Ako funguje GPS (Global positioning system)?

GPS alebo globálny lokalizačný systém mal pôvodne presne určovať polohu, rýchlosť a čas v jednotnom referenčnom systéme len pre vojenské potreby.

26.11.2014-02:08:00 | Tomáš Búran

#In tech

#Kozmos

História GPS siaha do začiatku 60. rokov minulého storočia, keď sa ešte používali elektronické navigačné systémy - rádiomajáky. Po objavení umelých družíc sa začala polemika, či by sa vďaka nim nedali vyrobiť presnejšie navigačné systémy. Prvý navigačný systém využívajúci umelé družice vyrobili v USA v 60. rokoch. Dostal meno Transit. Bývalý Sovietsky zväz nemohol zaostávať. Koncom 60. rokov Sovieti vyrobili podobný navigačný systém s menom Cyklon. Tieto systémy však poskytovali len dvojrozmerné súradnice a boli veľmi nepresné. Preto sa začal vývoj ich nástupcov, ktoré by dokázali určiť polohu v trojrozmernom priestore s presným časom.

Vývoj toho, z čoho vzišlo súčasné GPS, od roku 1973 riadila skupina kozmického oddelenia veliteľstva vzdušných síl USA. O 7 rokov neskôr firme Rockwell pridelili objednávku pre výrobu 28 družíc a prvá z nich vyletela v roku 1989. V rovnakom roku bol uzatvorený kontrakt s firmou General Electrics na rekonštrukciu a výrobu 20-tich ďalších, zdokonalených. Do prvého štádia IOC - Initial Operational Capability sa dostali v roku 1993 vypustením 35. družice. V celom systéme vtedy pracovalo 21 navigačných družíc a 3 záložné. V roku 1994 vývoj GPS dosiahol štádia FOC – Full Operational Capability, keď bolo v činnosti 24 družíc. Tak je tomu dodnes.

Ako fungujú atómové hodiny?

Skôr než sa dostaneme ku samotnému fungovaniu GPS, povieme si niečo o atómových hodinách, ktoré tvoria jeho dôležitú časť.

Vnútri atómových hodín sa nachádza kúsok kremeňa, ktorý pri poklepaní elektrickým nábojom začne oscilovať 5 miliónov ráz za sekundu. Problém je v tom, že táto oscilácia sa každých 90-tisíc rokov spomalí o jednu sekundu. K presnému ovládaniu týchto oscilácií sa používajú atómy cézia. Ak sa oscilácie trochu spomalia, poklepeme výbojom na kremeň v presný čas a vďaka tomu sa frekvencia oscilácie nezmení.

Dôležitý fakt, ktorý potrebujeme poznať je ten, že atómy cézia môžu mať veľkú a malú energiu. Ak ich vystavíme správnej vlnovej dĺžke žiarenia, magnetom môžu byť prevedené z nižšej energie na vyššiu. Najprv peci zahrejeme chlorid cézny a tým vytvoríme prúd iónov cézia. Potom použijeme magnet a ten ich rozdelí podľa energie. Tie s nižšou energiou vystavíme žiareniu s určitou vlnovou dĺžkou, vďaka čomu získajú vyššiu energiu. Nakoniec umiestnime detektor a odstránime všetky ióny s malou energiou. Detektor premení dopadajúce ióny na elektrický prúd, ktorý preteká z detektoru kremenným oscilátorom. Keď sa oscilácie spomalia, zmení sa aj vlnová dĺžka žiarenia dopadajúceho na ióny. Vďaka tomu bude viac iónov s nižšou energiou a prúd sa zmenší alebo zmizne. Na tento podnet elektronika klepne po oscilátore a opraví ich frekvenciu. To sa robí pomocou vhodného napätia za použitia piezoelektrického javu. Vďaka tomu dosahujú najpresnejšie atómové hodiny meškanie o jednu sekundu za 1380 miliónov rokov.

Fáza procesu, keď sú oscilácie takej vlnovej dĺžky, že iónom dodávajú energiu a tie napokon dopadajú na detektor.

Fáza procesu, keď sa oscilácie spomalia a ióny nedostávajú prísun energie zo žiarenia. Detektor nič nezachytí.

Teória relativity?

Okrem tohto sofistikovaného systému výrazne pomohol ku správnemu fungovaniu GPS aj Albert Einstein svojou teóriou relativity. GPS totiž potrebuje pre svoju činnosť satelity letiace vysoko nad Zemou (ako sme sa už vyššie dozvedeli) a tie prijímajú a odosielajú dáta prostredníctvom elektromagnetického žiarenia. Treba zohľadniť 2 efekty teórie relativity:

1. vyplýva zo špeciálnej teórie relativity. Hodinky na satelite pôjdu pomalšie než hodinky ležiace na povrchu Zeme, a to v dôsledku vysokej rýchlosti satelitu. Tento rozdiel predstavuje oneskorenie asi 7 mikrosekúnd za deň (teda +7).

2. vyplýva zo všeobecnej teórie relativity. Hodinky na satelite vysoko nad Zemou pôjdu rýchlejšie ako hodinky na Zemi a to v dôsledku (slabšieho) pôsobenia zemskej gravitácie. Podľa toho budú satelitné hodinky predbiehať o 46 mikrosekúnd za deň (teda -46).

Výsledok je taký, že satelitné hodinky budú v skutočnosti tie na povrchu predbiehať o 39 mikrosekúnd za deň (teda +7-46=-39). Možno sa to zdá ako malá chyba, lenže chyby merania by dosahovali až 10 kilometrov za deň.

Ako funguje GPS?

Keď už vieme ako fungujú atómové hodiny a vieme odhaliť aj relativistické odchýlky, poďme ku samotnému princípu fungovania GPS. Nad zemským povrchom obieha už spomínaných 24 satelitov. Jeden GPS prijímač potrebuje dáta zo 4 satelitov: jeden k nastaveniu času na prijímači a 3 pre určenie polohy. Prvý satelit vyšle signál k prijímaču, ktorý má dáta o presnej polohe a čaše odoslania. Prijímač zistí pomocou matematických operácií vzdialenosť prijímača od satelitu. S druhým satelitom sa vykoná tá istá operácia. Vďaka tomuto procesu vytvoria určitý priesečník, kde sa prijímač môže nachádzať. Napokon vďaka tretiemu satelitu môžeme určiť polohu presne. Presnosť dnešných GPS je približne 1 meter.

Obrázok satelitov pri určovaní presnej polohy.

-