A földrajzi helyzet meghatározásának igénye az emberiség történetének hajnalára nyúlik vissza. Kezdetben a földrajzi tájékozódáshoz a fontosabb tereptárgyak (sziklák, magasabb fák, folyómedrek) és az égi objektumok (Nap, fényesebb csillagok) megfigyelését használták. A távolságot a lépések megszámlálásával vagy esetleg a sebesség és az út megtételéhez szükséges idő becslésével határozták meg.
A nagy ősi civilizációk (elsősorban vallási és asztrológiai célokból) 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. Az égi objektumok megfigyelése során kialakult ismereteket a térképészet szolgálatába állították. Kr. e. 201-ben Eratoszthenész már képes volt arra, hogy a földrajzi helyek szélességi adatai közötti különbséget megközelítőleg meghatározza a delelő Nap helyzetének megfigyelésével (erre alapozva még a Föld sugarát is megbecsülte). Tehát már igen korán kialakultak azok az eljárások, amelyek alkalmasak voltak az észak–dél irányú helyzet becslésére. A kelet–nyugati irányú helyzetkülönbségeket jellemzően a megtett út vagy a sebesség és az idő mérésével határozták meg.
A középkortól kezdve a helymeghatározáshoz szükséges technológiai fejlesztések motorja a tengeri hajózás volt. A tengeri kereskedelmet és a távoli földrészek meghódítását segítette a kínai eredetű mágneses iránytű európai elterjedése. A XVI. századra az északi féltekén a földrajzi szélességet már igen pontosan meg tudták határozni a Sarkcsillag helyzetének mérésével. A földrajzi hosszúság elfogadhatóan pontos behatárolását a XVIII. századtól kezdve a nagy precizitású kronométerek kifejlesztése tette lehetővé.
A tengeri hajózásban a földrajzi szélességet szextánssal, a földrajzi hosszúságot kronométerrel és a Nap delelési idejének megfigyelésével határozták meg. Ezeket a globális mérési adatokat egészítették ki a tengerparti jelzőpontok (világítótornyok, sziklák) megfigyelésével és a hajózási sebesség mérésével.
Eközben a térképészet és a geodézia is folyamatosan fejlődött. Egyre pontosabb térképeket készítettek, a mindennapi életben egyre nagyobb lett az igény a mérések pontosságának növelésére. A földmérés tudományának kezdetei a régi Egyiptomig nyúlnak vissza, később a görögök és a rómaiak fejlesztették tovább. A térképészetben forradalmi előrelépést jelentő háromszögelés módszerét a holland Snell van Royen fejlesztette ki, az eljárást nagyobb földrajzi területek felmérésére először a francia Picard és Cassini alkalmazta.
A XX. 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. Ez már átvezet témánkhoz, a műholdas globális helymeghatározás módszeréhez, amely új eszközökkel oldja meg a hagyományos feladatokat.
Egy objektum helyzetének meghatározása általában azt jelenti, hogy egy referencia-koordinátarendszerben megadjuk a helyzetét jellemző pont koordinátáit. A feladatot a középiskolai matematika alapján értelmezve a helyzetmeghatározás: a P pont ismeretlen (x, y, z) koordinátáinak a meghatározása, azaz az objektum helyzetére jellemző távolságok megadása. Ha például az x és y tengelyek a vízszintes síkban vannak, akkor a z érték a P pont magassági helyzetére jellemző adat.
A műholdas globális helymeghatározó rendszer (GPS) alapvető paramétereit 1973-ban az Egyesült Államok katonai apparátusa határozta meg. Az első műhold 1978-ban állt pályára, 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 precíz ismerete. A technika és technológia fejlődése a múlt század nyolcvanas, kilencvenes éveire tette lehetővé, hogy e két feltételt egyszerre lehessen teljesíteni.
A GPS-rendszerben ismert helyzetű Föld körüli pályákon keringő műholdak jeleket sugároznak a földi vevőkészülékek felé, amelyek a jelek által szállított információk feldolgozásából meghatározzák saját helyzetüket. A rendszer tehát aktív műholdakkal és passzív földi vevőkészülékekkel működik.
A GPS-rendszer működésének alapfeltétele az időmérés pontossága. Minden műholdon igen pontos cézium és rubídium atomórák vannak, amelyek olyan pontosak, hogy mintegy háromszázezer–hárommillió év alatt késnek vagy sietnek egyetlen másodpercet.
A GPS-műholdak jele olyan adatokat tartalmaz, amelyek a vevőkészüléket a műhold aktuális helyzetéről és a műholdon mérhető pontos időről tájékoztatják. A rendszer valamennyi műholdjának órái pontosan összehangoltak (szinkronizáltak), és jeleiket is pontosan azonos időben küldik a vevő felé.
A GPS-rendszer három alrendszere: az űrszegmens (műholdak), a felhasználói rendszer (vevőkészülékek és szolgáltatások) és a vezérlőrendszer (földi vezérlő- és monitorállomások).
Az űrszegmens teljes kiépítésben 24 műholdat tartalmaz. A műholdak hat, az Egyenlítő síkjával 55 fokos szöget bezáró, csaknem kör alakú pályán keringenek a Föld körül. A pályákat kelet–nyugati irányban 60 fokos szögek választják el egymástól. A műholdak számát és elrendezését úgy választották meg, hogy minél nagyobb legyen annak az esélye, hogy a Föld felszínének egy adott helyén legalább négy műholdat lehessen „látni” a vevőkészülék antennájával.
A GPS-rendszer a felhasználó helyzetét távolságmérés alapján határozza meg. Ideális esetben, ha a műholdak és a vevőkészülékek órái pontosan együtt járnak, a távolságmérés alapja, hogy a vevő megméri a műhold pontos helyzetét tartalmazó jel érkezési idejét, és ismerve a jel indulásának időpontját – a terjedési idő kiszámítása után, a fénysebesség ismeretében – meghatározza a műhold és a vevőkészülék távolságát. Ez azt jelenti, hogy ha tízmilliárdod másodpercnyit hibázunk az időmérésben, akkor ennek következtében a távolságokat csak három méter hibával tudjuk meghatározni.
A GPS-rendszerben két különböző szolgáltatás támogatására kétféle kódot használnak. A C/A kódot elsősorban a civil alkalmazások használják, és érdemes megjegyezni, hogy az ezzel támogatott szolgáltatások helymeghatározási pontosságát a GPS-rendszerben szándékosan (például a kóddal együtt közölt pályaadatok hibás megadásával) csökkentik azért, hogy a pontosabb helymeghatározás lehetőségével csak az arra kijelölt felhasználók élhessenek. Ez utóbbiakat az úgynevezett P(Y) kód támogatja.
A GPS-rendszerben a helyzet meghatározásához a műholdak távolságát, illetve a műholdakról érkező jelek terjedési idejét kell megmérni. Ideális esetben, amikor a műholdak és a felhasználói vevőkészülékek órái pontosan szinkronizáltak, a helyzet meghatározásához három távolság mérésére van szükség. Sajnos a valóságban ezt az ideális helyzetet csak nagyon nagy költségekkel lehetne létrehozni: a földi felhasználói vevőkészülékek óráinak pontossága meg sem közelíti a műholdakon lévő atomórákét. A probléma azonban kiküszöbölhető, ha a vevőkészülék egyidejűleg legalább négy műholdat „lát” a látóhatár felett.
A helymeghatározás szempontjából nem mindegy, hogy a vevő által látott műholdak az égbolton hol helyezkednek el. Kiszámítható, hogy akkor pontos a GPS-rendszer helymeghatározása, ha a négy műhold közül három – lényegében egyenletesen elosztva – a horizont közelében, egy pedig a zenit közelében található.
A GPS-rendszer pontosságát több más tényező is befolyásolja. A legfontosabbak: a műholdak pályaadatainak hibái, a jel terjedési sebességének függése a pillanatnyi légköri viszonyoktól, a GPS-vevő környezete (árnyékolás, takarás, elektromágneses zajok). Ezért a földi vezérlőrendszer gyűjti és a műholdra továbbítja azokat az adatokat, amelyek a hibák javítására felhasználhatók. Néhány, a frekvenciától ismert módon függő hibaok kiküszöbölhető azzal, hogy a méréseket párhuzamosan több különböző frekvencián végzik el.
A pontosságot növeli a földi vezérlő- és monitorállomások számának növelése, továbbá a differenciális helymeghatározási elv alkalmazása is. Ez utóbbi azt jelenti, hogy a felhasználó pozícióját egy pontosan ismert helyzetű referencia-vevőkészülék helyzetéhez viszonyítva határozzák meg. Mind a felhasználónál, mind pedig a referenciaállomáson működik egy-egy GPS-vevőkészülék, amelyek egyidejűleg ugyanazoknak a műholdaknak a jelét veszik, és ennek alapján határozzák meg helyzetüket. A referenciaállomás egy külön kommunikációs csatornán keresztül folyamatosan tájékoztatja az ismeretlen helyzetű felhasználót arról, hogy az általa aktuálisan mért helyzet mennyiben tér el a referenciaállomás ismert helyzetétől. Mivel a mérési hibák jelentős része (a műholdak pályaadatainak hibája, a légkör által okozott késleltetések) a helymeghatározást mindkét vevőkészülékben azonos módon érinti, így a hibák nagy része kiküszöbölhető, s a pontosság egy nagyságrenddel növelhető.
A globális műholdas helymeghatározás alkalmazási köre az elmúlt évtizedben rohamosan bővült. Sorra jelentek meg új szolgáltatások, és hihetetlen sebességgel nőtt az őket támogató hardver- és szoftvereszközök száma.
A GPS-rendszer talán legfontosabb alkalmazási területe a járművek helyzetének meghatározása, a tengeri, földi és légi navigáció támogatása. E körben a GPS-rendszert igen sokféle célra használják: például jármű helyzetének meghatározására, balesetek elkerülésére, automatikus forgalomirányításra, ellopott járművek felderítésére. A rendszer a civil és a katonai alkalmazásokat, az egyedi és a csoportos (üzleti) felhasználókat egyaránt támogatja.
A tengeri navigációban a GPS-rendszert elsősorban arra használják, hogy a legénység változatos időjárási viszonyok között, bármely napszakban képes legyen a hajót kikötő közelébe irányítani úgy, hogy elkerülje a veszélyes partszakaszokat.
Az egyszerű légi navigációban a GPS a repülőgépek helyzetének meghatározását, a repülőterek megközelítését támogatja. A leszálláshoz ilyenkor mindenképpen szükséges a pilóta aktív közreműködése. Az igényesebb alkalmazásokhoz drágább, nagy pontosságú rendszerek szükségesek. Így például a repülőgépek helyzetének nagyon pontos meghatározásához és az automatikus leszállítórendszerek támogatásához. Itt a pontosság mellett igen fontos, hogy a helymeghatározás időben folyamatosan elérhető és a külső hatásokra (például az időjárásra) érzéketlen legyen. E célokat elsősorban a differenciális GPS-rendszer elégíti ki.
A GPS-rendszer hatékonyan segíti a hagyományos földmérési feladatok (telekfelmérés, építkezések helyének meghatározása) megoldását, a térinformatikai rendszerek adatbázisainak feltöltését és a térképek készítését. Emellett egyre nagyobb a gazdasági jelentősége annak, hogy a különböző közművekről (olaj-, gáz-, víz-, villanyvezetékekről, távközlési hálózatokról, épületekről) pontos információkkal rendelkezzünk. Az ilyen nyilvántartások feltöltését szintén segíti a nagy pontosságú GPS-rendszerek alkalmazása.
Az eddig felsoroltakon túl a GPS-rendszer további alkalmazási lehetőségeket is kínál. Ilyen például a Föld felszínén bekövetkező lassú változások megfigyelése vagy a katasztrófaelhárításban a szakszolgálatok (mentők, tűzoltók, rendőrség) pontosabb informálása.
A fenti szöveg a június 23-án elhangzott előadás rövidített, szerkesztett változata.
Az előadás megtekinthető június 28-án (szombaton) a Duna Televízióban 13.10-től, június 29-én (vasárnap) az MTV-n 13.05-től, valamint az M 2-n 23.10-től.
A Mindentudás Egyetemének következő előadása június 30-án 19.30-kor kezdődik a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem informatikai épületének B28-as előadójában (Budapest XI., Magyar tudósok körútja 2/B).
Az előadások teljes szövegét a hozzászólásokkal és a vitával együtt a
www.mindentudas.hu weblapon találják meg az érdeklődők.
Szóljon hozzá!
Jelenleg csak a hozzászólások egy kis részét látja. Hozzászóláshoz és a további kommentek megtekintéséhez lépjen be, vagy regisztráljon!