Arthur C. Clarke spunea că orice tehnologie suficient de sofisticată poate fi numită magie. Nu știu dacă sistemele de poziționare prin satelit sunt magice, dar sunt cu siguranță demne de un loc fruntaș într-o listă a minunilor tehnologiei moderne: dincolo de sateliți și rachete, pentru ca un sistem de poziționare să fie funcțional, acesta trebuie să includă corecții oferite de teoria relativității.

Așadar, atât practic, prin rachete și sisteme electronice, cât și teoretic, prin validarea uneia dintre cele mai de succes teorii din fizica modernă, sistemele de navigație prin satelit reușesc să fie indispensabile societății de astăzi, în timp ce integrarea lor este atât de puternică încât foarte puțini din cei care le folosesc zilnic știu cum funcționează un sistem GPS încorporat în telefonul mobil sau în navigatorul montat în interiorul autoturismului personal.

GLOBAL POSITIONING SYSTEM (GPS)

Am evitat să folosesc acronimul GPS până acum pentru că acesta este specific unui anumit sistem de navigație prin satelit, cel al Departamentului de Apărare al Statelor Unite. Așadar, chiar dacă sistemul este global, el aparține de fapt armatei SUA, care ar putea întrerupe în orice moment accesul civililor la datele GPS.

Sunt foarte slabe șansele ca acest lucru să se întâmple, dar posibilitatea acestui fapt și integrarea tot mai puternică a sistemelor de navigație în rutina zilnică au dus la apariția unor alternative. Și nimeni nu le poate nega Statelor Unite acest drept, având în vedere că au investit deja 12 miliarde de dolari în tehnologia necesară și cheltuie în prezent 2 milioane de dolari pe zi pentru a menține sistemul funcțional, în timp ce utilizatorii pot folosi terminalele GPS fără a plăti nimic pentru acest serviciu.

Desigur, se plătesc costurile unui receptor GPS, hărțile sau alte facilități, dar nici un cent din aceste sume nu ajunge direct la armata Statelor Unite, care a inițiat acest proiect. Din aceste motive, și alți jucători de pe mapamond au început să pună la punct un sistem similar, pentru armata proprie sau pur și simplu pentru ca cetățenii să aibă o variantă la GPS.

Dar să începem cu începutul și să vedem componența sistemului GPS, primul, cel mai mare și mai extins sistem de navigație, unul cu adevărat global.

gps-stiinta-tehnica-2

În după-masa zilei de miercuri, 15 iulie, o rachetă Atlas V lansa de la baza din Cape Canaveral un nou satelit GPS. A fost a 35-a lansare a unei rachete în 2015 (vehiculul avea numărul de serie AV-055) și a patra rachetă Atlas V din acest an. Satelitul lansat nu este unul foarte mare, așa că racheta nu a avut nevoie de ajutorul boosterelor suplimentare cu combustibil solid – deși racheta Atlas V poate primi un ajutor din partea a maximum cinci astfel de boostere, dacă este cazul.

Motorul RD-180, de producție rusească, avea să propulseze prima treaptă în faza inițială a zborului (patru minute și 3,5 secunde), după care motorul Aerojet Rocketdyne RL10 al treptei secundare Centaur a preluat controlul asupra inserției orbitale a satelitului. Acesta a funcționat timp de 12 minute și 42,7 secunde, după care s-a oprit și a permis ansamblului format din treapta secundară a rachetei și satelitul GPS din vârful acesteia să atingă poziția potrivită pe orbită pentru a porni pentru a doua oară timp de 86,2 secunde și a plasa satelitul pe orbita necesară (altitudine de 20.500 kilometri, înclinare orbitală 55 grade).

Satelitul avea nevoie de o lună de zile pentru a ajunge exact în locul dorit și pentru a începe verificările preliminare înainte ca acesta să fie declarat operațional, lucru care s-a întâmplat deja.

Cam aceasta este procedura generală pentru lansarea unui nou satelit GPS. Cel din 15 iulie se numește GPS IIF-10 și face parte din seria intermediară de sateliți de generația a doua, care face trecerea spre sateliții GPS din a treia generație. În primă fază, armata Statelor Unite ale Americii a lansat un număr de 12 sateliți GPS între 1978 și 1985, pentru a testa această tehnologie de localizare și navigație (ansamblu denumit Block I).

 

Unul din acești 12 sateliți nu a ajuns pe orbită din pricina unei lansări defectuoase, dar ceilalți 11 au demonstrat că tehnologia este viabilă, așa că din 1989 a început lansarea sateliților GPS de a doua generație, Block II (inaugurând cu această ocazie noua rachetă Delta II). Ultimul satelit din prima generație a fost retras din uz în 1995. După nouă lansări de sateliți GPS de a doua generație, s-a trecut la prima modernizare a sistemului, Block IIA, care a avut parte de 19 sateliți.

În 1997, un nou tip de satelit din noul Block IIR a fost pierdut la lansare, după care 12 de sateliți de acest tip au fost lansați până în 2009. Aceștia din urmă au fost construiți de către compania Lockheed Martin, spre deosebire de majoritatea sateliților GPS construiți de compania Boeing (merită totuși notat că un consorțiu format din cele două companii, denumit United Launch Alliance operează cele două vehicule, Atlas și Delta, folosite pentru lansările de sateliți GPS și alte încărcături pentru armata SUA).

