Neutrudni pomočniki iz vesolja

Kot za precej dobrih stvari, ki jih uporabljamo, je tudi za satelitsko navigacijo zaslužna vojska. Velesile so bile namreč tiste, ki jih je tak način določanja lokacije na Zemlji sprva najbolj zanimal. Taka navigacija nezmotljivo usmerja njihova vojaška vozila in plovila, še več, proti cilju vodi tudi prenekateri izstrelek, ki prileti iz njihovih cevi. Tako imamo danes štiri globalno delujoče sisteme: ameriški GPS, ruski GLONASS, kitajski BeiDou in evropski Galileo. Japonski QZSS in indijski NavIC sta še v bolj razvojni fazi, predvsem pa bosta, ko bosta nared, delovala le regionalno. Vse te sisteme skupno imenujemo globalni navigacijski satelitski sistemi (GNSS), resnici na ljubo pa se jih je zaradi desetletja trajajočega primata Američanov vseh prijelo generično ime GPS. Pač, tako kot so nekoč vsi skuterji dobili skupno ime vespa. 

Končno, vsem tem sistemom je skupno, da nas iz zemeljske orbite oskrbujejo z dokaj natančnimi lokacijskimi podatki. Pod pogojem, da imamo iz svojega položaja neoviran pogled na vsaj štiri satelite. 

Od kompasa do satelitov

Problem natančne navigacije je bil dolga stoletja povezan predvsem s plovbo po velikih morjih. Tam namreč pogosto ni na voljo vizualnih opornih točk, kot so otoki, gore, velika drevesa. Težava je zlasti trla ribiče, ki so želeli odpluti dlje od obale, trgovce, ki so z blagom iskali oddaljene kupce, pa seveda raziskovalce, ki so odkrivali daljne dežele. Zato so prvi pogumni kapitani oporne orientacijske točke začeli iskati na nebu in v naravnih pojavih. 

Prva ljudstva, ki so si upala na odprto morje, so za ugotavljanje lastnega položaja ponoči uporabljala položaj zvezd, podnevi pa sonca. Taki so bili denimo Avstronežani, ljudstvo, ki je 3000 let pr. n. št. z južnih obal celinske Azije začelo naseljevati tihooceanska otočja vse tja do Havajev. Izdelane so imeli preproste karte ključnih zvezd, znanje pa so na naslednje rodove prenašali tudi s pripovedovanjem pesmi in mitoloških zgodb. Če je bilo nebo zatemnjeno, so si pomagali še s poznavanjem selitvenih poti ptic in gibanja morskih tokov. Zgodnja mediteranska trgovska ljudstva, kot so bili Minojci, so se pri plovbi zanašali na poznavanje obale, ki so jo skušali ves čas ohraniti v vidnem polju. Če to ni bilo mogoče, so se z izkušnjami, ki so se prenašale iz roda v rod, zanašali na stalne smeri vetrov ob določenih urah dneva.

Prelom je pomenil izum kompasa. Igla, ki vedno kaže proti severnemu magnetnemu polu, je k evropskim narodom prišla s Kitajskega konec 12. stoletja in morjeplovcem prvič omogočila natančno spremljanje svoje smeri v vseh vremenskih razmerah. A to pomeni le, da je kapitan vedel, v katero smer se ladja giblje; da bi vedel, kje je, je manjkal še natančen podatek, kolikšen del poti je pred tem že napravil. 

Šele sredi 18. stoletja smo dobili sekstant. Napravo, ki nam ob pomoči točne ure, imenujemo jo tudi kronometer, prek položaja sonca pomaga izračunati  zemljepisno širino in dolžino našega položaja. Če denimo iz Evrope plujemo v ZDA in imamo pri sebi uro, ki kaže točen čas v Greenwichu pri Londonu, torej kraju, skozi katerega teče ničti poldnevnik, potem je opoldne, torej v času, ko je sonce v kraju opazovanja najvišje, z uporabo sferičnega trikotnika mogoče precej preprosto izračunati, koliko poti smo že opravili proti zahodu.

Sekstant je ostal v splošni rabi vse do druge svetovne vojne, ko so usmerjanje ladijskega prometa za kratek čas prevzeli radijski valovi. Sredi sedemdesetih let prejšnjega stoletja, v času, ko se je zdelo, da se bo vse preselilo v vesolje, pa so Američani tja poslali prvi prototip navigacijskega satelita, ki pa je žalostno prenehal delovati že kmalu po izstrelitvi. Nič ne de, pomembno je, da se je s tem doba satelitske navigacije zares začela.

Na kupe težav

Mlajši bralci se verjetno niti ne spomnijo, kako smo včasih iskali naslov, kamor smo se namenili na obisk. In koliko napornejše so bile službe, ki zahtevajo neposreden obisk stranke. Dostavljavci, akviziterji in serviserji so precej časa porabili za iskanje naslova, kamor so bili namenjeni. Danes ima GNSS-vmesnik in pripadajočo aplikacijo praktično vsak pametni telefon, navigacijski odjemalci pa tičijo še v avtomobilih, ročnih urah in drugih oblikah elektronske šare, ki jo imamo v svojih domovih. Vse se zdi zelo preprosto in intuitivno, pa vendarle, ste se že kdaj vprašali, kako naprava tam zgoraj ve, kje se nahajamo? 

