Šiame tinklaraščio įraše nagrinėsime, kaip veikia GPS, kaip jis apskaičiuoja mūsų buvimo vietą ir kaip GPS palydovai teikia informaciją apie buvimo vietą bet kurioje Žemės vietoje.
GPS – tai technologija, su kuria esame labai gerai susipažinę kasdieniame gyvenime, nesvarbu, ar tai būtų įtariamojo buvimo vietos nustatymas policijai, ar išmaniojo telefono navigacijos naudojimas. Štai scena iš Dano Browno romano „Da Vinčio kodas“. Sofi ir Langdonas slepiasi tualete. Sofi nusprendžia padėti Langdonui pabėgti; ji ištraukia sekimo įrenginį iš kairės jo palto kišenės, įdeda jį į muilo gabalėlį ir sviedžia link pravažiuojančios priekabos. Policija klaidingai mano, kad Langdonas įlipo į priekabą, ir veltui ją vejasi, leisdama Langdonui ir Sofi saugiai pabėgti iš Luvro muziejaus. Kaip policijai pavyko nustatyti Langdono buvimo vietą naudojant sekimo įrenginį? Šio įrenginio veikimo principas slypi GPS.
GPS (Visuotinė padėties nustatymo sistema) yra palydovinė navigacijos sistema, kuri apskaičiuoja vartotojo buvimo vietą naudodama palydovų siunčiamus signalus.
Ar vietą galima nustatyti naudojant tik vieną palydovą? Deja, ne. Taip yra todėl, kad vien vieno palydovo teikiama atstumo informacija atitinka daugybę galimų vietų tokiu tiksliu atstumu. Didėjant palydovų skaičiui, persidengiančių vietų skaičius mažėja nuo vienos srities iki linijos, o vėliau iki vieno taško.
Norėdami suprasti optimalų palydovų skaičių, pirmiausia turime suprasti matmenų sąvoką. Matmenys apibrėžiami krypčių, kuriomis objektas gali judėti nepriklausomai, skaičiumi. Taip yra todėl, kad žinodami, kiek toli ir kuria kryptimi objektas pasislinko nuo atskaitos taško, galime nustatyti jo padėtį.
Viename matmenyje objekto padėtį galima nustatyti tiesiog žinant, kiek jis pajudėjo pirmyn arba atgal. Dviejuose matmenyse reikalinga informacija dviem kryptimis – pirmyn/atgal ir į kairę/dešinę. Taigi, kaip dėl trimatės erdvės? Būtinos visos trys kryptys – pirmyn/atgal, į kairę/dešinę ir aukštyn/žemyn. Kadangi erdvė, kurioje gyvename, yra trimatė, norint apskaičiuoti padėtį, reikalinga informacija apie visas tris šias kryptis.
Todėl norint apskaičiuoti tikslią padėtį trimatėje erdvėje, reikia keturių palydovų, nes reikia informacijos apie atskaitos tašką, taip pat apie kryptis pirmyn-atgal, į kairę-dešinę ir aukštyn-žemyn. Tačiau, pasinaudojant tuo, kad vartotojas yra Žemės paviršiuje, pati Žemė gali būti naudojama kaip atskaitos plokštuma, o tai reiškia, kad teoriškai padėtį galima apskaičiuoti naudojant tik tris palydovus. Tačiau tikrosios GPS sistemos naudoja iš viso keturių palydovų signalus. Papildomas palydovas naudojamas laiko paklaidoms, atsirandančioms signalų perdavimo ir priėmimo metu, ištaisyti; jis padeda nustatyti tikslesnę padėtį, apskaičiuodamas šviesos skrydžio laiką.
Dabar pažiūrėkime, kaip apskaičiuojama iš palydovų gaunama atstumo informacija. Šiame skyriuje suprasite, kodėl svarbios Pitagoro teorema ir trigonometrinės funkcijos, kurių mokėtės vidurinės mokyklos matematikos pamokose.
Trianguliacija – tai taško koordinačių ir atstumo iki jo apskaičiavimo metodas, naudojant trikampių savybes. Turint du atskaitos taškus, išmatuojant kampus, kuriuos sudaro pagrindas, ir kitas dvi trikampio kraštines, kurias sudaro nežinoma vieta ir du atskaitos taškai, ir žinant kraštinių ilgius, koordinates ir atstumą galima apskaičiuoti naudojant sinusų dėsnį ir kitas formules.
Pavyzdžiui, tarkime, kad matuojame atstumą nuo paplūdimio iki jūroje esančio laivo. Stebėtojas matuoja kampus α ir β atitinkamai iš dviejų fiksuotų taškų, A ir B. Jei duotas atstumas l tarp A ir B arba jei žinomos dviejų taškų koordinatės, laivo koordinatės taške C gali būti apskaičiuotos naudojant panašių trikampių savybes ir sinusų dėsnį, taip pat galima nustatyti atstumą d nuo paplūdimio iki laivo. GPS veikia tuo pačiu principu.
Jis apskaičiuoja objekto vietą Žemėje, derindamas palydovų padėtis su atstumo informacija, išmatuota nuo jų.
Šiuo metu GPS sistemą sudaro maždaug 31 veikiantis palydovas; iš jų paprastai 24 ar daugiau sudaro pagrindinę operacinę sistemą, o likusieji yra atsarginiai arba pagerina našumą. Šie palydovai skrieja aplink Žemę keliomis orbitinėmis plokštumomis ir yra suprojektuoti taip, kad iš bet kurios pasaulio vietos vienu metu būtų galima stebėti kelis GPS palydovus. Tai užtikrina stabilų signalą iš mažiausiai keturių palydovų, teikiantį tikslesnę informaciją apie buvimo vietą. GPS palydovus maitina saulės baterijos.
Skirkite akimirką žvilgtelėti į naktinį dangų. Jei matote ypač ryškų, judantį tašką, tai gali būti GPS palydovas, skaičiuojantis jūsų buvimo vietą.
