Šajā emuāra ierakstā mēs izpētīsim, kā darbojas GPS, kā tas aprēķina mūsu atrašanās vietu un kā GPS satelīti sniedz atrašanās vietas informāciju jebkurā Zemes vietā.
GPS ir tehnoloģija, ar kuru mēs ikdienā esam ļoti labi pazīstami, neatkarīgi no tā, vai tā ir policija, kas izseko aizdomās turētā atrašanās vietu, vai viedtālruņa navigācijas izmantošana. Šeit ir aina no Dena Brauna romāna "Da Vinči kods". Sofija un Langdons slēpjas tualetē. Sofija nolemj palīdzēt Langdonam aizbēgt; viņa izņem izsekošanas ierīci no viņa mēteļa kreisās kabatas, ievieto to ziepju gabaliņā un iemet garāmbraucošas piekabes virzienā. Policija kļūdaini uzskata, ka Langdons ir iekāpis piekabē, un veltīgi dzenas tai pakaļ, ļaujot Langdonam un Sofijai droši aizbēgt no Luvras muzeja. Kā policijai izdevās izsekot Langdona atrašanās vietu, izmantojot izsekošanas ierīci? Tās darbības princips ir balstīts uz GPS.
GPS (globālā pozicionēšanas sistēma) ir satelītnavigācijas sistēma, kas aprēķina lietotāja atrašanās vietu, izmantojot satelītu pārraidītos signālus.
Vai atrašanās vietu var noteikt, izmantojot tikai vienu satelītu? Diemžēl nē. Tas ir tāpēc, ka attāluma informācija, ko sniedz tikai viens satelīts, atbilst neskaitāmām iespējamām atrašanās vietām tieši šajā attālumā. Palielinoties satelītu skaitam, pārklājošās atrašanās vietas sašaurinās no apgabala līdz līnijai un pēc tam līdz vienam punktam.
Lai saprastu optimālo satelītu skaitu, mums vispirms ir jāsaprot dimensiju jēdziens. Dimensijas nosaka virzienu skaits, kuros objekts var neatkarīgi pārvietoties. Tas ir tāpēc, ka zināšanas par to, cik tālu un kurā virzienā objekts ir pārvietojies no atskaites punkta, ļauj mums noteikt tā pozīciju.
Vienā dimensijā objekta pozīciju var noteikt, vienkārši zinot, cik tālu tas ir pārvietojies uz priekšu vai atpakaļ. Divās dimensijās ir nepieciešama informācija divos virzienos — uz priekšu/atpakaļ un pa kreisi/pa labi. Tātad, kā ir ar trīsdimensiju telpu? Ir nepieciešami visi trīs virzieni — uz priekšu/atpakaļ, pa kreisi/pa labi un uz augšu/uz leju. Tā kā telpa, kurā mēs dzīvojam, ir trīsdimensiju, pozīcijas aprēķināšanai ir nepieciešama informācija par visiem trim šiem virzieniem.
Tāpēc precīzas pozīcijas aprēķināšanai trīsdimensiju telpā ir nepieciešami četri satelīti, jo ir nepieciešama informācija par atskaites punktu, kā arī virzieniem uz priekšu-atpakaļ, pa kreisi-pa labi un uz augšu-uz leju. Tomēr, izmantojot faktu, ka lietotājs atrodas uz Zemes virsmas, pati Zeme var kalpot kā atskaites plakne, kas nozīmē, ka teorētiski pozīciju var aprēķināt, izmantojot tikai trīs satelītus. Tomēr faktiskās GPS sistēmas izmanto kopumā četrus satelītu signālus. Papildu satelīts tiek izmantots, lai labotu laika kļūdas, kas rodas signālu pārraides un uztveršanas laikā; tas palīdz noteikt precīzāku pozīciju, aprēķinot laiku, kas nepieciešams, lai gaisma pārvietotos.
Tagad aplūkosim, kā tiek aprēķināta no satelītiem saņemtā attāluma informācija. Šajā sadaļā jūs uzzināsiet, kāpēc Pitagora teorēma un trigonometriskās funkcijas, kuras jūs apguvāt pamatskolas matemātikā, ir svarīgas.
Triangulācija ir metode, kas ļauj aprēķināt dotā punkta koordinātas un attālumu, izmantojot trijstūru īpašības. Dotiem diviem atskaites punktiem, ja izmērāt leņķus, ko veido pamatne un pārējās divas trijstūra malas, ko veido nezināmā atrašanās vieta un divi atskaites punkti, un zināt malu garumus, varat aprēķināt koordinātas un attālumu, izmantojot sinusu likumu un citas formulas.
Piemēram, pieņemsim, ka mēs mērām attālumu no pludmales līdz kuģim jūrā. Novērotājs mēra leņķus α un β attiecīgi no diviem fiksētiem punktiem, A un B. Ja attālums l starp A un B ir dots vai ja abu punktu koordinātas ir zināmas, kuģa koordinātas punktā C var aprēķināt, izmantojot līdzīgu trijstūru īpašības un sinusu likumu, un var noteikt arī attālumu d no pludmales līdz kuģim. GPS darbojas pēc tā paša principa.
Tas aprēķina objekta atrašanās vietu uz Zemes, apvienojot satelītu pozīcijas ar no tiem izmērīto attāluma informāciju.
Pašlaik GPS sistēma sastāv no aptuveni 31 darbojošās satelīta; no tiem parasti 24 vai vairāk veido galveno operatīvo sistēmu, bet pārējie kalpo kā rezerves satelīti vai nodrošina veiktspējas uzlabojumus. Šie satelīti riņķo ap Zemi vairākās orbitālās plaknēs un ir konstruēti tā, lai vairākus GPS satelītus varētu vienlaikus novērot no jebkuras vietas pasaulē. Tas nodrošina stabilu signālu no vismaz četriem satelītiem, sniedzot precīzāku informāciju par atrašanās vietu. GPS satelītus darbina saules paneļi.
Veltiet brīdi, lai paskatītos naksnīgajās debesīs. Ja redzat īpaši spilgtu, kustīgu punktu, tas varētu būt GPS satelīts, kas aprēķina jūsu atrašanās vietu.
