kad nustatytų drėgmę ir prognozuotų orą. Gyvūnų mokslininkai prisega GPS apykakles gyvūnams ir stebi jų migracijas. Archeologai naudoja GPS tiksliai kartografuoti kasinėjimų vietas.
Technologija nuolat tobulėja. Naujausi telefonai jau gali naudoti dviejų dažnių GPS signalus, kas leidžia tiksliau kompensuoti jonosferos trukdžius. Kvantiniu technologijų pažanga gali atnešti dar tikslesnius atomininius laikrodžius. O dirbtinio intelekto algoritmai mokosi geriau interpretuoti GPS duomenis ir nustatyti padėtį net sudėtingomis sąlygomis.
Bet gal svarbiausia tai, kad GPS technologija tapo demokratiška. Tai, kas prieš 30 metų buvo prieinama tik kariuomenei ir kainavo šimtus tūkstančių dolerių, dabar telpa kiekviename telefone ir veikia nemokamai. Tai puikus pavyzdys, kaip technologija gali tapti visuotinai prieinama ir pakeisti milijardų žmonių gyvenimus. Ir nors kartais vis dar pasiklystu, net turėdamas GPS (nes ignoruoju navigacijos nurodymus), džiaugiuosi, kad šie palydovai ten viršuje nuolat žino, kur esu, net jei aš pats kartais nesu tikras.