Μέχρι σχετικά πρόσφατα, ο μόνος τρόπος να έχουμε ένα GPS ήταν να αγοράσουμε μια συσκευή για το αυτοκίνητο ή τη μοτοσυκλέτα μας. Σήμερα, ακόμα και τα πιο οικονομικά smartphones έχουν αυτή τη δυνατότητα. Σίγουρα γνωρίζετε ότι το GPS βασίζεται σε δορυφόρους. Έχετε όμως αναρωτηθεί πώς ακριβώς λειτουργεί η πλοήγηση GPS?
Προτάσεις συνεργασίας
Τα νέα άρθρα του PCsteps
Γίνε VIP μέλος στο PCSteps
Για να δείτε τις καλύτερες εφαρμογές GPS για το κινητό, επισκεφθείτε τον οδηγό μας:
Πώς ξεκίνησε η πλοήγηση GPS
Όπως πιθανώς γνωρίζετε, το ίντερνετ που χρησιμοποιούμε σήμερα βασίστηκε σε προγράμματα που αναπτύχθηκαν για στρατιωτική χρήση.
Για παράδειγμα, η τεχνολογία TCP/IP εφαρμόστηκε για πρώτη φορά στο ARPANET, το οποίο χρηματοδότησε το Υπουργείο Άμυνας των ΗΠΑ.
Κάτι αντίστοιχο συνέβη και με την δημιουργία του GPS, την οποία οφείλουμε στην ανάγκη του Αμερικανικού στρατού για καλύτερη πλοήγηση.
Πλοήγηση πριν το GPS
Το GPS δεν είναι το πρώτο σύστημα πλοήγησης με τη χρήση τεχνολογίας.
Στις αρχές της δεκαετίας του '40 είχαν κάνει την εμφάνισή τους συστήματα πλοήγησης βασισμένα σε επίγεια μετάδοση ραδιοκυμάτων. Δύο από αυτά, το LORAN-A και το Decca Navigator, χρησιμοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου.
Μάλιστα, οι νεότερες παραλλαγές του LORAN χρησιμοποιούνταν μέχρι και το 1985, ενώ το Decca Navigator έπαυσε οριστικά τη λειτουργία του το 2001.
Ορισμένα από τα προβλήματα με αυτές τις προτάσεις ήταν η περιορισμένη εμβέλεια, η περιορισμένη ακρίβεια, και ο ογκώδης εξοπλισμός.
Το Decca Navigator κατά τη διάρκεια της ημέρας είχε εμβέλεια γύρω στα 740 χιλιόμετρα και τη νύχτα γύρω στα 460 χιλιόμετρα, και ακρίβεια 200 μέτρα.
Το LORAN-A είχε βελτιωμένη εμβέλεια 2.400 χιλιόμετρα, αλλά η ακρίβεια εντοπισμού ήταν μερικές δεκάδες χιλιόμετρα στις μεγαλύτερες αποστάσεις. Σε νεότερες παραλλαγές του LORAN, η ακρίβεια έφτασε στα επίπεδα του Decca Navigator.
Η ανάπτυξη του GPS
Η ονομασία GPS προέρχεται από τα αρχικά της φράσης “Global Positioning System”, που μεταφράζεται ως σύστημα παγκόσμιας τοποθέτησης. Είναι γνωστό επίσης ως Navstar GPS ή απλά Navstar.
To GPS project ξεκίνησε να αναπτύσσεται το 1973, από το Αμερικανικό Υπουργείο Άμυνας. Στόχος του project ήταν να ξεπεράσει τους περιορισμούς των προηγούμενων επίγειων συστημάτων, χρησιμοποιώντας δορυφόρους για την πλοήγηση.
Ο Αμερικανός επιστήμονας Roger Lee Easton ήταν ο επικεφαλής εφευρέτης και σχεδιαστής, και θεωρείται ο πατέρας του GPS. Για την ανάπτυξη του συστήματος συνεργάστηκε με τους Ivan A. Getting και Bradford Parkinson.
Ο πρώτος πειραματικός δορυφόρος του συστήματος, NAVSTAR 1, εκτοξεύτηκε στις 22/2/1978, με ένα πύραυλο τύπου Atlas F.
Το Δεκέμβριο του 1993 συμπληρώθηκαν 24 δορυφόροι σε τροχιά. Αυτός είναι και ο ελάχιστος αριθμός δορυφόρων που είναι απαραίτητοι για την πλοήγηση GPS.
Το 1995, το σύστημα GPS ήταν πλήρως λειτουργικό.
Από αυτούς τους αρχικούς δορυφόρους, κανείς δεν βρίσκεται πλέον σε τροχιά. Τη στιγμή που γράφονται αυτές οι γραμμές έχουν εκτοξευθεί συνολικά 70 δορυφόροι, εκ των οποίων οι 31 βρίσκονται σε τροχιά.
Έχει προγραμματιστεί η εκτόξευση άλλων 32 δορυφόρων, από το 2017 και μετά.
Αρχικά, δεν υπήρχε καμία πρόβλεψη για να χρησιμοποιηθεί η πλοήγηση GPS για πολιτική χρήση. Ήταν μια τεχνολογία αποκλειστικά για στρατιωτικές επιχειρήσεις.
Αφορμή για να αλλάξει αυτό, και να μπορέσουμε να χρησιμοποιούμε σήμερα όλοι μας την πλοήγηση GPS, ήταν ένα τραγικό περιστατικό.
Η καταστροφή
Την 1η Σεπτεμβρίου 1983, η πτήση KAL 007 των Κορεάτικων Αερογραμμών εκτελούσε το δρομολόγιο Νέα Υόρκη – Σεούλ μέσω του Anchorage στην Alaska.
Μετά την απογείωση από την Alaska, λόγω σφαλμάτων στην πλοήγηση, η πτήση δεν ακολούθησε την προκαθορισμένη πορεία. Αντίθετα, βρέθηκε πάνω από απαγορευμένο εναέριο χώρο της Σοβιετικής Ένωσης.
Το αεροσκάφος καταρρίφθηκε από ένα Σοβιετικό μαχητικό, με αποτέλεσμα το θάνατο και των 269 επιβαινόντων και μελών του πληρώματος.
Η πρόσβαση των πιλότων σε ένα καλύτερο σύστημα πλοήγησης πιθανώς να είχε αποτρέψει την καταστροφή. Ο πρόεδρος των ΗΠΑ, Ronald Reagan, ανακοίνωσε πως το GPS θα είναι διαθέσιμο σε όλους χωρίς χρέωση, όταν θα είναι ολοκληρωμένο.
Το 1995, επί της προεδρίας Bill Clinton, το σύστημα έγινε πλέον διαθέσιμο και στους πολίτες.
Πώς λειτουργεί η πλοήγηση GPS
Όταν ένα κινητό τηλέφωνο επικοινωνεί με την κεραία κινητής τηλεφωνίας, η επικοινωνία είναι αμφίδρομη. Η συσκευή λαμβάνει αλλά και στέλνει δεδομένα στην κεραία.
Στην πλοήγηση GPS, όμως, η επικοινωνία είναι μονόδρομη. Κάθε smartphone και συσκευή GPS μόνο λαμβάνει σήμα από τους δορυφόρους, δεν στέλνει κανενός τύπου δεδομένα προς αυτούς.
Αν ήταν σχεδιασμένο για να στέλνει δεδομένα, θα χρειαζόταν πολύ μεγαλύτερη κεραία, όπως αυτές που έχουν τα δορυφορικά τηλέφωνα.
Το σήμα από τους δορυφόρους
Οι δορυφόροι του GPS είναι τοποθετημένοι σε πολύ συγκεκριμένες τροχιές. Ο στόχος είναι, από οποιοδήποτε σημείο της γης, να είναι ορατοί τουλάχιστον τέσσερις δορυφόροι ανά πάσα στιγμή. Όχι με γυμνό μάτι, φυσικά.
Κάθε δορυφόρος εκπέμπει διαρκώς ραδιοκύματα προς τη γη. Τα ραδιοκύματα αυτά περιλαμβάνουν δύο απλές πληροφορίες: Τη θέση του δορυφόρου και την ακριβή ώρα την οποία στάλθηκε το σήμα.
Εφόσον δεν υπάρχουν εμπόδια, όπως ψηλά κτήρια, ψηλά δέντρα, γέφυρες, τούνελ, ή πολύ βαριά συννεφιά, ο δέκτης GPS θα λάβει δεδομένα από τους τέσσερις ή και περισσότερους δορυφόρους.
Συγκρίνοντας τους χρόνους
Το κλειδί για την πλοήγηση GPS είναι η απόσταση του κάθε δορυφόρου από το δέκτη. Τα δεδομένα από τους δορυφόρους που βρίσκονται πιο κοντά στη θέση του GPS θα έρθουν ταχύτερα από το σήμα των δορυφόρων που είναι πιο απομακρυσμένοι.
Τα ραδιοκύματα στο κενό κινούνται με την ταχύτητα του φωτός. Στην ατμόσφαιρα, έχουν μια ελάχιστη επιβράδυνση. Θα υποθέσουμε όμως πως κινούνται με 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, για να βγαίνουν πιο εύκολα οι πράξεις.
