Helymeghatározás globálisan: a GPS rendszer

Történetünk hajnalán a földrajzi tájékozódáshoz a fontosabb tereptárgyak (sziklák, magasabb fák, folyómedrek) és az égi objektumok (Nap, fényesebb csillagok) megfigyelését használták. A távolságot pedig a lépések leszámlálásával vagy esetleg a sebesség és az út megtételéhez szükséges idő becslésével határozták meg.

A nagy ősi civilizációk igen magas szintre emelték az égi objektumok (a Nap, a Hold, a fényesebb csillagok és bolygók) mozgásának megfigyelését. Ma biztosak vagyunk abban, hogy például Stonehenge szikláit vagy az egyiptomi piramisokat ilyen célokra is használták. Időszámításunk előtt 201-ben Eratoszthenész már képes volt arra, hogy a földrajzi helyek szélességi adatai közötti különbséget közelítőleg meghatározza a delelő Nap helyzetének megfigyelésével (erre alapozva még a Föld sugarát is megbecsülte).

A középkortól kezdve a helymeghatározáshoz szükséges technológiai fejlesztések igazi motorja a tengeri navigáció volt. A pontos kronométer kifejlesztését az angol kormány az angol flotta 1707-ben bekövetkezett hajótörése után kezdeményezte, és az erre a célra kiírt pályázatot John Harrison nyerte meg egy komplikált, de nagyszerű mérnöki alkotással. A tengeri hajózás elmúlt századaiban a földrajzi szélességet szextánssal, a földrajzi hosszúságot kronométerrel és a Nap delelési idejének megfigyelésével határozták meg. Ezeket a globális mérési adatokat kiegészítették tengerparti jelzőpontok (világítótornyok, sziklák) megfigyelésével és a hajózási sebesség mérésével.

A 20. század elejéig a hagyományos tengeri navigációs eszközök kielégítették a felhasználók igényeit, a légi navigáció azonban új megoldásokat követelt. Bár az iránytűket, magasságmérőket és szextánsokat továbbfejlesztették és új sebességmérő eszközöket is kifejlesztettek, az alapvető újdonságot a rádiós iránymérés technológiájának bevezetése jelentette. A hagyományos geodéziai technológiák és mérési eszközök a 20. században is alkalmazhatók voltak a legtöbb probléma megoldására, de a globális geodéziai feladatokhoz, például a különböző földrészek egymáshoz viszonyított mozgásának pontos méréséhez új módszerekre volt szükség.

GPS: AZ „ITT ÉS MOST” TECHNIKÁJA

A műholdas globális helymeghatározó rendszer (Global Positioning System – GPS) olyan új és korszerű technológia, amely hagyományos feladatokat új eszközökkel old meg. Alapvető paramétereit 1973-ban az Amerikai Egyesült Államok katonai apparátusa határozta meg. Az első műhold fellövésére 1978-ban került sor, a rendszer szolgáltatásai hivatalosan 1995-ben indultak meg. A GPS rendszer a felhasználó helyzetét távolságmérés alapján határozza meg. A működés alapfeltétele az idő igen pontos mérése és a Föld körüli pályán keringő műholdak helyzetének pontos ismerete, ezért minden műholdon cézium és rubídium atomórák találhatók, melyek abszolút pontossága eléri a 10-13-10-14 értéket. Ez azt jelenti, hogy egy ilyen pontosságú óra kb. 300 000 – 3 000 000 év alatt késik vagy siet egyetlen másodpercet. Ennek jelentőségét jól mutatja, hogy ha 10 milliárdod másodpercnyi hibát vétünk az időmérésben, akkor ennek következtében a távolságokat csak három méter hibával tudjuk meghatározni. A technikai és technológia fejlődése éppen a múlt század 80-as, 90-es éveiben tette lehetővé, hogy e két feltételt egyszerre teljesíteni lehessen.

