GPS

De la Capisci

Salt la: navigare, căutare

GPS este acronimul pentru Global Positioning System, un sistem de poziţionare globală bazat pe o constelaţie de sateliţi care orbitează Pământul. GPS este sistemul dezvoltat de Statele Unite ale Americii şi unicul sistem de acest fel complet funcţional în prezent (2010). În acest articol ne propunem să explorăm aspectele cele mai interesante ale sistemului GPS.

Istoric şi context

Sistemul GPS este un proiect dezvoltat şi gestionat de armata Statelor Unite. El este continuarea unor eforturi de poziţionare automatizată începute de americani încă din anii 1940 şi folosite în timpul celui de-al Doilea Război Mondial; aceste sisteme erau bazate pe unităţi terestre, spre deosebire de GPS care foloseşte informaţii de la sateliţi aflaţi pe orbită. Uriaşul efort financiar asociat dezvoltării unei întregi constelaţii de sateliţi numai pentru poziţionare globală a fost considerat acceptabil de către Congresul Statelor Unite în contextul Războiului Rece. Numai în prezenţa sistemului GPS puteau Statele Unite să ameninţe în mod eficient statele comuniste, şi în particular Uniunea Sovietică, de pe baze mobile precum submarinele atomice.[1]

Sistemul GPS a fost prin urmare gândit de la cap la coadă ca un proiect militar. Pe de altă parte, era evident că existau o sumedenie de nevoi de poziţionare globală şi în domeniul civil. Guvernul SUA se găsea astfel într-o dilemă: odată deschisă poarta către aplicaţii civile, un sistem de poziţionare global putea fi folosit şi de către naţiuni duşmane, chiar împotriva Statelor Unite. Decizia de deschidere către aplicaţii civile a venit totuşi chiar înainte de activarea sistemului, printr-o directivă a preşedintelui american Ronald Reagan din 1983, în urma regretabilei pierderi de vieţi omeneşti cauzate de zborul Korean Air Lines 007 care a fost doborât de URSS din cauză că a intrat accidental în spaţiul aerian al Uniunii Sovietice.

Primul satelit al programului GPS a fost lansat în 1989, iar constelaţia completă de 24 de sateliţi a fost finalizată în 1994. Totuşi chiar şi în urma directivei preşedintelui Reagan, sistemul GPS nu a scăpat cu totul de dihotomia dintre aplicaţiile civile şi potenţialele riscuri militare din partea puterilor străine. Astfel, armata SUA poate limita oricând accesul aplicaţiilor civile (şi prin definiţie ale forţelor armate străine) prin adăugarea unui nivel semnificativ de zgomot semnalului provenit de la sateliţi. Aplicaţiile GPS ale armatei SUA pot descifra acest zgomot adăugat artificial, însă protocolul este secret, iar terminalele GPS civile sunt afectate în mod semnificativ. Această funcţionalitate se numeşte disponibilitate selectivă şi reduce precizia terminalelor civile cu două grade de precizie, de la nivelul metrilor la nivelul sutelor de metri. Funcţia de disponibilitate selectivă a fost dezactivată de preşedintele Bill Clinton în 2000 şi, deşi ar putea fi teoretic reactivată, acest lucru este foarte puţin probabil.[2] Deşi reactivarea acestui protocol este improbabilă, faptul că unica reţea de poziţionare globală actualmente funcţională se află sub controlul forţelor armate ale unei singure naţiuni a făcut să apară în paralel şi alte proiecte similare:

  • GLONASS este un sistem de poziţionare globală dezvoltat de Uniunea Sovietică încă din 1976, tot cu scop militar, şi care a ajuns la acoperire globală în 1991. În urma căderii URSS sistemul nu a mai fost întreţinut. Actualmente deţinut de Federaţia Rusă, GLONASS este în curs de reactualizare, împreună cu India. Conform specificaţiilor, GLONASS ar trebui să aibă 24 de sateliţi şi o precizie de ordinul zecilor de metri.
  • Galileo este un proiect al Uniunii Europene, care ar trebui să devină operaţional în 2014. Spre deosebire de GPS, Galileo va avea un grad mult mai ridicat de acurateţe (GPS are o eroare de câţiva metri, Galileo va avea o eroare de câteva zeci de centimetri). Altă diferentă notabilă este faptul că, pentru a evita temerile asociate controlului militar al GPS, Uniunea Europeană a decis în mod voluntar ca Galileo să se afle sub control civil, cu două centre de control – unul în Germania şi unul în Italia. În acest fel va exista o garanţie pentru aplicaţiile civile la nivel mondial că sistemul nu va fi afectat chiar dacă una dintre naţiunile europene care au pus bazele Galileo se află în stare de război.
  • Compass este un proiect chinezesc. China are deja un proiect experimental care foloseşte patru sateliţi, numit Beidou-1. Compass va fi etapa finală a acestui proiect, numită şi Beidou-2 şi va folosi 35 de sateliţi.
  • IRNSS este un proiect indian care ar urma să folosească şapte sateliţi. Încă nu se ştie dacă guvernul indian va continua acest proiect sau se va dedica întru totul proiectului rusesc GLONASS la care participă împreună cu Federaţia Rusă.

Cum funcţionează

Indiferent că se numeşte GPS, Galileo sau altminteri, un sistem de poziţionare globală bazat pe o constelaţie de sateliţi aflată în orbită trebuie să funcţioneze cam la fel, nu-i aşa? Hai să aruncăm un ochi peste partea tehnică a cestiunii.

Mai întâi, hai să ne imaginăm că problema e deja rezolvată: ştim cu exactitate unde ne aflăm şi putem comunica cu un satelit care trece pe deasupra capului. Care sunt fenomenele fizice pe care le putem verifica în aceste condiţii? Dacă satelitul se află pe o orbită geostaţionară (adică dacă stă locului, undeva deasupra aceluiaşi punct de pe Pământ), atunci lucrurile nu sunt prea interesante. Dacă însă se mişcă faţă de poziţia noastră este de la sine înţeles că devine semnificativ efectul Doppler. Dacă satelitul emite unde radio cu lungime de undă constantă iar noi ştim deja unde ne aflăm, atunci putem determina unde se află satelitul pe orbită numai pe baza decalării lungimii de undă a semnalului. Exact asta a fost revelaţia unei echipe de oameni de ştiinţă americani în timp ce ascultau emisiile radio ale satelitului... rusesc Sputnik.

Până acum am presupus numai că satelitul emite pulsuri radio cu lungime de undă constantă. Ce-ar fi însă dacă satelitul ar emite informaţie adevărată, actualizată permanent? Să spunem de exemplu că satelitul nostru ar transmite constant ora exactă. Dacă şi eu ştiu ora exactă, diferenţa de timp dintre ora mea exactă şi mesajul care conţine ora exactă de la satelit îmi poate spune la ce distanţă e satelitul de mine, nu-i aşa? Într-adevăr, dacă semnalul circulă de pildă cu 1 kilometru pe minut iar eu primesc la ora 20:28 semnalul „este ora 20:22” atunci voi şti că sursa se află la 6 kilometri de mine.

Toate bune şi frumoase, însă până acum am procedat şcolăreşte: am presupus că ştim deja unde ne aflăm, am presupus că ne-am sincronizat perfect ora exactă şi am presupus că semnalul circulă cu o viteză mică şi constantă. În realitate însă toate sunt anapoda:

  • terminalul GPS (care încearcă să-şi identifice poziţia la sol) nu ştie unde se află (dacă ar şti, sistemul GPS nu ar mai avea rost)
  • terminalul GPS nu ştie care este ora exactă (vom vedea mai jos cât de exactă trebuie să fie ora exactă, dar pentru moment să ne imaginăm că vorbim pur şi simplu despre un terminal nou-nouţ, nesetat, pe care abia l-am pornit pentru prima dată – de unde să ştie el ora exactă?)
  • semnalul circulă în realitate cu viteza luminii, deci aproximările aplicabile în cazul vitezelor cu care suntem obişnuiţi în viaţa de zi cu zi nu sunt aplicabile aici
  • viteza cu care circulă semnalul nu este constantă: în spaţiu semnalul radio chiar circulă cu viteza luminii, însă odată ce ajunge în ionosferă începe să încetinească.

Aşadar ceea ce suna ca o problemă de clasa a cincea, demnă de un rebus duminical, tocmai s-a complicat într-un fel din cale afară de nesuferit. Ba mai adăugaţi la cele de mai sus şi toate complicaţiile asociate cu viteza imposibilă a semnalului. Să fi avut de-a face cu viteze de ordinul zecilor, sutelor sau măcar miilor de kilometri pe oră, aşa cum suntem obişnuiţi pe Pământ, n-am fi întâmpinat vreo problemă semnificativă. Însă atunci când diferenţa absolută dintre ora exactă a terminalului GPS şi ora exactă a satelitului este de ordinul unei miimi de secundă înseamnă că toate calculele pentru determinarea distanţei se fac la ordinul fracţiunilor de milionimi de secundă!

În principiu, întreaga poveste a identificării poziţiei terminalului se reduce totuşi la identificarea distanţei dintre terminal şi fiecare dintre sateliţii pe care acesta i-a identificat. Prin urmare poziţia terminalului poate fi găsită extrapolând metoda triangulării la trei dimensiuni şi adăugând o constrângere legată de presupunerea că terminalul se află undeva pe suprafaţa Pământului. Luând în calcul toate aceste date şi constrângeri, plus presupunerea că sateliţii emit ora exactă la nivel atomic împreună cu date care să le identifice orbita, duc la soluţii unice pentru acele terminale care reuşesc, totuşi, să „vadă” cel puţin patru sateliţi. Până la urmă, tot ce are de făcut terminalul GPS este să determine cu mare precizie care este diferenţa între semnalele primite de la sateliţii identificaţi nominal.

Nivelul de precizie al orei exacte pe care trebuie să o întreţină sateliţii pentru a produce rezultate rezonabile la sol a dus incidental la o formă neaşteptată de verificare a teoriei relativităţii. Conform teoriei generale a relativităţii, câmpul gravitaţional al unui corp afectează trecerea timpului; prin urmare timpul trece marginal mai repede la suprafaţa Pâmântului decât în orbita sateliţilor folosiţi pentru poziţionare globală. E drept, un astfel de satelit „pierde” numai vreo şapte milionimi de secundă pe zi faţă de un observator terestru, însă atunci când terminalul GPS se bazează tocmai pe diferenţe de ordinul milionimilor de secundă între semnalele sateliţilor pentru a-şi calcula poziţia, diferenţe de această magnitudine trebuie luate în calcul. Prin urmare teoria generală a relativităţii este verificată de milioane de ori pe zi, de fiecare dată când cineva foloseşte un terminal GPS pentru a-şi identifica poziţia.

Note

  1. Imaginaţi-vă că vă aflaţi undeva în mijlocului oceanului şi trebuie să lansaţi o rachetă balistică intercontinentală către Moscova. În absenţa unui sistem absolut de poziţionare globală, erorile cumulate ale poziţiei submarinului şi ale traiectoriei rachetei ar face imposibilă certitudinea atingerii unei ţinte de dimensiunea unui oraş.
  2. Zgomotul adăugat de disponibilitatea selectivă (DS) trebuie prin definiţie să poată fi anulat de terminalele militare. Pentru a obţine acest rezultat, DS este implementat prin adăugarea unei cantităţi de zgomot în semnalul tuturor sateliţilor din constelaţie. Cantitatea de zgomot este variabilă în timp, însă previzibilă pentru deţinătorii cheii de generare a funcţiei de zgomot. Dată fiind complexitatea sistemului şi faptului că terminalele militare trebuie să poată anula zgomotul indus artificial indiferent de poziţia utilizatorului, zgomotul adăugat la activarea DS este identic pentru toţi sateliţii din constelaţie. Prin urmare toate terminalele GPS sunt afectate în acelaşi fel în acelaşi timp de către sursa de zgomot. Astfel, deşi un terminal izolat este afectat de DS în felul în care a fost gândită această limitare, combinaţia dintre un terminal cu o poziţie cunoscută şi un terminal mobil poate anula erorile introduse de DS. Această soluţie se numeşte GPS diferenţial, prescurtat DGPS. Armata SUA depinde de GPS atât pe timp de pace cât şi pe timp de război, deci sistemul GPS nu poate fi oprit cu totul. Pe de altă parte, funcţionalitatea de disponibilitate selectivă poate fi contracarată de o forţă inamică într-un mod relativ simplu, aşa cum s-a văzut în paragraful anterior. Prin urmare armata SUA a căutat o metodă alternativă de limitare a accesului la reţeaua GPS pentru forţele inamice. În 2000 s-a renunţat în mod practic la DS în urma implementării unei soluţii care permite limitarea pe criterii geografice a accesului la datele provenite de la sateliţii GPS pentru terminale care nu aparţin armatei SUA. În acest context, Ministerul Apărării al SUA a declarat în 2007 că următoarea generaţie de sateliţi GPS nici nu vor avea capacitatea de a implementa protocolul de disponibilitate selectivă.