vojenský projekt americkej armády sa dnes používa v mobiloch aj raketách
Zrodenie toho, čomu dnes hovoríme GPS, je perfektný ukážkou príbehu technické inovácie.
Sú tu všetky dôležité ingrediencie: vojna, veda, nový vynález a partia nadšených inžinierov, ktorí našli spôsob, ako presne lokalizovať akékoľvek miesto na Zemi. Pôvodne im pritom išlo o pravý opak.
Sú tu všetky dôležité ingrediencie: vojna, veda, nový vynález a partia nadšených inžinierov, ktorí našli spôsob, ako presne lokalizovať akékoľvek miesto na Zemi. Pôvodne im pritom išlo o pravý opak.
Ruský Sputnik prebudil fantáziu amerických inžinierov
“Ľudia v našej laboratóriu pracovali šesť dní v týždni, zvlášť kvôli tej atmosfére vytvorené vojnou v Kórei a narastajúcim tlakom zo strany Sovietskeho zväzu,” spomínajú Bill Guier a George Weiffenbach na svoje dni v laboratóriu aplikovanej fyziky (APL). Toto laboratórium vznikla počas druhej svetovej vojny v rámci snahy americkej vlády zapojiť odborné skúsenosti akademikov do prakticky využiteľného armádneho výskumu. Krátko po svojom vzniku na seba laboratórium upozornila treba detonátorom, ktorý umožnil výbuch bomby v závislosti od vzdialenosti od cieľa.
Mladí fyzici Bill a George pracovali na teoretických problémoch spojených s analýzou signálov; cieľom bolo ochrániť námornú flotilu pred útokmi nízko letiacich lietadiel. Špecialitou mladých nadšencov (ktorí by dnes určite spadli do kategórie geek) potom boli nové mechanické kalkulačky. Bill pomáhal prakticky každý večer s prepočtami pre tajné projekty týkajúce sa vodíkovej bomby v Los Alamos. “Vrátil sa odtiaľ s ťaživým vedomím možnosťou H-bomby a nadšenými nápady pre svet digitálnych počítačov,” spomínajú po takmer polstoročie autori.
A potom Rusi oznámili, že sa im 4. októbra 1957 podarilo to, o čo sa usilovali aj Američania. Na obežnú dráhu umiestnili družicu menom Sputnik 1 – ohromné víťazstvo v začínajúcich vesmírnych pretekoch. Nedá sa ale povedať, že by to Američania brali len ako prehru. Vedci z celého sveta – vrátane vedcov v APL – boli predovšetkým nadšení zo symbolického úspechu. Pretože naviac Rusi urobili všetko pre to, aby ich úspech bolo možné nezávisle potvrdiť, mohli si ľudia z celého sveta vypočuť vysielanie z družice a overiť si, že skutočne obieha stovky kilometrov nad našou planétou.
“Rusi naladili vysielač približne 1 kHz od 20MHz frekvencie, a preto bol výsledkom tón o frekvencii 1 kHz mínus Dopplerov posun, ktorý vznikol pohybom Sputnika. Vďaka tomu bolo zabezpečené, že frekvencia nikdy neklesla pod nulu a bola neustále počuteľná, “pochvaľovali si Guier a Weiffenbach. Preto boli prekvapení, že keď v pondelok prišli do práce, nikto sa zatiaľ nepokúsil signál zo Sputnika zachytiť.
Vesmírne preteky miesto práce
“Našťastie sme mali len 20 kilometrov od laboratória dobrý 20MHz prijímač aj anténu. Už to popoludnie sme počúvali vysielanie z orbity – jasne a zreteľne – a hneď sme si ho začali nahrávať, snáď aby bol zachovaný pre budúce generácie, “spomínajú nadšenci. Zároveň sa pokúsili počítať na základe Dopplerovho posunu, ako rýchlo sa umelá družica pohybuje. Postupne sa im darilo ich prepočty zlepšovať a za niekoľko dní už boli schopní predvídať – pomocou rovníc, ktoré predtým vyvinuli pre sledovanie riadených striel – kedy a na akej frekvencii signál zo Sputnika zaznamenajú. Kolegovia im s nadšeneckým úsilím pomáhali, vďaka tomu napríklad zlepšili príjem, kvalitu nahrávania a zvýšili rýchlosť prepočtov.