A GPS rendszerben ismert helyzetű Föld körüli pályákon keringő műholdak jeleket sugároznak a Föld felszíne felé. A földi vevőkészülék ezeknek a jeleknek a mérési adataiból, illetve az általuk szállított információk feldolgozásából meghatározza a saját helyzetét. A rendszer tehát aktív műholdakkal és passzív földi vevőkészülékkel működik. Működéséhez feltétlenül szükséges az, hogy a vevőkészülék antennája és a műholdak között ne legyen akadály, ez azt jelenti, hogy beltéri helymeghatározásra a GPS rendszer nem alkalmas. A GPS műholdak jele adatokat tartalmaz, melyek a vevőkészüléket tájékoztatják a műhold aktuális helyzetéről és a műholdon mérhető pontos időről. A rendszer minden műholdja szinkronizáltan működik, azaz óráik pontosan össze vannak hangolva, és jeleiket is pontosan azonos időben küldik a vevő felé, amely a távolságot igen egyszerűen határozza meg. Méri a jel érkezési idejét, és – ismerve a jel startjának időpontját – a jelterjedési idő kiszámítása után a fénysebesség ismeretében meghatározza a műhold és a vevőkészülék távolságát.

A RENDSZER ELEMEI: MŰHOLDAK ÉS VEZÉRLŐRENDSZER

A GPS ún. űrszegmense 24 műholdból áll, számukat és elrendezésüket úgy választották meg, hogy minél nagyobb legyen annak az esélye, hogy a Föld felszínén egy adott helyen legalább négy műholdat lehessen „látni” a vevőkészülék antennájával. Egy-egy műhold 2 tonna súlyú, a napelemek mérete 18 méter, a teljesítményfelvétel 2 kW, a műhold tervezett élettartama 15 év.

A földi vezérlőrendszer egy központi vezérlő állomásból, monitorállomásokból, és földi antennákból áll. Feladata a műholdak működésének folyamatos figyelése, az egyes egységek állapotának ellenőrzése; a műholdak pályaadatainak folyamatos mérése, a műholdon tárolt adatok frissítése; a műhold fedélzeti óráinak szinkronizálása, a pontos idő beállítása; a műholdon tárolt navigációs üzenettár frissítése, a helymeghatározáshoz szükséges korrekciós adatok (időjárási adatok, a légkör és az ionoszféra állapotjellemzői) gyűjtése és továbbítása a műholdak felé.

HELYZETÜNK MEGHATÁROZÁSA – EGYSZERŰEN

A GPS rendszer a felhasználó helyzetét – a korábban már illusztrált módon – távolságmérés alapján határozza meg. Ideális esetben, ha a műholdak és a felhasználói egység (vevőkészülék) órái pontosan együtt járnak, a távolságmérés az alábbi elvre épül: a vevőkészülék a műholdak által küldött információk alapján ismeri a műholdak pontos helyzetét és ismeri a jelek elküldésének pontos időpontját. Mivel a jelek érkezési időpontját a vevő képes mérni, a fénysebesség ismeretében a műholdak távolsága pontosan meghatározható. A távolságok kiszámítása (becslése) után a felhasználó helyzetét a műholdak helyzetét jelölő pontok köré írt gömbök metszéspontjának kiszámításával lehet meghatározni.

A JELKÓDOLÁS FURFANGJAI

A műhold által kisugárzott jelek többféle feladatot látnak el: támogatják a távolság mérését, és információkat visznek át a műholdról a vevőkészülékekbe (pl. a műhold pályaadatait, a pontos időt, a távolságmérés korrekciós adatait). A GPS rendszerben kétféle frekvenciájú (vivőfrekvenciájú) jelet használnak: egy 1575,42 MHz-est és egy 1227,60 MHz-est. A két jel pontosan szinkronban van egymással, mindkettő egy közös alapjel felharmonikusa.

