Hvad er GPS? Hvorfor har vi brug for det? Hvad er forskellen mellem forskellige navigationssystemer? Vi vil tale om alt i denne artikel.
I øjeblikket forekommer GPS for os at være en hverdagslig, velkendt ting, som alle har hørt om, og de fleste af dem bruger i deres hverdag. Dette er et af de værktøjer, vi bruger i vores enheder. Samtidig tænker vi ikke engang på, hvordan det fungerer, hvor det kom fra, hvor meget tid, kræfter og penge, der skulle investeres i at skabe dette system. I dag har GPS-signalmodtagere ikke kun navigatører, telefoner, smartphones, tablets, biler, men selv fitnessarmbånd og "smarte" ure, deres data bruges i industri, amatør- og professionel sport, rally og racerløb og selvfølgelig i militærindustrien. Lad os se nærmere på de forskellige navigationssystemer.
Hvad er satellitnavigation?
Satellitnavigation, eller Global Navigation Satellite System, er et system af satellitter, der transmitterer data om global positionering og præcis tid. Radiobølger af visse frekvenser bruges til at transmittere information. Efter at have modtaget sådanne data, beregner modtageren dem og viser koordinaterne for vores placering, det vil sige længdegrad, breddegrad og højde over havets overflade.
Ud over basissystemer (GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo) findes der også hjælpesystemer i rummet. Det er såkaldte satellitkorrektionssystemer (SBAS), såsom Global Omnistar og StarFire, der bruges i landbruget.
Over os er også regionale støttesystemer som WAAS i USA, EGNOS i EU, MSAC i Japan og GAGAN i Indien, som tager sig af dataforfining i mindre områder af kloden. Alt dette understøttes af jordkomponenter, som vi vil tale om senere. Der er mange definitioner i systemet, men vi vil ikke gå i detaljer.
Læs også: De vigtigste og mest interessante rummissioner i 2021
Typer af satellitnavigation
GPS er ikke det eneste tilgængelige satellitnavigationssystem i øjeblikket. Adskillige typer satellitter flyver over vores hoveder, ansvarlige for geo-positionering af enheder, som vi har i vores lommer, bærer på vores håndled eller bruger i navigatorer. Hvorfor er der flere systemer og ikke ét? Jeg er sikker på, at dette spørgsmål blev stillet af de fleste af de gennemsnitlige brugere. Faktum er, at GPS-systemet oprindeligt blev skabt til militære behov, og militæret har stadig kontrol over det. Det betyder, at de kontrollerer placeringen af alle og overalt i verden. Selvfølgelig kunne mange ikke lide denne position, ikke kun modstandere, men endda venner. Derfor besluttede seriøse verdensspillere at udvikle deres navigationssystemer, så deres hær ville have kontrol over dem. Snart dukkede GPS-analoger op i verden, der konkurrerede med hinanden om titlen som den bedste og mest nøjagtige på markedet. For os, almindelige brugere, er dette kun en fordel. Så lad os prøve at håndtere hvert system separat.
Amerikansk GPS
Dette er det første navigationssystem, som vi bruger oftest. Når vi tænker på satellitnavigation, bruger vi normalt udtrykket GPS. Det amerikanske system blev oprindeligt kaldt NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System, eller NAVSTAR-GPS for korte.
GPS er i hænderne på det amerikanske militær, eller rettere sagt den amerikanske rumstyrke. Alle enheder kontrolleres for korrekt drift af Space Delta 8, som er baseret på Shriver Air Force Base nær Colorado Springs og fungerer som en del af GPS-hovedkvarteret.
Civile applikationer er kun en mindre tilføjelse til militære applikationer, hvor layout og den højeste positioneringsnøjagtighed er en prioritet. Civile brugere får en noget afkortet version, men den er stadig god nok. Vi har ikke brug for en nøjagtighed på nogle få XNUMX centimeter for at køre bil eller løbe, men der er behov for en stadig større nøjagtighed, for eksempel i navigation, i kartografi, i landbruget til at overvåge marker, i transportvirksomheder til at spore køretøjer og i mange andre områder. Derfor er det ikke overraskende, at GPS-systemet hele tiden ændrer sig, optimering af satellitter finder sted.
Under brugen har systemet gennemgået ændringer og er stadig ved at blive moderniseret, fra tid til anden introduceres satellitter med større kapaciteter i netværket, og de gamle, der blev brugt tidligere, ødelægges over tid. De fleste af dem brænder op i atmosfæren, og nogle gange synker affaldet i Stillehavet.
GPS-systemets fulde beredskab blev opnået i 1993, da det nødvendige antal satellitter blev sat i kredsløb. Men tilbage i 1983 godkendte Ronald Reagans administration en tilladelse til civil brug af systemet. Dette skete efter, at USSR skød et koreansk civilt fly ned, der fejlagtigt krænkede sovjetisk luftrum. Men i første omgang var systemets nøjagtighed for civilbefolkningen begrænset til 100 meter. Men selv dette var nok på det tidspunkt til at undgå yderligere katastrofer.
Betjening af GPS-systemet fra rummet understøttes desuden af WAAS (Wide Area Augmentation System) satellitter, som giver den nødvendige datakorrektion for at øge systemets nøjagtighed. De er placeret i Nordamerika (og delvist i Sydamerika) og er under FAA (Federal Aviation Administration). WAAS er beregnet til at understøtte civile satellitnavigationsapplikationer.
russiske GLONASS
GLONASS er en forkortelse for Global Navigation Satellite System, som fungerer på samme måde som den amerikanske GPS. GLONASS består af 24 aktive satellitter placeret cirka 19 kilometer over jorden, og satellittens kredsløb tager 100 timer og 11 minutter. Test af systemet begyndte i 15, det vil sige tilbage i USSR. Det blev virkelig skabt som et svar på den amerikanske udvikling, bedre kendt i vores land som "Star Wars". Sovjetunionen ønskede ikke at give efter for USA i noget, men "Perestrojka, glasnost, acceleration" gjorde deres arbejde. Arbejdet blev for det meste indskrænket på grund af manglende midler. Selvom, som det viste sig senere, ikke alt var lukket. Det var virkelig en overraskelse for amerikanerne, da det i 1982 blev officielt annonceret, at GLONASS-systemet var klar til drift. I 1993 lykkedes det russerne at sætte en hel konstellation af 1995 satellitter i kredsløb.
Men alt var ikke så godt fra begyndelsen. Jeltsin-æraen i halvfemserne påvirkede også rumprogrammer. Der var ingen finansiering, ingen var interesseret i rummet og satellitnavigation. Som følge heraf var der i 2002 kun 7 satellitter, der stadig var i drift. Russerne gik dog i gang og satte som en del af genopretningsprogrammet 2002-2011 de forbedrede GLONASS-K-satellitter i drift, samt de tilhørende moderne jordkontrolsystemer.
På det næste trin af moderniseringen, i 2012-2020, blev hovedvægten lagt på at forbedre egenskaberne ved PNT (positionering, navigation og synkronisering) for at øge statens sikkerhed og kapaciteten i dens forsvar og civile systemer. Der arbejdes i øjeblikket på den næste generation af satellitter, kendt som GLONASS-K2.
kinesisk BeiDou
Kina begyndte at udvikle et satellitnavigationssystem i slutningen af det 2000. århundrede. I 1 lykkedes det at lukke første fase af udviklingen af BDS-1, der er bedre kendt som navigationssatellitsystemet BeiDou-2. Som en del af dette projekt blev Kina og de nærmeste udlandet forsynet med positioneringssystemer. Næste trin var BDS-2020 med et satellitnetværk, der giver dækning i Asien-Stillehavsområdet. I 3, som en del af BDS-XNUMX-projektet, blev BeiDou-systemet operationelt over hele verden.
I øjeblikket er der 35 satellitter i kredsløb, og i alt har programmet allerede gennemført 59 opsendelser med nyttelast, der sætter de næste generationer af BeiDou-systemet i kredsløb. Ifølge kinesiske myndigheder deltog mere end 400 agenturer og 300 videnskabsmænd og teknikere i oprettelsen af BDS-000-programmet. For at understøtte den seneste konstellation af satellitter er der oprettet mere end 3 jordstationer til at overvåge systemets korrekte funktion. Global tilgængelighed af systemet er estimeret til 40%, og for nøgleområdet Asien-Stillehavsområdet er det endnu højere, det vil sige, at det fungerer næsten perfekt der. Kineserne gjorde også en stor indsats for at forbedre systemets nøjagtighed.
BeiDou tillader også korte tekstbeskeder på op til 14 bit (000 kinesiske tegn). Denne værdi kan også omfatte fotografier eller lydoptagelser.
Som med andre udviklinger inden for satellitnavigationssystemer betaler lokale brugere for tjenesten, men resultaterne er virkelig imponerende.
Læs også: Kina er også ivrig efter at udforske rummet. Så hvordan har de det?