Vsak navigacijski satelit sestavljajo trije ključni deli: atomska ura, računalnik in radijski oddajnik. Medtem ko s hitrostjo okoli 20.000 kilometrov na uro približno dvakrat dnevno obkroži Zemljo, prek radijskih frekvenc nenehno oddaja svoj položaj in čas. Pri tem je, tako kot v času sekstantov, natančen čas izjemnega pomena. Zato vsak satelit enkrat dnevno s pomočjo zemeljske postaje preveri točnost svoje ure in izpelje potrebne popravke. 

Tu pravzaprav trčimo ob vpliv slavnih Einsteinovih teorij relativnosti. Teorija o posebni relativnosti tako pravi, da ura, ki se giblje z veliko hitrostjo, teče počasneje kot ura, ki miruje. Na ta način skozi vesolje hiteči sateliti glede na zemeljske ure dnevno zaostanejo za okoli 7 mikrosekund, torej sedem milijonink sekunde. Ker pa navigacijski sateliti po večini letijo okoli 20 kilometrov visoko, na njih deluje približno štirikrat manjša gravitacija kot na Zemlji. 

Tu pridemo do Einsteinove splošne teorije relativnosti, ki uči, da gravitacija ukrivlja prostor in čas, posledica tega pa je, da ure tam zgoraj tiktakajo nekoliko hitreje, gre za razliko okoli 45 mikrosekund na dan. Preprosto odštevanje nam pove, da satelitska ura tisto na trdnih tleh vsak dan prehiti za okoli 38 mikrosekund.

Trilateracija, na pomoč!

Sprejemnik na Zemlji, na primer pametni telefon, na podlagi prejetih podatkov natanko ve, kdaj je bil signal poslan in kdaj prejet, iz česar je nato mogoče izračunati, koliko časa je signal potoval. In ker sateliti pošiljajo radijske valove, ki potujejo s svetlobno hitrostjo, moramo slednjo zgolj pomnožiti s časom potovanja, da dobimo razdaljo med satelitom in sprejemnikom. Tako vsi možni položaji sprejemnika zarišejo krožnico (pravzaprav polovico sfere) na zemeljski površini. 

Zdaj mora sprejemna naprava temu pridružiti le še enake podatke iz dveh drugih satelitov in naš položaj je natanko na presečišču vseh treh krožnic. Signal četrtega satelita nas oskrbi še s podatkom, na kolikšni nadmorski višini se nahajamo. Tak način izračunavanja pozicije sicer imenujemo trilateracija. Kako pomembna je natančna ura, pove naslednji podatek: da bi dosegli natančnost izračuna naše lokacije na 15 metrov, mora biti čas, ki ga pošlje satelit, natančen na 50 nanosekund oz. milijardink sekunde. To je namreč čas, v katerem svetloba prepotuje 15 metrov.

Vsi globalni navigacijski sistemi potrebujejo veliko, običajno nekaj deset krožečih satelitov, da bi kjerkoli na Zemlji znotraj vidnega obzorja zagotovili vidnost vsaj štirih. V praksi je zaželen še celo kakšen več, saj vidna razdalja od obzorja do obzorja ponekod – denimo v hribovitih predelih ali pa v mestih z veliko nebotičniki – ni vedno samoumevna. 

Danes je to že precej lažje, naši sprejemniki signala so namreč že večinoma združljivi z vsemi prej naštetimi navigacijskimi sistemi in si pri izračunavanju lokacije pomagajo z mešanim izvorom s satelitov, preprosto se povežejo s tistimi, ki so v danem trenutku najbolj razpoložljivi.

Rivali 

Ameriški sistem GPS je kot rečeno oral ledino. Delovati je začel leta 1978, polno zmogljivost pa je dosegel leta 1993. Konstelacijo sestavlja 27 delujočih satelitov in štiri rezerve, ki vskočijo ob okvari.  Njegova trenutna natančnost je  3,5–7,8  metra, v določenih razmerah in z najnovejšimi sprejemniki pa se napaka zmanjša na samo 30 centimetrov. 

Je pa GPS do leta 2000, ko so razlikovanje odpravili na zahtevo Billa Clintona, deloval v dveh stopnjah natančnosti; polne je bila deležna zgolj ameriška vojska, civilni signal pa je bil namenoma oslabljen, da ne bi z njim pomagali usmerjati bomb kaki sovražni državi. Prav tako si je ameriška vojska, ki s sistemom upravlja, pridržala pravico, da signal na določenih delih Zemlje začasno izklopi. To pa je bila tista ključna spodbuda za druge velesile, da v vesolje pošljejo lastne konstelacije. Prva je to storila Sovjetska zveza.

Sovjeti so prve satelite v orbito poslali v začetku osemdesetih let , konstelacijo štiriindvajsetih pa so dosegli leta 1995, ko je država že razpadla in se preimenovala v Rusijo. Vsem znani politično-ekonomski razlogi v devetdesetih letih prejšnjega stoletja so povzročili, da je GLONASS počasi propadal, pred desetimi leti pa so v Kremlju z odločnimi naložbami obnovili celotno konstelacijo in najprej z 18 sateliti dosegli pokritost Rusije, leto pozneje pa še celotnega sveta. 

Odtlej sistem redno posodabljajo in njegova natančnost je trenutno med 5 in 10 metrov, svetovni javnosti pa je navigacijska storitev na voljo vse od leta 2011. Prihod GLONASS-a je bil pomembna dopolnitev delovanja GPS za nas uporabnike, saj oba sistema zaradi nekoliko drugače usmerjenih orbit, po katerih potujejo njuni sateliti, precej povečata natančnost končnega izračuna lokacije.

Kitajski BeiDou je najnovejši; zadnji satelit od petintridesetih so v orbito utirili šele pred nekaj tedni. Prvo generacijo so tja začeli pošiljati že okoli leta 2000, delovala je le na območju Kitajske, naslednji dve pa sta delovanje razširili na ves svet. BeiDou je za civilno rabo natančen na približno en meter, šifrirana različica signala pa, če zaupamo uradnim podatkom, napake meri v milimetrih.  Mimogrede, Kitajci so sprva nameravali sodelovati pri evropskem Galileu in so vanj tudi vložili četrt milijarde evrov sredstev, a so nato leta 2006 iz projekta izstopili in se posvetili snovanju lastnega sistema. Današnji BeiDou prekaša evropskega bratca, saj slednjemu za polno konstelacijo manjka še nekaj satelitov, za povrhu pa mu občasno zagodejo tudi tehnične težave.

Vsi doslej našteti navigacijski sistemi so vojaškega izvora. Zato smo se na stari celini sredi devetdesetih let odločili za lasten, povsem civilni sistem Galileo, ki ga upravlja posebna agencija GSA (Global navigation Satellite systems Agency) s sedežem v Pragi. 

Prve načrte so v Bruslji razgrnili pred osemnajstimi leti, pri čemer so smelo načrtovali, da bo Galileo začel delovati s polno močjo že leta 2008. Kar se seveda ni zgodilo. Tudi sicer smo načrte vmes močno spreminjali, tako so bile storitve GSA sprva načrtovane kot komercialne, torej plačljive, Evropska komisija pa je leta 2018 prostodušno odločila, da bo Galileova navigacija vsem Zemljanom na voljo brezplačno.

Kot rečeno, pa sistem še ni nared. Od leta 2016 deluje z omejeno zmogljivostjo, povsem končan pa naj bi bil letos. Trenutno je od 32 načrtovanih satelitov v orbito uspešno utirjenih 26, od tega jih deluje 22, dva sta v fazi preizkušanja, dva pa zaradi okvar nedosegljiva. Tudi sicer se je Galileo lani kak teden dni spopadal z velikimi težavami, ki so izvirale iz začasne nezmožnosti sinhronizacije satelitskih atomskih ur. Galileo je za običajne uporabnike natančen na meter razdalje, podobno kot BeiDou pa ima tudi ločen, šifriran signal, ki ga uporablja vojska in izračun zgreši zgolj za centimeter ali dva.

Indijci so svojih sedem satelitov, ki tvorijo sistem NavIC, v vesolje poslali že pred dvema letoma. Od konkurence se razlikujejo predvsem po tem, da so sateliti utirjeni precej višje, na višini približno 36 kilometrov. NavIC pokriva le širše območje Indije, polno delovanje pa je po načrtih pričakovati že letos.  

Končno je tu še japonski QZSS, ki so ga sprva načrtovali zgolj kot izboljšanje signala GPS v azijsko-tihomorski regiji, za kar bi zadostovali zgolj štirje sateliti. Ti uspešno delujejo zadnji dve leti, do leta 2023 pa se jim bodo pridružili še trije, ki bodo QZSS zagotovili povsem avtonomno delovanje na širšem območju Japonske.

Navigacija je samo ena naloga

Navigacija pa ni edina naloga letečih kažipotov. Nanje se na Zemlji zanaša veliko naprav, ki potrebujejo natančno umerjeno uro in se zaradi sinhronizacije časa periodično povežejo z njimi.

Praktično vsi GNSS pa so vključeni tudi v mednarodne sisteme za iskanje in reševanje, kot sta MEOSAR ali LEOSAR. Ti so namenjeni uporabnikom, ki iz tega ali onega razloga tavajo po odročnih delih našega planeta in se pri tem znajdejo v škripcih. Takrat sprožijo poseben signal, ki ga sateliti nato posredujejo v posebne centre za koordinacijo reševanja, od koder nato sprožijo reševalno akcijo.  Letno tako rešijo življenje od dva do tri tisoč posameznikom. 

Članek je bil objavljen v reviji Gea (avgust 2020)

Več o reviji Gea >