Θέμα χωρίς απαντήσεις

[PoluxGreece]

Το GPS είναι ένα παγκόσμιο σύστημα εντοπισμού θέσης, το οποίο βασίζεται σε ένα "πλέγμα" 24 δορυφόρων γύρω από τη Γη, στους οποίους συνδέονται ειδικές συσκευές που ονομάζονται δέκτες GPS. Οι δέκτες αυτές παρέχουν στον χρήστη ακριβείς πληροφορίες για τη θέση του, το υψόμετρό του, την ταχύτητα ή την κατεύθυνση της κίνησης του. Επίσης, σε συνδυασμό με ειδικό software χαρτογράφησης, απεικονίζουν και πληροφορίες για κοντινά σημεία ενδιαφέροντος.

Το GPS είναι ένα παγκόσμιο σύστημα εντοπισμού θέσης, το οποίο βασίζεται σε ένα "πλέγμα" 24 δορυφόρων γύρω από τη Γη, στους οποίους συνδέονται ειδικές συσκευές που ονομάζονται δέκτες GPS. Οι δέκτες αυτές παρέχουν στον χρήστη ακριβείς πληροφορίες για τη θέση του, το υψόμετρό του, την ταχύτητα ή την κατεύθυνση της κίνησης του. Επίσης, σε συνδυασμό με ειδικό software χαρτογράφησης, απεικονίζουν και πληροφορίες για κοντινά σημεία ενδιαφέροντος.

Το παρελθόν.
Τα σημεία του ορίζοντα ή ακόμη και τα αστέρια, χρησιμοποιούνταν από την αρχαιότητα για τον προσανατολισμό των ανθρώπων. Ένα στάσιμο αστέρι στον ουρανό, με γνωστή γεωγραφική θέση ως προς το σημείο παρατήρησης αποτελούσε σημείο αναφοράς και βοηθούσε τους ανθρώπους στο να βρουν τη σωστή πορεία τους. Σε αυτό συνέβαλλαν αργότερα και άλλα μέσα, όπως ήταν η πυξίδα και ο εξάντας. Ωστόσο ο εξάντας στην πρώιμη μορφή του είχε τη δυνατότητα να μας πληροφορήσει μόνο για το γεωγραφικό πλάτος και όχι για το γεωγραφικό μήκος, κάτι που αποτελούσε ένα σημαντικό πρόβλημα ειδικά για τους ναυτικούς. Τον 17ο αιώνα το Ηνωμένο Βασίλειο συνέταξε ένα συμβούλιο επιστημόνων, το οποίο θα επιβράβευε χρηματικά όποιον εφεύρε κάποιο όργανο που θα επέτρεπε τον ακριβή υπολογισμό και των δύο αυτών γεωγραφικών συντεταγμένων, δηλαδή μήκους και πλάτους.

Το 1761, ο Άγγλος ωρολογοποιός John Harrison, μετά από δωδεκαετή μελέτη, δημιούργησε ένα όργανο το οποίο δεν ήταν άλλο από το γνωστό μας σημερινό χρονόμετρο. Σε συνδυασμό με τον εξάντα, το χρονόμετρο επέτρεπε τον υπολογιστή του στίγματος των πλοίων με εξαιρετική ακρίβεια για τα δεδομένα της εποχής. Πέρασαν αρκετά χρόνια μέχρι να φτάσουμε στις αρχές του 20ού αιώνα, οπότε και δημιουργήθηκαν τα πρώτα συστήματα εντοπισμού θέσης που βασίζονταν στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Αυτά μάλιστα χρησιμοποιήθηκαν ευρέως κατά τη διάρκεια του Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου. Τα συστήματα εντοπισμού θέσης εκείνης της εποχής αποτελούνταν από ένα δίκτυο σταθμών βάσης και κατάλληλους δέκτες.

Ανάλογα με την ισχύ του σήματος που λάμβανε κάθε δέκτης απόσταθμούς γνωστής γεωγραφικής θέσης, σχηματίζονταν δύο ή περισσότερες συντεταγμένες, μέσω των οποίων προσδιοριζόταν η θέση των στρατιωτών πάνω στον χάρτη. Εδώ όμως συνέβαιναν δύο τινά: Η πρώτη περίπτωση ήταν η χρήση σταθμών βάσης που θα εξέπεμπαν το σήμα τους σε υψηλή συχνότητα, διαθέτοντας μεν υψηλή ακρίβεια εντοπισμού, αλλά μικρή εμβέλεια. Στην δεύτερη περίπτωση συνέβαινε το ακριβώς αντίθετο, δηλαδή ο σταθμός βάσης χρησιμοποιούσε χαμηλή συχνότητα εκπομπής σήματος, προσφέροντας έτσι υψηλότερη εμβέλεια, αλλά και χαμηλή ακρίβεια.


Το μόνο σίγουρο πάντως ήταν ότι η αρχή της χρήσης ραδιοκυμάτων για τον εντοπισμό θέσης είχε ήδη γίνει. Το Global Positioning System στη σημερινή του μορφή βασίζεται σε παρεμφερή τεχνολογία. Συνδυάζει όλες τις μεθόδους που είχαν χρησιμοποιηθεί στον ουρανό, δηλαδή την τεχνολογία των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων καθώς και την παρατήρηση ενός ?τεχνητού αυτή τη φορά- ουράνιου σώματος. Οι σταθμοί βάσης που λαμβάνουν και δέχονται τα απαραίτητα ηλεκτρομαγνητικά κύματα πλέον βρίσκονται? στον ουρανό και δεν είναι άλλοι από τους δορυφόρους.
Ένα δίκτυο πολυάριθμων δορυφόρων που βρίσκεται σε σταθερή θέση γύρω από τον πλανήτη μας, βοηθά τους δέκτες GPS να μας δώσουν το ακριβές μας στίγμα οπουδήποτε στον κόσμο. Όταν το 1957 πραγματοποιήθηκε η εκτόξευση του δορυφόρου Σπούτνικ, οι άνθρωποι είχαν ήδη αντιληφθεί ότι ένα τεχνητό ουράνιο σώμα κοντά στη Γη δύναται κάλλιστα να χρησιμοποιηθεί για να εντοπιστεί η θέση μας πάνω στον πλανήτη. Αμέσως μετά την εκτόξευσή του οι ερευνητές του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, διαπίστωσαν ότι το σήμα που λαμβανόταν από τον δορυφόρο αυξανόταν καθώς αυτός πλησίαζε προς το επίγειο σημείο παρατήρησης και μειωνόταν όταν ο δορυφόρος απομακρυνόταν από αυτό. Αυτό ήταν και το πρώτο βήμα για την υλοποίηση της τεχνολογίας που ακούει στο όνομα Global Positioning System. Με τον ίδιο τρόπο που η θέση ενός δορυφόρου μπορούσε να εντοπιστεί ανάλογα με την ισχύ του σήματος που λαμβάνεται από αυτόν, υπήρχε και η δυνατότητα να συμβεί το ακριβώς αντίστροφο. Δηλαδή ο δορυφόρος να εντοπίσει την θέση μας με ιδιαίτερη ακρίβεια. Στην πραγματικότητα ένας δορυφόρος δεν είναι αρκετός για να έχουμε ακριβή αποτελέσματα, αλλά απαιτούνται τουλάχιστον τρεις όπως θα δούμε και στη συνέχεια.
Το GPS αρχικά δημιουργήθηκε αυστηρά για στρατιωτική χρήση και ανήκε στη δικαιοδοσία του αμερικανικού υπουργείου Εθνικής Άμυνας. Στα μέσα της δεκαετίας του 1960 το σύστημα δορυφορικής πλοήγησης, γνωστό τότε με την ονομασία Transit System, χρησιμοποιήθηκε ευρέως από το αμερικανικό ναυτικό. Χρειάστηκε ορισμένες δεκαετίες, μέχρι δηλαδή τα μέσα της δεκαετίας του 1990 ώστε το σύστημα GPS να εξελιχθεί, να γίνει ακριβέστατο και να αρχίσει να διατίθεται για ελεύθερη χρήση από το ευρύ κοινό.
Λειτουργικά μέρη
Το σύστημα εντοπισμού θέσης GPS σχηματίζει ένα παγκόσμιο δίκτυο, με εμβέλεια που καλύπτει στεριά, θάλασσα και ουρανό. Εξαιτίας αυτής της έκτασής του, είναι απαραίτητος ο διαχωρισμός του σε επιμέρους τμήματα όπου πραγματοποιούνται όλες οι λειτουργίες του αλλά και ο συντονισμός του. Ποια είναι όμως αυτά; Ας τα δούμε αναλυτικά.