Europæisk Galileo
Hvad er den største fordel ved Galileo-systemet? I modsætning til GPS og GLONASS forbliver den på civile hænder og tilhører ikke nogen bestemt regering, som det er tilfældet i det kommunistiske Kina. Systemet blev kun bygget med det civile marked for øje, og derfor påvirker befolkningens behov i sidste ende dets udvikling. Ganske vist er Galileo et frisk pust blandt militariserede positioneringssystemer. Indtil videre har Galileo-programmet gennemført 28 opsendelser og sat 30 satellitter i kredsløb. I øjeblikket bruger systemet en fuld konstellation af satellitter, men ikke alle enheder er altid tilgængelige, og nogle af dem venter stadig på deres tur i varehuse.
Ground handling-segmentet er placeret i to centre - Oberpfaffenhofen i Tyskland og Fucino i Italien. Derudover omfatter systemet et verdensomspændende netværk af overvågningssensorer, måle- og datatransmissionsstationer.
På grund af det faktum, at alle disse systemers kredsløb bliver mere og mere mættede, er Galileo-satellitterne placeret lidt højere, i en højde af 23 kilometer (den laveste er GLONASS, derefter GPS, Kinas BeiDou og i toppen af Galileo-pyramiden ). Det tager cirka 222 timer for hver satellit at kredse fuldstændigt om jorden. For de fleste steder på jorden er 14 til 6 Galileo-satellitter tilgængelige til enhver tid, hvilket betyder en meget høj nøjagtighed, som i de fleste situationer måles i centimeter frem for meter.
Galileo er kompatibel med GPS-systemet, som yderligere forbedrer målingernes nøjagtighed, og dets drift understøttes også af EGNOS-systemet (European Geostationary Navigation Service), der består af jordkomponenter og satellitter, der er ansvarlige for at forbedre driften og nøjagtigheden af satellitnavigationssystemer .
Japansk MICHIBIKI (Michhibiki)
For at sikre nøjagtigheden af navigationen på sit eget territorium skabte Japan en lille konstellation af satellitter kaldet Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) eller Michibiki. I bjergrige eller stærkt urbaniserede områder er GPS alene ofte utilstrækkelig på grund af for mange forhindringer. 4 satellitter i drift siden november 2018 eliminerer dette problem. Tre af dem er stadig i Asien- og Oceanien-regionen. I 2024 er det planlagt at nå en satellitkonstellation bestående af 7 enheder. Dette vil yderligere forbedre systemets overordnede effektivitet og gøre det uafhængigt af GPS. Dermed vil Japan sikre fuld autonomi på sit territorium.
På trods af sin lille størrelse sammenlignet med andre systemer, opfylder QZSS alle forventningerne fra den japanske befolkning og understøtter desuden skibsfart i alle de lande, der ligger på meridianerne, der passerer gennem Japans territorium.
Derudover har Japan også et GPS/Michibiki-præcisionsstøttesystem kaldet MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS). Den består af 2 satellitter, som blandt andet leverer vejrdata.
NavIC (NAVigation with Indian Constellation) er den indiske analog af GPS, som også kaldes Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS). Systemet, efter at have nået alle dets muligheder, vil i sin drift ligne det japanske. I øjeblikket er der 7 satellitter i kredsløb, der giver positionering i Indien og i en afstand på op til 1500 kilometer fra landets grænser. Systemet er ikke afhængigt af GPS.
NavIC er understøttet af GAGAN (Geosynchronous Augmented Navigation System with GPS), som består af tre ekstra satellitter og jordinfrastruktur. Med introduktionen i brug er kløften mellem EGNOS- og MSAS-systemerne blevet slået bro, hvilket yderligere øger niveauet for civil luftfartssikkerhed.
Globale hjælpesystemer
Mens vi beskrev individuelle systemer, nævnte vi også regionale støttesystemer. Driften af satellitnavigation ud over regionale grænser kan imidlertid også understøtte globale bistandssystemer. I øjeblikket kan to af dem skelnes. Disse er Omnistar og StarFire. Begge har understøttelse af satellitnavigation, som mest bruges til behovene for moderne præcisionslandbrug. Deres brug kræver specielle modtagere, takket være hvilke landmanden, der bevæger sig gennem sine marker, kan arbejde med en nøjagtighed på op til 5-10 centimeter (rekordstøttesystemer giver en nøjagtighed på 1-2 centimeter). En sådan præcis positionering leveres som en service og kræver ekstra gebyrer, der betales direkte for levering af systemdata.