Dôležité bolo predovšetkým to, že na sledovanie nepoužívali smerovú anténu, ale len dáta získané z Dopplerovho posunu. “Nedošlo nám, aké bolo šťastie, že sme smerovú anténu nemali. Všetky ostatné organizácie v USA, Európe aj ZSSR sledovali Sputnik pomocou smerových kamier, riadených podľa rádiových interferometrov. My jediní sme sa riadili podľa Dopplerovho posunu, pretože nič iné sme k dispozícii nemali, “píšu ľudia, ktorí bez toho to vtedy tušili, stáli pri počiatku navigačného systému.
Rovnica prevrátené naruby
Doteraz sa mladí vedci zaoberali len tým, ako zistiť, kde je Sputnik. Ich aktivity sa však doniesli ik riaditeľovi laboratória, doktorovi Gibsona, ktorý im dal oficiálne povolenie a taky im alokovala čas na vtedy supermodernom digitálnom počítači Univac 1200F. “Mali sme jasný cieľ – zistiť, s akou presnosťou dokážeme vďaka Dopplerovho posunu lokalizovať polohu satelitu,” spomínajú vedci. “Ukázali sme, že počet neznámych parametrov je deväť (šesť parametrov orbitálnych, tri parametre systémové). Implementácia týchto prepočtov vyžadovala vôbec prvý využitie nových matematických metód. “Postupne vylaďovali rôzne postupy, započítaval vplyv ionosféry a experimentovali s používaním harmonických frekvencií pre zvýšenie presnosti.
{youtube}fVxDVUsiejQ{/youtube}
“A potom začalo najväčšie dobrodružstvo našich životov. V pondelok 17. marca 1958 si nás do kancelárie zavolal Frank McClure (z predstavenstva APL, pozn. Red.) A požiadal nás, aby sme zavreli dvere, “líči výskumníci. “Spýtal sa nás, či niečo naznačuje, že sú naše tvrdenia o schopnosti určiť polohu satelitu z jediného preletu pomocou Dopplerovho posunu nejakým spôsobom prehnaná.” Chcel vedieť, či sa skutočne môže spoľahnúť na to, čo hovoria – mal totiž v úmysle posunúť projekt ďalej a vyššie.
Keď vedci potvrdili, že nepreháňajú a skutočne vie polohu satelitu odvodiť z jediného preletu, opýtal sa ich, či by šlo celé riešenie “prevrátiť”. Keby sme totiž poznali polohu satelitu a hľadali miesto toho polohu prijímacej stanice na zemi, z problému o deviatich parametroch je razom problém o 2 + 3 = 5 neznámych. To sľubovalo vyššiu presnosť – nehovoriac o zatiaľ sotva tušených možnostiach využitia.
“Budúci dni sme strávili riešením tejto prevrátené úlohy, ktoré sa neskôr začalo hovoriť navigačné úloha,” spomínajú vedci; priznávajú, že vtedy ešte nedokázali oceniť, aký potenciál sa v tejto zatiaľ rýdzo teoretickej úlohe skrýva. Čoskoro zistili, že satelit, ktorý by bol pre tento účel priamo vytvorený, môže vysielať dve rôzne frekvencie a takmer odstrániť vplyv ionosféry. Tým sa úloha zjednodušila na púhe 2 + 1 = 3 neznáme.
“Prvé simulácie naznačovali neuveriteľnú presnosť. Keď sme to nadšene hlásili McClure, nebol ale vôbec prekvapený, “čudovali sa vedci. Nevedeli totiž, že McClure bol oboznámený s pokusmi námorníctva o navigáciu ponoriek Polaris. Vedel, s akými problémami sa lokalizácia pomocou pozemných staníc potýka, a satelitnú navigáciu považoval za riešenie týchto problémov.
Tak sa zrodil Transit, prvý satelitný navigačný systém, ktorý od roku 1964 pomáhal určovať polohu amerických vojenských ponoriek. Testy sa začali už v roku 1960, a tajne prebiehali súbežne s verejne oslavovaným vesmírnym programom (pozrite sa aj na počiatky špionážnych družíc). Transit umožňoval určiť polohu s presnosťou na približne 400 – 200 metrov. Pokiaľ nešlo o čas, bolo možné dosiahnuť aj presnosti na metre. Výška najvyššej hory sveta tak bola v mapách upravená práve na základe meraní systémom Transit v roku 1980.
Poloha tajná. Ale nie nadlho
Nie je potrebné zdôrazňovať, že navigačný systém patril počas studenej vojny k prísne stráženým tajomstvom. Až po rokoch možno odkrývať, ako pred polovicou storočia Američania aj Rusi začali osadzovať obežnú dráhu svojimi vojenskými družicami. Kým svet sledoval veľmi transparentný program Apollo a fandil prvým ľuďom na Mesiaci, navigačný systém Transit slávil – v utajení – nemenšej úspechy.