Οι δορυφόροι του GPS βρίσκονται σε ύψος 20.000 χιλιομέτρων. Αν ένας δορυφόρος βρίσκεται ακριβώς πάνω από το αυτοκίνητό μας, ο δέκτης GPS θα λάβει το σήμα μέσα σε περίπου 0,0667 δευτερόλεπτα, όπως προκύπτει με την απλή μέθοδο των τριών.
Σε ένα δορυφόρο που είναι υπό γωνία με το αυτοκίνητό μας, και τα ραδιοκύματα θα χρειαστεί να διασχίσουν πχ 25.000 χιλιόμετρα, ο χρόνος θα είναι 0,083 δευτερόλεπτα.
Το κινητό μας ή η συσκευή GPS συγκρίνει την ώρα που έλαβε το σήμα με την ώρα που έστειλε ο δορυφόρος.
Από αυτή τη διαφορά ώρας, και γνωρίζοντας την ακριβή ταχύτητα των ραδιοκυμάτων στην ατμόσφαιρα, ο δέκτης μπορεί να υπολογίσει την ακριβή του απόσταση από καθέναν από τους δορυφόρους.
Με αυτή την πληροφορία, ο δέκτης GPS μπορεί να βρει ακριβώς που βρίσκεται, με τη μέθοδο του τριπλευρισμού.
Τρία πλευράκια κάθονταν
Ο τριπλευρισμός (trilateration) είναι μία μέθοδος της Γεωμετρίας, χωρίς την οποία δεν θα ήταν δυνατή η πλοήγηση GPS.
Στο παρακάτω διάγραμμα, βρισκόμαστε στο σημείο Β. Γνωρίζουμε την απόστασή μας από το P1, που είναι r1. Αντίστοιχα η απόστασή μας από το P2 είναι r2, και η απόστασή μας από το P3 είναι r3.
Χρησιμοποιούμε αυτές τις τρεις αποστάσεις σαν ακτίνες για να σχεδιάσουμε κύκλους. Θα υπάρχει ένα και μοναδικό σημείο στο επίπεδο όπου θα τέμνονται και οι τρεις κύκλοι. Έτσι, γνωρίζοντας την απόσταση από τρία σημεία, ξέρουμε ακριβώς που είναι το Β.
Αν πάρουμε αυτή την πληροφορία και την εφαρμόσουμε σε ένα χάρτη, βρίσκουμε την ακριβή μας τοποθεσία.
Αν αντί για κύκλους σχεδιάσουμε σφαίρες με ακτίνα την απόσταση, θα βρούμε τη θέση μας στον τρισδιάστατο χώρο, στο σημείο που τέμνονται όλες οι σφαίρες.
Ενώ τρεις δορυφόροι είναι αρκετοί για τον τριπλευρισμό, τα στοιχεία από έναν τέταρτο δορυφόρο χρησιμοποιούνται ώστε ο ίδιος ο δέκτης GPS να ρυθμίσει σωστά το δικό του ρολόι. Γι' αυτό είναι απαραίτητη η λήψη από τουλάχιστον τέσσερις δορυφόρους.
Βέβαια, όσο περισσότερους δορυφόρους εντοπίζει η συσκευή, τόσο μεγαλύτερη είναι η ακρίβεια του εντοπισμού.
Η σημασία της χρονικής ακρίβειας
Εκτός από την υψηλή ταχύτητα των ραδιοκυμάτων, κάθε δορυφόρος του GPS σε τροχιά ταξιδεύει με ταχύτητα περίπου 4 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Είναι λοιπόν εξαιρετικά ζωτικής σημασίας να υπολογιστεί σωστά ο χρόνος.
Κάθε δορυφόρος διαθέτει τουλάχιστον δύο ατομικά ρολόγια Καισίου και μέχρι δύο ατομικά ρολόγια Ρουβιδίου.
Ρολόγια τέτοιου τύπου υπολογίζεται πως έχουν αβεβαιότητα ενός δευτερολέπτου κάθε κάθε 30 εκατομμύρια χρόνια.
Εκτός όμως από αυτά τα ρολόγια υπέρ-υψηλής ακριβείας, η Αμερικανική αεροπορία παρακολουθεί τους δορυφόρους από πολλαπλούς σταθμούς ανά τον κόσμο
Ο Master Control Station, που βρίσκεται στη βάση Schriever Air Force στο Colorado είναι ο υπεύθυνος σταθμός για το συγχρονισμό όλου του δικτύου με την επίγεια ώρα.
Χαράσσοντας Διαδρομές
Οι παραπάνω υπολογισμοί αυτοί γίνονται σε ελάχιστο χρόνο από το GPS. Όπως προαναφέραμε, όμως, τα δεδομένα που στέλνουν οι δορυφόροι είναι πολύ απλά.