- Διαστημικό τμήμα: Αποτελείται από το δίκτυο 24 δορυφόρων που ήδη αναφέραμε. Οι δορυφόροι αυτοί «σκεπάζουν» ομοιόμορφα με το σήμα τους ολόκληρο τον πλανήτη, γεγονός που αποδεικνύει τη φιλοσοφία που κρύβεται πίσω από τη λειτουργία του συστήματος GPS. Δηλαδή τη διαθεσιμότητά του σε κάθε γωνιά της Γης, ώστε να μην υπάρχει περίπτωση να αποπροσανατολιστεί κανείς ποτέ και πουθενά.

Όλοι οι δορυφόροι βρίσκονται σε ύψος περίπου 12.700 μιλίων πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας και εκτελούν δύο περιστροφές γύρω από τη Γη κάθε 24ωρο. Η κατασκευάστρια εταιρεία είναι η Rockwell International, η εκτόξευσή τους πραγματοποιήθηκε από το ακρωτήριο Canaveral, ενώ η ηλεκτρική τους τροφοδοσία πραγματοποιείται μέσω των ηλιακών στοιχείων που διαθέτουν.

- Επίγειο τμήμα ελέγχου: Οι δορυφόροι, όπως είναι αναμενόμενο άλλωστε, είναι πολύ πιθανό να αντιμετωπίσουν ανά πάσα στιγμή προβλήματα στη σωστή λειτουργία τους. Οι έλεγχοι που πραγματοποιούνται σε αυτούς αφορούν τη σωστή τους ταχύτητα και υψόμετρο και την κατάσταση της επάρκειάς τους σε ηλεκτρική ενέργεια. Παράλληλα εφαρμόζονται όλες τις διορθωτικές ενέργειες που αφορούν το σύστημα χρονομέτρησης των δορυφόρων, ώστε να αποτρέπεται η παροχή λανθασμένων πληροφοριών στους χρήστες του συστήματος. Το τμήμα επίγειου ελέγχου αποτελείται από 1 επανδρωμένο και 4 μη-επανδρωμένα κέντρα, εγκατεστημένα σε ισάριθμες περιοχές του πλανήτη.

Αυτές είναι οι εξής: α) Κολοράντο (Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής) β) Χαβάη (Ανατολικός Ειρηνικός Ωκεανός) γ) Ascension Island (Ατλαντικός Ωκεανός) δ) Diego Garcia (Ινδικός Ωκεανός) ε) Kwajalein (Δυτικός Ειρηνικός Ωκεανός)

Ο κυριότερος σταθμός βάσης είναι αυτός του Κολοράντο, ο οποίος είναι μάλιστα και ο μοναδικός που βρίσκεται στην ξηρά. Αναλαμβάνει δε τον έλεγχο της σωστής λειτουργίας των εναπομεινάντων τεσσάρων σταθμών, καθώς και τον συντονισμό τους. Σημειώνοντας τη θέση των σταθμών αυτών πάνω σε έναν παγκόσμιο χάρτη, παρατηρεί κανείς ότι η διάταξή τους δεν είναι τυχαία, αλλά ακολουθούν μια γραμμή παράλληλη με τα γεωγραφικά μήκη της Γης.

Το τμήμα τελικού χρήστη: Απαρτίζεται από τους χιλιάδες χρήστες των δεκτών GPS ανά την υφήλιο. Οι δέκτες αυτοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο κατά τη διάρκεια μιας πεζοπορίας, όσο και σε οχήματα ή θαλάσσια σκάφη και κατά κανόνα διαθέτουν αρκετά μικρές διαστάσεις. Για να προσφέρουν όσο το δυνατόν περισσότερες πληροφορίες, οι δέκτες συνδυάζονται και με ειδικό software που προβάλλει έναν χάρτη στην οθόνη του. Πρόκειται δηλαδή για λογισμικό που λαμβάνει από τους δορυφόρους τις πληροφορίες για το στίγμα μας και τις μετατρέπει σε κατανοητή «ανθρώπινη» μορφή, πληροφορώντας μας για την ακριβή γεωγραφική μας θέση.

Τρόπος λειτουργίας

Η βασική φιλοσοφία που βρίσκεται πίσω από τον τρόπο λειτουργίας του συστήματος GPS, όπως ήδη αναφέρθηκε, είναι η μέτρηση της απόστασης μεταξύ δέκτη και δορυφόρου. Για να προχωρήσουμε όμως στα «ενδότερα» της συγκεκριμένης τεχνολογίας, θα πρέπει κατʼ αρχήν να σημειώσουμε ότι ποτέ δεν είναι αρκετό το σήμα ενός δορυφόρου για να εντοπιστεί η θέση μας.


Αντίθετα, το σήμα ενός δορυφόρου, σχηματίζει πάνω στη Γη μόνο έναν νοητό κύκλο, διαμέτρου πολλών δεκάδων χιλιομέτρων. Ο χρήστης ενός δέκτης GPS μπορεί να βρίσκεται οπουδήποτε πάνω στη διάμετρο αυτού του κύκλου, κάτι φυσικά που δεν διασαφηνίζει με καμία απολύτως ακρίβεια το στίγμα του. Με τη λήψη του σήματος από έναν δεύτερο δορυφόρο, δημιουργείται ένας ακόμα κύκλος, ο οποίος σε κάποια τμήματά του τέμνεται με τον πρώτο κύκλο που εξετάσαμε παραπάνω. Εδώ τα πράγματα αρχίζουν να ξεκαθαρίζουν, αλλά όχι όσο θα θέλαμε. Η θέση μας πάνω στη Γη βρίσκεται σε κάποιο από τα σημεία όπου ενώνονται οι δύο νοητοί κύκλοι, ωστόσο πρόκειται και πάλι για μια αόριστη προσέγγιση.


Θα χρειαστεί και το σήμα ενός τρίτου δορυφόρου, για να δημιουργηθεί ένας ακόμα κύκλος, ο οποίος θα τέμνεται με τους άλλους δύο, ώστε να εντοπιστεί με υψηλή ακρίβεια η θέση μας. Το σημείο όπου τέμνονται και οι τρεις κύκλοι έχει τώρα πολύ μικρή έκταση και εκεί ακριβώς βρισκόμαστε εμείς. Όπως διαπιστώνει κανείς, αρκεί η σύνδεση ενός δέκτη με τρεις δορυφόρους προκειμένου να λάβουμε τις ακριβείς πληροφορίες που χρειαζόμαστε. Ωστόσο στην πραγματικότητα, για την αποφυγή τυχών σφαλμάτων και αποκλίσεων, ένας δέκτης GPS συνδέεται με 5 δορυφόρους, δημιουργώντας ισάριθμους νοητούς κύκλους. Έτσι, η πιθανότητα λανθασμένου εντοπισμού του στίγματός μας κυριολεκτικά εκμηδενίζεται.


Το σήμα μεταξύ δέκτη GPS και δορυφόρου είναι ουσιαστικά ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, διαδίδεται δηλαδή με την ταχύτητα του φωτός, στα 300.000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο. Ως εκ τούτου, το σήμα χρειάζεται περίπου 7 μέχρι 10 εκατοστά του δευτερολέπτου για να φθάσει από τον δέκτη στον δορυφόρο και αντίστροφα. Όπως προαναφέρθηκε, απαιτούνται 5 δορυφόροι για να εντοπιστεί με απόλυτη ακρίβεια η θέση μας. Ανάλογα με τον χρόνο που χρειάζεται για την αποστολή του σήματος από τον δέκτη προς καθέναν από τους δορυφόρους αυτούς και για την επιστροφή του, εκτιμάται η απόσταση από αυτούς και δημιουργούνται οι 5 νοητοί κύκλοι θέσης. Η τομή των 5 κύκλων είναι η ακριβής θέση μας η οποία παριστάνεται στον δέκτη GPS με τη μορφή γεωγραφικού μήκους, πλάτους και υψομέτρου.




Στο σημείο αυτό αξίζει ιδιαίτερα να τονιστεί ο σημαντικός ρόλος που διαδραματίζει η σωστή λειτουργία των χρονομέτρων που διαθέτουν τόσο οι δέκτες GPS, όσο και οι δορυφόροι. Σφάλμα ακόμα και ενός δεκάτου του δευτερολέπτου κατά τη μέτρηση του χρόνου που απαιτείται για την επικοινωνία μεταξύ δέκτη και δορυφόρου, θα δώσει εξαιρετικά ανακριβείς πληροφορίες. Για τον λόγο αυτό, στα χρονόμετρα χρησιμοποιείται η τελευταία λέξη της τεχνολογίας, ενώ παράλληλα χρησιμοποιούνται όλες οι απαραίτητες μέθοδοι για τον έλεγχο της σωστής λειτουργίας τους. Αν ποτέ παρατηρηθεί ότι το χρονόμετρο κάποιου δορυφόρου παρεκκλίνει, αυτός θα τεθεί άμεσα εκτός λειτουργίας και θα αντικατασταθεί με έναν από τους εφεδρικούς

Πηγή:users.art.sch.gr