Szokásos rádiós jelek alkalmazása esetén ugyanaz a vevő egy időben két vagy több jelet ugyanabban a frekvenciasávban nem tud venni, mivel a különböző forrásokból származó jelek zavarják egymást. Ezért lehetett zavarni például a Szabad Európa rádió adásait. Több műhold jelének egyidejű vétele esetén a GPS rendszer vevőjében is fellépne ez a hatás, ha nem alkalmaznának egy olyan speciális eljárást, amely lehetővé teszi a különböző műholdakról érkező jelek szétválasztását. Ez az eljárás a kódosztásos többszörös hozzáférés, amelyben az egyes párhuzamosan érkező jeleket alkalmasan megválasztott kódok különböztetik meg egymástól.

A vevő detektorában ismerjük az egyes műholdak által alkalmazott kódok mintáit, és egy adott műhold jelét úgy mérjük, hogy a vevőbe érkező jelet megszorozzuk az adott műhold jelének mintájával, és az így kapott szorzatokat összeadjuk. Ezt az eljárást nevezzük korrelációs vételnek. A GPS rendszerben kétféle kódot használnak: a C/A kód a standard helymeghatározó szolgáltatást támogatja, a P(Y) kód pedig a precíz helymeghatározási szolgáltatást.

AMI A PONTOSSÁGOT BEFOLYÁSOLJA

Akkor pontos a GPS rendszer helymeghatározása, ha a négy szükséges műhold közül három a horizont közelében van lényegében egyenletesen elosztva a horizont mentén, egy pedig a zenit közelében található. A műholdak köré rajzolható gömbök ugyanis ekkor metszik egymást a legkedvezőbben.

A GPS rendszer pontosságát befolyásolják emellett a műholdak pályaadatainak hibái; a hullámterjedés sebességének változása – közismert tény, hogy a fénysebesség függ az aktuális közegtől, vákuumban más, mint egyéb anyagokban; tudjuk, hogy például a fénytörés jelensége is ezzel hozható kapcsolatba; a GPS rendszerben a fény terjedési sebessége függ az ionoszféra állapotától (a töltött részecskék sűrűségétől) és a légkörben uralkodó aktuális viszonyoktól (hőmérséklet, nyomás, nedvességtartalom, egyéb jelenségek); a többutas hullámterjedés; a GPS vevő környezete (árnyékolás, takarás) és a környezetben érzékelhető elektromágneses zajok.

A pontosság növelhető, ha növeljük a földi vezérlő és monitorállomások számát, ami lehetővé teszi a pályaadatok pontosságának növelését, a hullámterjedéssel kapcsolatos korrekciós adatok pontosabb meghatározását, az időmérés precízebbé tételét. Növelhetjük a mérési frekvenciák számát is – ez módot ad az ionoszféra által okozott hullámterjedési késleltetés pontos meghatározására. És fontos lehetőség a differenciális helymeghatározási elv alkalmazása, ami a helymeghatározás pontosságát azáltal növeli, hogy a felhasználó pozícióját egy ismert helyzetű referencia-vevőkészülék helyzetéhez viszonyítva határozza meg.

OLCSÓ ÉS KEVÉSBÉ PONTOS, VALAMINT DRÁGA ÉS NAGYON PONTOS ALKALMAZÁSOK

Természetjárás, kirándulás közben az egyszerű, hordozható kézi vevők megkönnyítik a tájékozódást a legvadregényesebb környezetben is.

A GPS rendszer talán legfontosabb alkalmazási területe a járművek helyzetének meghatározása, a tengeri, földi és légi navigáció támogatása. Alapvető szerepet játszik például a gépjárművek földfelszíni navigációjában: a jármű helyzetének meghatározásában, a dinamikus útválasztásban, a baleseti helyzetek elkerülésében, az automatikus forgalomirányításban, az ellopott járművek felderítésében.

További fontos felhasználási területet jelent a tengeri navigáció, a sporthajók és professzionális célú vízi járművek irányításának támogatása. Itt a GPS rendszert elsősorban arra használják, hogy változatos időjárási viszonyok között, bármely napszakban képes legyen a legénység a hajót a kikötő közelébe irányítani úgy, hogy elkerüljék a veszélyes partszakaszokat és a tengeri baleseteket.

Az olcsóbb szolgáltatások közé tartozik az egyszerű légi navigáció, a repülőgépek helyzetének meghatározása, a repülőterek megközelítésének a támogatása. Az egyszerűbb GPS rendszereket elsősorban arra lehet használni, hogy a landolás előkészítését segítsék.

A légi közlekedésben a repülőgépek helyzetének nagy pontosságú meghatározása, az automatikus leszállító rendszerek támogatása már a nagyobb pontosságot igénylő, drágább felhasználási területek közé tartozik. Itt a mérési pontosság mellett igen fontos az, hogy a helymeghatározás megbízható, időben folytonosan elérhető és a külső hatásokra (időjárás, véletlen hibák, ritka természeti jelenségek) érzéketlen legyen.

Az igényesebb felhasználás körébe tartoznak a geodéziai és térképészeti alkalmazások, a térinformatikai rendszerek létrehozásának támogatása. A GPS rendszer hatékonyan képes segíteni a hagyományos földmérési feladatok megoldását (telekfelmérés, építkezések helyének meghatározása, vonalas építmények helyének kijelölése), a térinformatikai rendszerek adatbázisainak feltöltését és a térképek készítését.

A hagyományos földmérési feladatokon túl egyre nagyobb a gazdasági jelentősége annak, hogy a különböző közművekről, olaj-, gáz-, víz-, villanyvezetékekről, távközlési hálózatokról, épületekről pontos információkkal rendelkezzünk. Az ilyen nyilvántartások feltöltését hatékonyan segíti a nagy pontosságú GPS rendszerek alkalmazása.

ÉS TOVÁBB: LEMEZTEKTONIKA ÉS HALRAJKÖVETÉS

Mindezek mellett a GPS képes a Föld felszínén bekövetkező lassú változások megfigyelésére, a tektonikus táblák mozgásainak vizsgálatára. A tektonikus táblák mozgásának elemzése lehetőséget biztosít a Föld korai korszakainak megismerésére, de arra is, hogy a földrengések okait jobban megértsük, illetve hogy azokat pontosabban legyünk képesek előre jelezni. A katasztrófa-elhárítás segítése, a szakszolgálatok (mentők, tűzoltók, rendőrség) pontosabb informálása, a bevetésirányító rendszer támogatása is fontos lehetőség. Ismeretesek mezőgazdasági alkalmazások a terméshozam növelésére, például a műtrágya optimális területi elosztásával. A ritka, vadon élő élőlények viselkedési módjának tanulmányozása, az élőterek felmérése terén is segítséget nyújt a globális helymeghatározás, de mutatja a halrajok helyzetének változását is, növelve a halászat hatékonyságát. S végül: a Föld felszínén lezajló természeti jelenségek: árvizek, gleccserek, óceánok, erdők, vagy az atmoszféra, a mocsarak megfigyelésében is jó szolgálatot tesz a technika legújabb csodája, a GPS.

PAP LÁSZLÓ villamosmérnök

Egyetemi tanár, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Karának híradástechnikai tanszékét vezeti, az egyetem rektorhelyettese. Több évtizedre visszatekintő oktatási tevékenységének főbb témái az elektronikus áramkörök, a korszerű modulációs technikák és áramköreik, valamint a hírközlés elmélete. Előadásokat tart a Veszprémi Egyetemen, illetve a Klagenfurti Egyetemen is. Több fontos szakmai és tudományos megbízatással rendelkezik, így többek között a Híradástechnikai Tudományos Egyesület alelnöke, a Magyar Mérnökök és Építészek Világszövetsége elnöke, a Magyar Tudományos Akadémia Távközlési Rendszerek Bizottság elnöke, valamint tagja a MATÁV felügyelő-bizottságának, a Magyar Űrkutatási Tanácsnak és a Széchenyi Professzori Ösztöndíj Kuratóriumának. 1997-ben Eötvös-, 1999-ben Széchenyi-díjat vehetett át.