Wytłumaczę ci w 60 sekund: Jak działa nawigacja satelitarna?

Włączając odbiornik GPS, mimowolnie wykorzystujemy wyrafinowaną technikę wojskową, a nawet... teorię względności

Ponieważ sukces ma wielu ojców, nie wiadomo, kto był pierwszy: Mitsubishi, Alpine, Honda czy też niejaki Steven Lobbezoo, który już w 1985 r. pochwalił się samochodową nawigacją satelitarną własnej konstrukcji. Dziś jest ich zatrzęsienie. Ale łączy je jedno - zasada działania.

Aby bez błądzenia tudzież wodzenia palcem po mapie przejechać autem np. z Warszawy do Lizbony, potrzebne są satelity, naziemne stacje kontrolne i odbiornik GPS (Global Positioning System). Całość przypomina bardziej przyjazną wersję zabawy w zimno - ciepło. Tym, co widzi jednocześnie i nas, i cel, są satelity. A że cel bywa daleko, satelity muszą być wysoko.
I są - aż 20 183 km nad równikiem. Dlaczego aż tak wysoko? By nie zużywały się trąc o cząstki powietrza (w kosmicznej próżni ich nie ma), ale przede wszystkim, by nie spadły na Ziemię (siła grawitacji maleje wraz z wysokością).

Gdyby Ziemia była całkiem płaska albo samochody nie jeździłyby,

lecz tylko stały, wystarczyłyby dwa satelity plus trzeci pomocniczy. Ale że tak nie jest, muszą być przynajmniej cztery - inaczej nasz odbiornik GPS nie będzie dość precyzyjny. By był precyzyjny i „globalny”, a więc działał też na antypodach, satelitów musi być więcej.
I jest - w sumie 31, z czego 28 aktywnych (nasz odbiornik GPS widzi naraz najwyżej 12, a zwykle od 5 do 10). Ponieważ satelity GPS nie są geostacjonarne (te wiszą wyżej, bo tam grawitacja jest śladowa), by zrównoważyć przyciąganie Ziemi siłą odśrodkową, muszą śmigać po orbitach z prędkością aż 13 946 km/godz. (zgodnie z zasadą, że im niżej, tym szybciej), okrążając Ziemię dwa razy na dobę, a dokładnie co 11 godzin i 58 minut (najszybszym satelitom udaje się to w 90 minut).

Co prócz tego robią? Ślą sygnały radiowe. Te sygnały docierają z prędkością światła do odbiornika GPS - im dalej, tym dłużej. Odbiornik GPS zna położenie satelitów (tzw. almanach - ma go w oprogramowaniu), porównuje czasy dotarcia wysyłanych przez nie sygnałów i na tej podstawie oblicza swą (i naszą) pozycję (którą błyskawicznie nakłada się na wgraną uprzednio mapę) oraz prędkość i czas. Brzmi prosto, ale wcale takie nie jest. Kluczowe znaczenie ma tu pomiar czasu i synchronizacja.

A te są przekłamywane na kilka sposobów:

z powodu różnic prędkości Ziemi i satelitów GPS, zegary na tych ostatnich biją o 7 mikrosekund na dobę szybciej (tzw. dylatacja czasu). Natomiast z powodu różnic w odległości od Ziemi (i innego zakrzywienia czasoprzestrzeni wywołanego jej masą) zegary ziemskie wyprzedzają satelitarne o 45 mikrosekund na dobę. Oba te zjawiska, związane z teorią względności Einsteina, dają w sumie 38 mikrosekund różnicy (45-7) pomiędzy wskazaniami zegarów tu i tam. Tych 38 milionowych części sekundy wystarczy, by już w ciągu pierwszej doby wskazania GPS rozjechały się z faktycznymi o 10 km. Inne przyczyny aberracji to: opóźnienia w jono - i troposferze (dwie najniższe warstwy atmosfery, błąd około 8 m), różnice między faktyczną a teoretyczną pozycją satelitów (tzw. błąd efemeryd - ok. 3 m), odbiór sygnałów odbitych (np. od wieżowców - ok. 1 m), no i niedokładności czujników w odbiornikach GPS (ok. 3 m) i samych zegarów (ok. 3 m).

Przeczytaj także:

Jak działa OLED?

Jak widać, wskazania zegarów muszą być szybko i znacznie korygowane. Samo oprogramowanie tu nie wystarczy. Potrzebne są też stacje: bazowe i naziemne. Sieć takich stacji śledzi położenie satelitów eliminując błędy zegara satelity, efemeryd i atmosfery. Sygnały z odpowiednimi poprawkami docierają z naziemnych stacji do satelitów. Te koordynują czas między sobą, po czym ślą sygnały m.in. do naszego odbiornika GPS. Każdy taki sygnał trwa 30 sekund oraz zawiera informacje o czasie emisji i orbicie satelity. Jak to działa w praktyce? Tak dobrze, że do maja 2000 roku sygnały z satelitów zakłócano, by zmniejszyć dokładność systemu GPS. O jego obecnej sprawności świadczy precyzja lokalizacji, w najlepszych odbiornikach cywilnych sięgająca 3 m. Odbiorniki wojskowe, które mogą odbierać dodatkowy sygnał o niższej częstotliwości, mają dokładność 10 razy większą (do 30 cm).

Nawigacja satelitarna, z której co dzień bezpłatnie korzystają miliony kierowców, to bezprecedensowy przykład globalnego prezentu jednego państwa. Aby się od niego uniezależnić, Rosja i Chiny rozwijają własne systemy nawigacji.

Więcej o: