Kaj povedo sateliti?

Sateliti GPS so ključen, a vendarle ne edini del sistema, ki nam omogoča, da izvemo, kje smo in kako pridemo tja, kamor smo namenjeni. Pogosta zmota med uporabniki je, da vsak posamezen satelit "ve", kje smo: v resnici sateliti oddajajo le podatke o svoji lokaciji in času, uporabnikov položaj se potem na podlagi teh podatkov in svetlobne hitrosti izračuna pri samem uporabniku. Od posamezne uporabniške naprave, njene opremljenosti z digitalnimi zemljevidi in njenih drugih lastnosti pa je odvisno, kaj nam še na podlagi tega lahko pove in svetuje, ter kako bo to prikazala, a zdaj se posvetimo temu, kar je zapisano v naslovu.

Do leta 2000 z načrtnimi naključnimi motnjami

V satelitskem omrežju GPS je 24 satelitov v redni postavi (in še kakšen v rezervi), ki dvakrat dnevno obkrožijo zemljo. Njihov prvotni namen od leta 1978, ko so jih začeli postavljati, je bil izključno za potrebe ameriške vojske, na ožjem frekvenčnem spektru, ki je bil namenjen civilni rabi, pa so vse do 1. maja 2000 izvajali naključne motnje signala ("Selective Availability"), ki so ob takratnih dragih in nerodnih napravah še dodatno omejevali privlačnost teh storitev. Vse je spremenil ameriški predsednik Bill Clinton, ki je ukazal prekinitev teh motenj in tako tudi vsem uporabnikom po svetu omogočil enako natančnost signala in zanesljivost storitve, kar je bil do takrat samo privilegij ameriške vojske. Tako se je za običajne smrtnike tipična natančnost določanja položaja povečala z dotedanjih 100 metrov na veliko uporabnejših 20 metrov, v dobrih pogojih sprejemanja signala pa tudi na enoštevilčne metrske vrednosti.

Clinton je svojo odločitev utemeljil z željo po spodbujanju uporabe tehnologij in storitev GPS za miroljubno javno, komercialno in znanstveno rabo po vsem svetu. Danes, enajst let pozneje, ko vidimo, kako so sprejemniki GPS našli pot domala do vsakega vozila in gospodinjstva, pa si lahko upamo trditi, da takrat ni mogel niti slutiti, kako uspešen bo s svojim namenom.

Bolj se vidi nebo, večja je natančnost

Položaj in orbite satelitov GPS so določeni tako, da lahko načeloma v vsakem trenutku pod običajnimi pogoji sprejemamo signal vsaj štirih, velikokrat vsaj šestih satelitov. Običajni pogoji so predvsem dobra vidnost oziroma odprtost neba: v kakšnih soteskah ali sredi velemest z velikimi stolpnicami ("urbane soteske") bo sprejemniku GPS na voljo le manjši košček neba in tako tudi manjša verjetnost, da ujame signal z zadostnega števila satelitov. Ne nazadnje ne sme presenetiti, da je natančnost določanja položaja večja ob jasnem vremenu kot pa takrat, ko debela plast oblakov ovira pot radijskega signala – že res, da bodo motnje majhne, a dovolj, da bo zato izračun položaj zgrešil za kakšen ducat metrov več, kar v mestu lahko predstavlja pomembno razliko pri ugotavljanju pravega odcepa.

Za določitev položaj mora sprejemnik dobro "videti" vsaj tri satelite, več, kot jih vidi, boljša bo natančnost. Tako bo, recimo, v Prekmurju, dnevnik potovanja na ustreznem digitalnem zemljevidu dokaj razločno prikazal celo, kdaj ste prehitevali in kdaj ste vozili v voznem pasu, medtem ko lahko v Frankfurtu, Londonu ali kakšnem drugem velemestu z nebotičniki položaj na sprejemniku pomotoma uide tudi v kakšno sosednjo ulico.

Izjemno natančen čas

Na satelitih so visokofrekvenčni radijski oddajniki, katerih signal z izjemno natančnim podatkom o času (z natančnostjo treh nanosekund, to je 3 x 10-9 sekund ali tri milijardinke sekunde) pokriva razmeroma veliki del zemeljske površine in je razmeroma neobčutljiv na motnje in posledični šum, s katerimi se srečuje na poti. Prav ta šum je vzrok nenatančnosti pri določanju položaja, kar pa sprejem signala s čim večjega števila satelitov v največji meri odpravi. Signal potuje s svetlobno hitrostjo do Zemlje, a zaradi velike razdalje – sateliti so nekaj več kot 20 tisoč kilometrov nad površino Zemlje – bodo do sprejemnika prišli z merljivo zamudo. Tudi sprejemniki GPS imajo namreč atomsko uro, zato lahko zelo natančno določijo, kako dolgo je signal potoval.

Presečišče najmanj treh površin krogle daje položaj

Prav ta časovni odmik omogoča izračun oddaljenosti od vsakega posameznega satelita, s katerega sprejemnik GPS prejema signal. Signal se s satelita namreč širi enakomerno v vse smeri in zato zgolj na podlagi enega satelita položaja še ne moremo določiti. Za vsak posamezen satelit tako ugotovljena razdalja določa površinsko plast krogle, na kateri je tudi naš položaj, ko pa poznamo razdaljo vsaj treh satelitov, imamo s presečiščem teh treh krogelnih površin določen položaj. Podatki s četrtega satelita omogočajo še natančnejši izračun nadmorske višine in blažitev napak pri meritvah prvih treh satelitov (v praksi je natančnost določene nadmorske višine nekoliko manjša kot natančnost zemljepisne širine in dolžine). Nadaljnji sateliti dodatno pomagajo pri manjšanju napake, ki se pojavi zaradi šuma in drugih nepravilnosti na poti signala.

Sateliti brez lastnega pogona

Vsak satelit v sistemu GPS ima točne, vnaprej izračunane podatke o svojem vsakokratnem položaju. Ker pa lahko po dolgem času pride do zelo majhnih, a vendarle zaznavnih odstopanj na njihovi poti, so sateliti povezani z referenčnimi postajami na različnih delih našega planeta in tako po potrebi popravijo svoje podatke o lokacijah. To je pravzaprav vse, kar satelit lahko umeri in popravi. Ker nima lastnega pogona, ne more popraviti svojih orbit, da bi ustrezale referenčnim podatkom, zato jih prilagaja svojim dejanskim položajem.

Komunikacija s satelitom je enosmerna

Sateliti GPS posredujejo podatke uporabnikom, v obratni smeri pa podatki ne potujejo. To je verjetno dobra novica za vse, ki se bojijo, da bi oddajniki lahko vplivali na zdravje – pa še dobro, da ni treba imeti povratne povezave, ker bi za več kot 20 tisoč kilometrov poti do satelita morali imeti kar močne oddajnike, ki bi bili tudi energetsko požrešni in med drugim onemogočili, da sprejemnik GPS uporabljamo razumno daljši čas (recimo nekaj ur) brez vtičnic.