Zaznacz stronę

Jednym z najpopularniejszych urządzeń w ostatnim czasie jest amerykańska nawigacja GPS. Co jest w niej takiego niezwykłego? Postaram się odpowiedzieć na no to pytanie poniżej. Pomimo, że na rynku urządzenia te tak naprawdę pojawiły się dopiero na początku XXI wieku, to ich geneza sięga lat 50. minionego stulecia. Jak większość współczesnych technologii, tak i amerykańska nawigacja GPS, powstał w zamęcie „zimnowojennego” napięcia pomiędzy ZSRR, a USA. Lata pięćdziesiąte XX wieku były czasem rywalizacji pomiędzy dwoma największymi mocarstwami ówczesnego świata – wspomnianymi już Stanami Zjednoczonymi oraz ZSRR. Rywalizacja ta przeniosła się również w kosmos. Jako pierwsi swoją satelitę na orbicie okołoziemskiej umieścili Rosjanie (Sputnik 1). Należy mieć na uwadze, że była to absolutna nowość w tamtym czasie. Amerykanie nie widzieli do końca z czym mają do czynienia. Chciano więc sprawdzić, co kryje się za tym tajemniczym obiektem okrążającym Ziemię. Aby przeprowadzić zakrojoną na szeroką skalę obserwację radzieckiej satelity, powołano specjalny sztab naukowców, którzy mieli za zadanie obserwować satelitę. Dokładniej chodziło tutaj o analizę sygnału radiowego, który był przez nią emitowany.

Okazało się, że obiekt ten nie nadaje żadnych sygnałów telemetrycznych, z których można byłoby odczytać aktualną pozycję. Jednak naukowcy wpadli na pomysł, aby do określania pozycji wykorzystać „efekt Dopplera” (różna długość fali dla obiektu zbliżającego, lub oddalającego się od obserwatora). Pomysł ten okazał się wręcz genialny, gdyż pierwszy amerykański system nawigacji satelitarnej, opierał się właśnie o efekt Dopplera. Pierwsze systemy nawigacji satelitarnej działały w oparciu o wspomniany wyżej efekt Dopplera. Jednak nawigacja GPS wykorzystuje trochę inne zależności – nie zmienia to jednak faktu, że idea wykorzystania satelitów do nawigacji zrodziła się właśnie w oparciu efekt Dopplera. Przechodząc jednak do obecnie wykorzystywanego systemu nawigacji satelitarnej. W oparciu o jaki zasady działa ta technologia? Wykorzystuje się tutaj pomiar odległości pomiędzy satelitami, które są kluczowe dla tej technologii, a odbiornikami sygnału satelitarnego. Satelita nawigacyjny GPS bloku II-F Odległość ta może być zmierzona dzięki ściśle określonej prędkości rozchodzenia się fali elektromagnetycznej (w tym radiowej) w przestrzenie – w rzeczywistości nie jest to do końca prawdą, gdyż prędkość ta jest inna w zależności od konkretnego ośrodka, jednak dla wyjaśnienia idei działania tej technologii możemy przyjąć, że fala radiowa ma stałą prędkość.

Drugim kluczowym elementem dla pomiaru odległości pomiędzy odbiornikiem, a satelitą, jest określenie czasu propagacji sygnału satelitarnego. Jeżeli znamy czas propagacji oraz czas otrzymania sygnału, innymi słowy wiemy jak długo fala radiowa przemierzała przestrzeń pomiędzy satelitą, a odbiornikiem, a ponadto znamy prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej, jesteśmy w stanie określić odległość jaka dzieli odbiornik, a satelitę. Ponadto konieczna jest jeszcze znajomość położenia satelity, co jest wbrew pozorom proste do osiągnięcia (informacja ta przychodzi wraz z sygnałem radiowym). Jednak jedna satelita to za mało. Pomiar odległości pomiędzy odbiornikiem do nawigacji GPS, a jedną satelitą powoduje, że nasz odbiornik lokuje się „gdzieś” na powierzchni sfery, gdzie promień, to właśnie odległość, którą zmierzyliśmy. Dwie satelity sprawiają, że nasz odbiornik jest „gdzieś” na przecięciu dwóch sfer, których promienie równe są odległością do satelitów. Dopiero odległość od trzech satelitów sprawia, że istnieją tylko dwa punkty, gdzie nasze urządzenia do nawigacji może się znajdować. Jeden z nich wykluczamy, gdyż znajduje się w nienaturalnym położeniu, lub jego prędkość poruszania się jest zbyt szybka. Teoretycznie trzy satelity powinny wystarczyć, lecz w praktyce konieczna jest jeszcze czwarta, gdyż tylko wtedy można precyzyjnie policzyć czas propagacji sygnału z każdej z satelitów (cztery równania z czterema niewiadomymi).