Πώς λειτουργεί η δορυφορική πλοήγηση;
Τα συστήματα δορυφορικής πλοήγησης χρησιμοποιούν ένα παγκόσμιο δίκτυο δορυφόρων που εκπέμπουν και λαμβάνουν ραδιοφωνικά σήματα. Οι δορυφόροι διαθέτουν ατομικά ρολόγια που είναι απίστευτα ακριβή. Οι πληροφορίες ώρας τοποθετούνται στους κωδικούς που μεταδίδονται από τον δορυφόρο, επιτρέποντας στους δέκτες να προσδιορίζουν συνεχώς την ώρα μετάδοσης του σήματος.
Στον σημερινό σύγχρονο κόσμο, κανένα μέρος δεν μπορεί να χαρακτηριστεί πραγματικά άγνωστο. Ακόμη και όταν ταξιδεύετε σε άλλη χώρα, μπορείτε να περπατάτε με αυτοπεποίθηση. Αυτή η αυτοπεποίθηση τροφοδοτείται προφανώς από τα smartphone που έχουμε στις τσέπες μας. Αυτό δεν συνέβαινε πριν από τις αρχές της δεκαετίας του 2000, όταν τα συστήματα δορυφορικής πλοήγησης εξακολουθούσαν να ελέγχονται και να απολαμβάνουν αποκλειστικά οι κυβερνήσεις και οι στρατοί. Το ερώτημα είναι πώς μια τόσο πολυπόθητη τεχνολογία έγινε χρήσιμο όφελος για τις μάζες; Πριν φτάσουμε σε αυτήν την απάντηση, ας ρίξουμε μια ματιά στις εσωτερικές λειτουργίες της δορυφορικής πλοήγησης.
Η λειτουργία του συστήματος δορυφορικής πλοήγησης
Το σύστημα δορυφορικής πλοήγησης αποτελείται από ένα παγκόσμιο δίκτυο δορυφόρων που εκπέμπουν και λαμβάνουν ραδιοφωνικά σήματα. Ο ακριβής αριθμός των δορυφόρων που απαρτίζουν αυτό το παγκόσμιο δίκτυο είναι 32. Υπάρχουν δύο κύριες κατηγορίες στο διεθνές δορυφορικό σχήμα. Το ένα είναι το GPS, το οποίο αναπτύχθηκε και λειτουργεί σήμερα στις ΗΠΑ. Οι Ρώσοι ανέπτυξαν επίσης κάτι παρόμοιο με το GPS γνωστό ως GLONASS. Και οι δύο έχουν προσφέρει τη δωρεάν χρήση των συστημάτων τους στη διεθνή κοινότητα.
Τα τρέχοντα συστήματα GPS προσφέρουν στους χρήστες ακρίβεια σε απόσταση 7,8 μέτρων από μια τοποθεσία στόχο κοντά στο 95% του χρόνου. Αυτή η ακρίβεια είναι εγγυημένη για όλα τα μέρη πάνω και κοντά στη γη. Για να επιτευχθεί αυτό το επίπονο έργο, οι 32 δορυφόροι εκπέμπουν σήματα σε δέκτες (που μπορεί να είναι το smartphone ή το tablet πλοήγησης GPS) για να προσδιορίσουν τη θέση τους. Η διαφορά μεταξύ του χρόνου που χρειάζεται για να εκπέμψει το σήμα από τον δορυφόρο και για να λάβει ο δορυφόρος ένα σήμα πίσω από τον δέκτη υπολογίζεται αυστηρά και χρησιμοποιείται για να προσδιοριστεί ακριβώς πού βρίσκεται ο δέκτης.
Οι δορυφόροι GPS διαθέτουν ατομικά ρολόγια που είναι απίστευτα ακριβή. Οι πληροφορίες ώρας τοποθετούνται στους κωδικούς που μεταδίδονται από τον δορυφόρο, επιτρέποντας στους δέκτες να προσδιορίζουν συνεχώς την ώρα που μεταδόθηκε το σήμα. Αυτό το σήμα είναι επίσης γνωστό ως σήμα χρονικής σφραγίδας. Το σήμα χρονικής σφραγίδας είναι ένα σήμα που χρησιμοποιεί ένας δέκτης για να υπολογίσει τις θέσεις των δορυφόρων. Αυτό χρησιμοποιείται επίσης για να γίνουν διορθώσεις στους υπολογισμούς, που μπορεί να προκύψουν λόγω της συνεχούς αλλαγής στη θέση του δορυφόρου. Επίσης, η χρήση του σήματος χρονικής σφραγίδας για τον υπολογισμό του δέκτη μπορεί να υπολογίσει την εμβέλεια των δορυφόρων. Αντίθετα, έχοντας τη δυνατότητα να εκτιμήσει αυτές τις παραμέτρους, ο δέκτης μπορεί να υπολογίσει τη δική του τρισδιάστατη θέση. Αυτή είναι η βάση για το πώς λειτουργεί ένα σύστημα δορυφορικής πλοήγησης.
Χειρισμός σφαλμάτων
Τώρα, γνωρίζουμε ότι κάθε σύστημα που εκτελεί εργασία είναι επιρρεπές σε κάποιο βαθμό σφαλμάτων. Υπάρχουν πολλοί παράγοντες που μπορούν να συμβάλουν σε αυτό το επίπεδο σφάλματος, αλλά θα δούμε μερικά από τα σφάλματα που κλιμακώνονται αρκετά γρήγορα. Το πρώτο σφάλμα που εμφανίζεται στη δορυφορική πλοήγηση οφείλεται στην ιονόσφαιρα. Η ιονόσφαιρα εκτείνεται από 60 km έως 2000 km πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. Ο λόγος που αυτή η περιοχή παίζει σημαντικό ρόλο στο ενδεχόμενο σφάλμα είναι ότι έχει έναν αξιόλογο αριθμό ελεύθερων ηλεκτρονίων. Αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια έχουν μια αξιοσημείωτη επίδραση στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που περνούν μεταξύ του δορυφόρου και των δεκτών. Το σφάλμα που οφείλεται στην ιονόσφαιρα είναι πολύ μικρότερο όταν οι δορυφόροι βρίσκονται απευθείας από πάνω από ό,τι όταν βρίσκονται κοντά στον ορίζοντα. Αυτό συμβαίνει επειδή, κοντά στον ορίζοντα, ο αριθμός των στρωμάτων της ιονόσφαιρας αυξάνεται μεταξύ του δορυφόρου και του δέκτη.
Τα επόμενα σφάλματα που εμφανίζονται γενικά είναι σφάλματα στο χρόνο. Ακόμη και πολύ μικρά σφάλματα στο χρόνο μπορούν να προκαλέσουν μεγάλες επιπλοκές. Μια χρονική παρέλευση 1 νανοδευτερόλεπτου των ατομικών ρολογιών στο δορυφόρο θα προκαλέσει διαφορά 1 ποδιού ή 30 cm στον δέκτη. Για ένα παγκόσμιο σύστημα που αποτελεί τη βάση πολλών τεχνολογιών μας σήμερα, τέτοια σφάλματα δεν είναι αποδεκτά.
(Φωτογραφία:Lukas Rohr/Wikimedia Commons)
Ο επόμενος τρόπος με τον οποίο ο χρόνος έχει αποτέλεσμα, αν και όχι με τόσο διαισθητικό τρόπο, είναι μέσω των περιβόητων θεωριών του Αϊνστάιν. Η ειδική θεωρία της σχετικότητας υποστηρίζει ότι τα ατομικά ρολόγια σημειώνουν ελαφρώς πιο αργά από τα ρολόγια που παραμένουν ακίνητα στο έδαφος. Αυτό συμβαίνει επειδή ο χρόνος γίνεται πιο αργός καθώς κάποιος κινείται πιο γρήγορα (καθώς η ταχύτητα τείνει προς την ταχύτητα του φωτός). Παρόλο που τα ατομικά ρολόγια του δορυφόρου δεν ταξιδεύουν πουθενά κοντά στην ταχύτητα του φωτός, η σχετική ταχύτητά τους με τα σταθερά ρολόγια στη Γη τα κάνει να βιώνουν τον χρόνο λίγο πιο αργά από τον χρόνο που βιώνουν τα ρολόγια στη Γη. Εδώ ξεκινά η γενική θεωρία της σχετικότητας, δηλώνοντας ότι το ρολόι που βρίσκεται πιο κοντά σε ένα τεράστιο αντικείμενο θα κινηθεί πιο γρήγορα από ένα ρολόι που είναι μακριά. Η χρονική καθυστέρηση είναι σημαντικά μεγαλύτερη κατά περίπου 21,9 μικροδευτερόλεπτα την ημέρα.
Συνδυάζοντας και τα δύο, εκτιμάται ότι υπάρχει καθυστέρηση περίπου 38 μικροδευτερόλεπτων. Εάν αυτό το σφάλμα παρέμενε άγνωστο, θα οδηγούσε σε σφάλμα ψευδοεμβέλειας 10 km ανά ημέρα που θα καθιστούσε εξαρχής άχρηστο ολόκληρο το σύστημα. Η διόρθωση για αυτό είναι μια αρκετά απλή λύση. «Διορθώνεται» μειώνοντας τη συχνότητα του ατομικού ρολογιού στον δορυφόρο από 10,23 MHz σε 10,2299999543 MHz ακριβώς, γεγονός που ακυρώνει τις επιπτώσεις της σχετικότητας.
Έτσι, την επόμενη φορά που θα χρησιμοποιήσετε το GPS ή τη συσκευή σας που εξαρτάται από το GPS, μπορείτε να εκτιμήσετε τον όγκο των μαθηματικών και της μηχανικής που έχουν καταβληθεί για να κάνουν τη ζωή απλή και να μειώσουν τις πιθανότητές σας να χάνεστε κάθε φορά που φεύγετε από το σπίτι σας!