Tjenesten er baseret på Differential Global Positioning System (DGPS) og kan koges ned til brugen af en basemodtager, der er placeret et bestemt sted. Modtageren på bilen modtager udover satellitsignalet også rettelser fra den stationære basemodtager.
Omnistar er en uafhængig virksomhed, og dens sendere kan købes til en række forskellige maskiner, mens StarFire-systemet er fra landbrugsudstyrsproducenten John Deere, som tilbyder indbyggede eller eksterne systemer, der er nøjagtige til ±3 cm og fungerer med GPS og GLONASS.
Hvordan virker GPS?
I dette afsnit vil vi beskrive betjeningen af GPS ved hjælp af originalen, det vil sige den amerikanske version, fordi vi i øjeblikket har de mest tilgængelige data på den. Andre arbejder på samme måde.
Konstellation af GPS-satellitter
Et ret tæt netværk af satellitter er nødvendigt for korrekt drift rundt om i verden. I tilfælde af en konstellation af 24 satellitter kan vi være sikre på, at vi til enhver tid og på et hvilket som helst tidspunkt på Jorden er inden for rækkevidde af fire af dem. Amerikanerne lovede generelt, at mindst 24 ville være tilgængelige 95% af tiden. I øjeblikket understøttes systemet af 31 satellitter. Jorden er opdelt i 6 lige store zoner, som satellitterne bevæger sig igennem, og hver af dem har 4 felter at dække.
I juni 2011 blev der lanceret en modifikation kaldet Expendable 24. Tre af de 24 satellitter, og dermed de felter, de kontrollerer, blev boostet af en ekstra satellit for at opnå hurtigere signalopsamling og bedre nøjagtighed under vanskelige terrænforhold. Der er også sket nogle ændringer for at gøre hele netværket af 27 satellitter så effektivt som muligt.
GPS-satellitter bevæger sig i en forudsigelig MEO (Mean Earth Orbit) kredsløb i en højde af cirka 20 km, så du altid ved, hvor de er. Desuden kontrolleres deres position ved hjælp af radioteleskoper. Jordkontrolnetværket består af et hovedkontrolcenter, et backupkontrolcenter, 200 kommando- og kontrolantenner og 11 observationsstationer, så satellitternes position er altid kendt. En rotation af hver satellit rundt om Jorden tager 16 timer.
Hvordan fungerer det hele i praksis?
En satellit i kredsløb sender konstant radiosignaler, som opfanges af vores udstyr, der har de passende modtagere. Hver satellit rapporterer sin position og sendetid. Ved at vide, hvor hurtigt radiobølger bevæger sig, kan vi beregne afstanden fra denne satellit. Hvis vi modtager yderligere data fra yderligere tre satellitter og downloader data fra fire på én gang, vil enheden beregne vores placering i skæringspunktet mellem data, der kommer fra alle satellitter.
For at få tingene til at fungere gnidningsløst og præcist, har vi stadig brug for nøjagtige målinger af den tid, signalet sendes. Hvordan blev dette opnået? Hver af satellitterne bærer et atomur - det mest nøjagtige kronometer nogensinde opfundet af mennesket. Hvad er nøjagtigheden af sådan et ur? Tiden måles til nærmeste milliontedel af et sekund!
Den modtagende enhed bruger alle disse data til effektivt at beregne vores position. Men hele systemet skal også tage højde for sådanne spørgsmål som den særlige relativitetsteori, som blev skrevet af en gentleman, der er kendt som Albert Einstein. Jo længere objektet er fra tyngdekraftskilden, jo hurtigere går tiden på det, så det er nødvendigt at genberegne på hver satellit. Kort sagt, det hele er ret kompliceret, men heldigvis har vi brugt dette system i årevis nu, og vi har fundet ud af, at det virker, og det fungerer ret godt.
Naturligvis kræver den normale drift af systemet deltagelse af højt kvalificeret personale, hvis træningsniveau kan sammenlignes med rumflyvningskontrolcentrene.
GPS: milliarder i programomkostninger
Efter opsendelse i kredsløb, vil satellitten ikke fungere der for evigt. Ældre versioner har en livscyklus på 7,5 år, nyere versioner 12 år, og det seneste GPS III/IIIF-system forventes at forblive i kredsløb i 15 år (data for den amerikanske version af systemet). Efter denne tid skal apparatet udskiftes, så en ny prøve skal bygges under sterile forhold, og først da kan dette kunstværk gå i kredsløb.
Udover udstyr i rummet er der også overvågningsudstyr på jorden og højtuddannet personale, der er ansvarlig for at styre systemet. Arbejdet med at forbedre jordkomponenten er også i gang, med et stort fokus nu på den nye næste generations operationelle kontrolsystem (OCX) og relaterede undersystemer. Ændringer indføres gradvist for ikke at forstyrre driften af hele GPS-systemet.
Omkring 1,7 milliarder dollars (2020 regnskabsår) bruges på at understøtte hele systemet. For regnskabsåret 2021 bad udviklerne den amerikanske kongres om 1,8 milliarder dollars til omkostningerne ved at vedligeholde GPS-systemet. Derfor, givet sådanne beløb, er det kun de største lande, der har råd til at opretholde et autonomt system, og resten skal bruge de eksisterende. For at vise, hvordan omkostningerne ved programmet vokser, kan vi kun sige, at det i 2012 var 750 millioner dollars (vi tager ikke engang højde for inflation, beregningsmetoden og dens niveau her).
Er det nemt at blokere GPS?
GPS-systemets gyldne dage i de væbnede styrker er langsomt ved at blive glemt. Dæmpning og jamming af satellitsignaler bliver mere og mere almindeligt, og som følge heraf er præcisionsvåben, der udelukkende er baseret på rumdata, ikke længere så effektive, som de engang var. Problemet påvirker ikke kun selve våbnene, men også fly, skibe, landkøretøjer og enhver anden enhed, der er udstyret med en GPS-modtager.
Vi har mere end én gang set eksempler på blokering af GPS-signalet i "hot" steder på Jorden. Det skete, at enorme skibe i havnen eller sejler, for eksempel i Sortehavet, pludselig forsvandt fra kortene og dukkede op på dem 30 kilometer væk, og dette er forbundet med russernes handlinger i denne region. For at fortsætte dette emne skal det siges, at lignende foranstaltninger ofte afholdes i Syrien for at sikre driften af russiske baser i regionen. Selv Israel lider af denne form for interferens, hvor GPS'en nogle gange fungerer dårligere, og det er et alvorligt problem, for eksempel for civil flytrafik.
Det er ikke specielt svært at forstyrre et GPS-signal. En radiosender med passende effekt og frekvens placeret i nærheden af et beskyttet mål forhindrer GPS-modtagere i at modtage de korrekte data. Satellitproducenter forsøger at bekæmpe dette ved at udvikle stadigt mere interferensbestandige signaler, som er udstyret med de nyeste versioner af udstyret. Dette er dog et spil med kat og mus, og fordelen er på ødelæggernes side. De kan reagere hurtigere på forandringer med lavere omkostninger og større muligheder. Satellitter ændrer sig jo ikke på en uge.
Ud over lumske formål bruges GPS-blokeringsmetoder også til at beskytte statsoverhoveder. Det er ikke overraskende, at russerne er særligt glade for sådanne værktøjer. Det gælder især Putins bevægelser, som de forsøger så meget at skjule, at i den region, hvor han befinder sig, vil alle navigationssystemer måske slet ikke fungere i et vist tidsrum. Russerne beskytter deres præsidents rejserute så meget som muligt, så ved at blokere navigationssystemer forsøger de, i det mindste delvist, at udelukke et droneangreb.
På trods af de ovennævnte problemer og mangler skal vi ikke forvente, at militæret opgiver GPS-systemet. Tværtimod vil kampen mod jamming-systemer blive intensiveret, og der vil blive tilføjet yderligere systemer til udstyr og våben, der forhindrer jamming af GPS-signalet.
Inertinavigation vil fortsætte med at blive bedre, og præcisionsvåben vil altid have en anden, lige så effektiv sigtemetode i reserve. I øjeblikket arbejdes der intensivt på sådanne løsninger. Der tales om billednavigation, astronavigation (at gå tilbage i tiden?) og magnetisk anomali-navigation. Højteknologi! Derfor har vi stadig en masse interessante ting i vente.
Satellitnavigation til civile formål
Men den gennemsnitlige bruger er ikke særlig interesseret i, hvad militæret har der. Vi vil have GPS til at hjælpe os med at lokalisere vores placering, så det navigator korrekt lagt ruten for vandreture i bjergene eller en morgenløbetur eller under en biltur. Nu er det svært at forestille sig livet for en moderne person uden disse faciliteter.
I princippet kan vi sige, at selvom vi ikke bruger GPS direkte, det vil sige, at vi ikke selv tænder for modtageren, kan vi stadig bruge den. Systemet fungerer uafhængigt, det er blevet en velkendt, bekvem og nødvendig del af vores liv.
Læs også: