Naponta használjuk a Waze-t autós útjaink során és bele sem gondolunk, hogy az életünket megkönnyítő műholdas helymeghatározás számunkra alig tíz éve lett elérhető.
A Navistar GPS rendszerről röviden
Az általunk csak GPS-ként emlegetett műhold-rendszert az Egyesült Államok még a hidegháború idején tervezte meg és kivitelezésébe dollár milliárdokat ölt. A katonai üzemeltetésű rendszer 1994-ben vált teljes értékűvé ám polgári használatra csak 2000 májusában vált alkalmassá, mikor a méteres pontosságot lehetővé tevő jelről eltávolították a mesterséges zavarást.
A rendszer lelke a 31 műhold, amely 6, különböző magasságú pályán lévő csoportban kering a föld körül. A pályájukat úgy számították ki, hogy a föld minden pontján, bármely időpillanatban legalább 4 műhold legyen látható, bár a Föld lakott területének jelentős százalékán 9-12 műhold követhető egyszerre.
A navigálás elmélete
A helymeghatározás alapelve a háromszögelésen alapul, vagyis a 3 dimenziós térben ha ismerjük 3, ismert helyzetű ponttól a távolságunkat, akkor a mi helyzetünket is pontosan meg tudjuk határozni.
Mikor elindítjuk a Waze-t és a GPS vevő “életre kel”, egy bizonyos frekvencián kezd el “fülelni” és várja, hogy a háttérzajból (fehérzaj) feltűnjenek a műholdak halk “bip-bipjei” (pszeudo-fehérzaj). Minden egyes műhold ugyan azon a frekvencián ismétel egy jelet bizonyos időnként, ami tartalmazza az azonosítóját és a fedélzetén lévő atomórája által mutatott időt.
A készülékünk megvárja, míg legalább 3 műhold adatát meg nem kapja, és ezek alapján számolni kezd. Az adott frekvencián érkező rádióhullám sebességét ismerve az egyes műholdaktól kapott időt összehasonlítja és megállapítja a tőlük mért távolságot.
Persze szép és jó, hogy tudjuk, hogy ezekhez a műholdakhoz képest hol vagyunk, de ettől még nem tudjuk, hogy éppen Európában, vagy Ausztráliában autózunk-e. Emiatt a műholdak a lesugárzott idővel együtt elküldik a keringési pályájuk pontos adatait, ami alapján már meg tudjuk állapítani a helyzetünket. Mivel ez az adat igen kis adatsebességgel érkezik, gyakran több percig is eltart a hagyományos GPS-t használó készülékeknek a pozicionálás.
Igen ám, de a készülékünkben nincsen atomóra, vagyis ha nem pontos a számításhoz alapul vett idő, akkor a pozíciónk sem az! Ezért kell a negyedik műhold! 3 párhuzamos számítást végez a készülékünk, minden esetben a 4 műhold közül egy adatait kihagyja. A pontos időt és ezáltal a pontos helyet is akkor kapja meg, ha a 3 számítás eredményeként kapott pont megegyezik egymással.
A hibaforrások
Meg van a pozíciónk mégsem örülhetünk magunknak, mert a “kicsi kocsinkat” a Waze kliens még mindig a szomszéd garázsában jelzi, márpedig ez eléggé kiábrándító. Mi lehet ennek az oka?
| A hiba oka | standard GPS | differenciális GPS |
|---|---|---|
| műhold órája | 1,5 | 0 |
| pályahiba | 2,5 | 0 |
| ionoszféra | 5,0 | 0,4 |
| troposzféra | 0,5 | 0,2 |
| vevő zaja | 0,3 | 0,3 |
| visszaverődés | 0,6 | 0,6 |
Bár nagyon pontos atomórák ketyegnek a műholdakon, bizonyos okokból kifolyólag ezek eltérnek egymástól, így nem teljesen pontos időt sugároznak vissza.
A Földünk csak annyira hasonlít a gömbhöz, mint egy krumpli. Ez igen nagy probléma, mert a föld körül keringő műholdak a gravitációs középponthoz képes körszimmetrikus pályán mozognának, de a gravitációs egyenetlenségek befolyásolják ezt a pályát. Arról ne is beszéljünk, hogy bolygónk hű társa, a Hold is igen erős gravitációs vonzással bír (gondoljunk csak az ár-apály jelenségre), és ott van még a Nap is, ami nem elég, hogy gravitációs vonzást gyakorol, de a felszínén keletkező napkitörések által létrehozott napszél is odébb taszigálja a műholdakat.
Aztán ott van a légkör. Az egyes rétegekben (troposzféra, ionoszféra) való áthaladáskor változik a rádióhullámok sebessége, emiatt hibát vét a készülékünk az állandónak vett sebességgel való számoláskor.
A másik hiba, amit főleg hegyek között vagy városban tapasztalhatunk a “visszhang”, vagyis, hogy a műhold jele visszaverődik valamilyen tereptárgyról, emiatt késleltetve “hallja” azt a készülékünk.
És végül eljutottunk a készülékbe. A GSM modul, a GPS modul mind-mind egy-egy kis rádióforrás, így ezek is zavarják az “adás”, amely annyira “halk”, hogy akár egy 1 wattos teljesítményű jelzavaróval több száz km-en belül(!) lehetetlenné lehet tenni a GPS pozícionálást.
A pillanatnyi “jeltévesztést” megnézhetjük a Glonass oldalán.
A korrekciós rendszerek
Természetesen nagyon boldogtalanok lennénk, ha mindig ilyen kiszámíthatatlanul dobálna 10-20 méteres körzetben a GPS jel minket, ezért erre is kidogoztak néhány módszer.
D-GPS
A differneciális GPS (D-GPS) vevőknél egy földi jel segít ezeknek a zavaró hibáknak a lecsökkentésében, itt a gps vevő veszi a földi sugárzású jelet is, amivel korrigálja a számításait. A mobilinternet előtti időkben, illetve olyan helyeken, ahol nem lehetséges más módon az információt továbbítani ez lehet a biztos megoldás.
A-GPS
A készülékünk mégis általában néhány másodperc alatt pontosan meghatározza a helyzetünket és ez az A-GPS technológiának köszönhető. A készülék ilyenkor egy durva helymeghatározást csinál (wifi hálózatok, mobil hálózati tornyok figyelembevételével), majd ezt az adatot elküldi egy központi szervernek, amely ezen információ és a műholdak pontosan ismert helye alapján kiszámítja a helyzetünkhöz szükséges műholdatokat és azt visszaküldi a készülékünkre, ennek alapján már gyorsan megy a pozicionálás.
Hát valahogy így néz ki a NaviStar GPS rendszer alapján történő navigálás, amit mi csak GPS-ként ismerünk.
Következő cikkünkben a Glonass műholdjairól fogunk írni.