Δεν αναφέρουν ούτε ονόματα δρόμων, ούτε τις συγκεκριμένες διαδρομές, πόσο μάλλον τις φωνητικές οδηγίες.
Αυτός είναι ο ρόλος της κάθε εφαρμογής GPS, και των χαρτών που περιέχει ή που μπορούμε να κατεβάσουμε από το ίντερνετ.
Το πρόγραμμα μπορεί να ταιριάξει τη θέση του δέκτη πάνω σε συγκεκριμένο δρόμο στο χάρτη. Γνωρίζοντας τα χαρακτηριστικά των δρόμων, μπορεί να χαράξει διαδρομή προς οποιοδήποτε σημείο, ελέγχοντας διαρκώς αν βρισκόμαστε στο σωστό δρόμο.
Μέσω του δικτύου GPS, οι δέκτες μπορούν να υπολογίσουν επίσης την ταχύτητα με την οποία κινούμαστε. Τον χρόνο που θα κάνουμε για να φτάσουμε στον προορισμό μας, τον υπολογίζουν με βάση το όριο ταχύτητας σε κάθε έναν από τους δρόμους της διαδρομής.
Αν λοιπόν το GPS δείχνει πως θα φτάσουμε καθυστερημένα στον προορισμό μας, αν οδηγούμε πάνω από το όριο ταχύτητας – μέχρι το 10% που είναι νόμιμο – η αναμενόμενη ώρα άφιξης θα ελαττώνεται.
Εναλλακτικές του GPS
Όπως προαναφέραμε, υπήρχαν και πριν το GPS επίγεια συστήματα που μπορούσαν να μας βοηθήσουν να εντοπίσουμε τη θέση μας. Τέτοια συστήματα χρησιμοποιούνται ακόμα και σήμερα.
Για παράδειγμα, με τον τριπλευρισμό είναι δυνατόν να εντοπιστεί που βρίσκεται ένα συγκεκριμένο κινητό τηλέφωνο, χρησιμοποιώντας τρεις κεραίες κινητής τηλεφωνίας.
Απλά γίνεται σύγκριση όσον αφορά την ισχύ του σήματος για να υπολογιστεί η απόσταση. Αυτές οι πληροφορίες φυσικά είναι διαθέσιμες από τους παρόχους κινητής τηλεφωνίας μόνο στις αρχές και μόνο με δικαστικό ένταλμα.
Ορισμένες συσκευές επίσης μπορούν να χρησιμοποιήσουν το Wi-Fi Positioning System (WPS) για να εντοπίσουν τη θέση τους.
Για παράδειγμα, στις χώρες που τα φορτηγά της Google έχουν περάσει για το Google Street View, έχουν καταγράψει τα ονόματα των ασύρματων δικτύων που συναντούν.
Από εκεί και πέρα, με τα ονόματα αυτά, η Google και άλλες εταιρείες με παρόμοια βάση δεδομένων μπορούν να μας ενημερώσουν για την τοποθεσία μας.
Τέλος, το GPS δεν είναι το μόνο σύστημα δορυφόρων για τον εντοπισμό της θέσης. Η Ρωσία έχει το σύστημα GLONASS. Η Κίνα το Beidou. Η Ευρωπαϊκή Ένωση αναπτύσσει το σύστημα Galileo, που αναμένεται να είναι πλήρως λειτουργικό το 2019.
Ο λόγος που αναπτύσσονται τόσα παράλληλα συστήματα είναι πως το GPS εξακολουθεί να έχει τεράστια σημασία σε στρατιωτικές επιχειρήσεις.
Σε περίπτωση λοιπόν που κάποια στιγμή στο μέλλον ξεσπάσει μια ενδεχόμενη παγκόσμια σύρραξη, οι ΗΠΑ θα μπορούσαν να διακόψουν ή να περιορίσουν την πρόσβαση στο GPS για άλλες χώρες.
Κατά συνέπεια, οι μεγάλες δυνάμεις επιθυμούν την αυτονομία τους. Σαν απλοί πολίτες, πάντως, είμαστε εξίσου καλυμμένοι με το αμερικανικό GPS όσο θα ήμασταν με οποιοδήποτε άλλο σύστημα.
Έχετε άλλες απορίες για το πώς λειτουργεί η πλοήγηση GPS?
Αν οτιδήποτε στον οδηγό δεν ήταν κατανοητό, ή αν έχετε περισσότερες απορίες σχετικά με την πλοήγηση GPS, τους δορυφόρους, ή τον τριπλευρισμό, γράψτε μας στα σχόλια.