S tým, ako stúpala role riadených striel, sa stupňoval aj požiadavka na vyššiu presnosť navigácie. Ešte dôležitejšie bola rýchlosť fixácie (určenie polohy z vysielania satelitov). V sedemdesiatych rokoch preto Pentagon začal pracovať na novej generácii navigačného systému, ktorý by spájal to najlepšie z minulosti (okrem Transity treba tiež časomeračské Timation a geodetický SECOR).
Všetky armádne systémy (americké aj sovietske) sa pochopiteľne bránili využitie kýmkoľvek iným ako ich tvorcovia. V čase studenej vojny by sa niečo iné ťažko obhajovalo. K uvoľneniu prispela smutná nehoda – rokov Kórejských aerolínií 007 v roku 1983 bol zostrelený, pretože omylom zaletel nad výsostné územie ZSSR (viac o tejto leteckej tragédii v našom článku). Prezident Reagan následne oznámil, že Globálny navigačný systém bude otvorený pre civilné využitie, aby sa zabránilo podobným nedorozumeniam v budúcnosti.
Pseudonáhodná chyba a konečne i presnosť pre všetky
Až do roku 2000 obsahoval systém GPS funkciu Selective availability (obmedzená dostupnosť). Spočíval vo vkladaní pseudonáhodnej chyby do navigačných údajov, a presnosť nearmádních prijímačov GPS tak bola znížená na približne stometrový okruh. Pretože chyba “kmitali” všetkými smermi, ak bol prijímač na mieste dlho, presnosť stúpala. Tak sa zabezpečilo, že navigácia nemôže slúžiť napríklad k presnému navádzanie riadených striel, ale zároveň je využiteľná ako pre vedcov (ktorí si na presnejší výsledok počkajú), tak pre civilné lietadlá a lode (kde môžu byť v núdzi radi aj za približný odhad polohy) .
Ale pre nové využitie bola táto obmedzená dostupnosť úplne limitujúce. Sa stometrový presnosťou je napríklad dosť nepredstaviteľné využiť civilné GPS k navigácii v aute alebo na horách. Tiež v meste by takéto GPS neponúklo nič než odhad s presnosťou niekoľkých ulíc.
V roku 2000, konkrétne 1. mája, Bill Clinton túto funkciu dočasne vypol a zvýšil tak presnosť GPS z 100 metrov na 20 metrov. S novým štandardom GPS III potom presnosť ďalej stúpa až k dnešným 3,5 metrom vďaka zapojeniu štandardu WAAS. Nové štandardy GPS s ďalším zavedením obmedzenej dostupnosti už nepočítajú.
Šifrovanie pokračuje – bojuje proti rušičkám a falošným signálom
Naďalej si ale americká armáda ponechala šifrované kanály GPS (PPS), ktorý síce neponúka vyššiu presnosť, ale lepšie odfiltruje odchýlku spôsobenú v ionosfére a ďalšími atmosférickými javmi.
{googleads right}
Do budúcnosti sa počíta s viacerými kanálmi aj pre civilné GPS (SPS), čo sprístupní túto korekciu všetkým, nielen armáde. Naďalej si však armáda ponechá šifrované kanály, ktoré využívajú nie vylepšovania, ale na overenie signálu. Armáda sa tak bráni pokusom o podvrhnuté signálu z GPS (spoofing) alebo snahám vysielanie z GPS družíc lokálne prehlušiť rušičky (jamming).
Ak potrebujete naozaj, ale naozaj presné výsledky z GPS, a neponáhľate na ne, môžete využiť siete permanentných staníc. Tie poznajú úplne presne svoju polohu, v priebehu dňa ju ale nahrávajú aj podľa GPS. V Česku napríklad operuje systém SKPOS, ktorý dokáže spätne dopočítať súradnice z GPS až na jednotky centimetrov.
Od chvíle, kedy vedci prvýkrát identifikovali svoju polohu na Zemi podľa družice – boli vtedy vo vytržení z presnosti v poriadku kilometrov – prešiel GPS skutočne neuveriteľným spresnením. Je celkom dobre možné, že ďalšia generácia bude na papierovú mapu kukať s podobnou nedôverou, ako my dnes na mechanické kalkulačky, ktoré rozvoj predchodcov GPS umožnili.
zdroj: dnes.cz
Reklamy