Au urmat 8 vehicule noi din Block IIR-M, între 2005 și 2009, după care, din 2010, Boeing a început o nouă serie care urmează să conțină un număr de 12 sateliți (10 au fost lansați deja), Block II-RF. Din 2017 va începe lansarea sateliților de generația a III-a (Block IIIA), pentru care Lockheed Martin a primit deja o comandă pentru 32 de astfel de sateliți noi, aceștia urmând să aibă o durată de viață de 15 ani.

gps-stiinta-tehnica-4

În prezent sunt 31 de sateliți GPS activi (numărul maxim pentru care a fost proiectat întregul sistem). USA-2013 lansat în martie 2009, este păstrat pe o orbită de rezervă, gata să fie activat dacă va fi nevoie. Între timp, lansările continuă, pentru că sateliții vechi sunt adesea retrași din uz, iar constelația trebuie alimentată mereu cu sateliți noi.

Este nevoie de un număr de cel puțin 24 de sateliți pentru ca sistemul să funcționeze la parametri normali. Doar așa se poate respecta condiția ca deasupra unui punct să fie mereu cel puțin 3 (de preferință 4) sateliți GPS în orice moment. În caz contrar, sistemul încetează să fie unul global și devine un sistem de navigație regional, funcțional doar deasupra zonei în care condițiile specificate anterior sunt îndeplinite.

Pe lângă sateliții aflați pe orbită, la sol există o stație principală de control pentru sateliți, 12 antene de comandă și control și 16 stații de monitorizare, care asigură buna funcționare a întregului ansamblu de sateliți și a întregului sistem GPS.

CUM FUNCȚIONEAZĂ UN SISTEM DE NAVIGAȚIE PRIN SATELIT?

Spre deosebire de o rețea de telecomunicație prin satelit, marele avantaj al unui sistem de navigație satelitar este comunicația într-un singur sens: de la satelit spre receptoare. Acest lucru reduce semnificativ energia necesară pentru receptor, reducând dimensiunile și costurile acestuia.

Nu știu dacă mulți dintre voi vă mai amintiți despre sistemul Iridium. Înainte ca rețele GSM să împânzească lumea, cineva a venit cu ideea de a oferi un sistem de telecomunicații global, direct prin satelit. Sistemele GSM actuale sunt organizate în rețele locale și astfel convorbirea dintre doi utilizatori locali nu trece neapărat prin satelit. În acest caz, puterea de emisie a terminalului nu trebuie să fie prea mare.

În cazul sistemului Iridium însă, comunicațiile se făceau direct prin satelit, lucru ce necesită terminale suficient de puternice pentru a transmite un semnal până pe orbită, iar asta le făcea să fie mari, incomode și, în plus, costul unei convorbiri extrem de scump, pentru a amortiza lansările celor 60 de sateliți de telecomunicație necesari (câțiva dolari pe minut!).

Din păcate, aceste detalii au umbrit complet avantajul unei acoperiri globale (spre exemplu, un utilizator din Antarctica putea comunica direct cu cineva aflat pe o platformă în mijlocul Pacificului) și în urma ofensivei ieftine a telefoniei celulare GSM, sistemul Iridium a devenit falimentar. El mai este folosit astăzi pentru a asigura accesul telecomunicațiilor în locuri greu accesibile, dar actualul sistem Iridium este departe de planurile îndrăznețe care au existat inițial.

gps-stiinta-tehnica-5

Dar să revenim la sistemele de navigație prin satelit. Spuneam că în acest caz, comunicația are loc într-un singur sens, de la satelit spre receptor. Acest lucru are o serie de implicații benefice: costurile sunt scăzute pentru utilizatori iar receptoarele pot fi atât de reduse ca dimensiuni fizice încât pot fi încorporate în alte dispozitive precum telefoanele celulare sau bordul mașinilor. Iar la fel ca și în cazul receptoarelor radio, utilizatorul poate recepționa semnalul fără să plătească o sumă direct către cel care îl emite.

Dar cum funcționează un sistem de navigație prin satelit? Spuneam la începutul articolului că întregul ansamblu este o minune modernă, pentru că folosește multe din tehnologiile care pur și simplu nu existau acum câteva decade. Începând de la rachete, care au fost dezvoltate doar în ultima jumătate de secol și care sunt capabile astăzi să plaseze încărcături de câteva tone pe orbite înalte, până la ceasuri atomice sau un alt instrument teoretic extrem de util: teoria relativității.

Da, selfie-urile din zilele noaste cu check-in (geotagging) sau navigarea comodă printr-un oraș necunoscut nu ar fi posibile fără teoria relativității!

În cadrul unui sistem de navigație satelitar, timpul este cuvântul cheie. În ultimele decenii s-au făcut progrese enorme în tehnologii de măsurare cât mai precisă a timpului, prin așa-numitele ceasuri atomice. Acestea pot măsura trecerea timpului cu o precizie remarcabilă (miliardimi de secundă) și fără ele nu am avea sisteme de navigație prin satelit.

Simplificând oarecum procesul, lucrurile stau în felul următor: un receptor GPS primește în mod constant semnale radio de la cel puțin 3 (de obicei 4 sau mai mulți) sateliți GPS, care sunt poziționați corespunzător, deasupra utilizatorului. Aceste semnale conțin un cod de identificare, unic pentru fiecare satelit în parte, și momentul exact în care a plecat de la satelit. În acest fel, receptorul știe când a fost trimis semnalul și având codul de identificare al satelitului, știe și unde se află acesta. Asta se întâmplă pentru că receptoarele GPS au o bază de date cu poziția exactă a fiecărui satelit din constelație (evident, acest lucru înseamnă că și ceasul receptorului să fie sincronizat cu ceasurile atomice de la bordul sateliților).

Mai departe, receptorul compară momentul în care semnalul a plecat de la satelit cu momentul în care acesta a fost recepționat (ceasurile de pe satelit și cel al receptorului fiind sincronizate și extrem de precise) și cum undele radio sunt de fapt radiații electromagnetice care se propagă cu viteza luminii, receptorul poate afla distanța dintre el și fiecare dintre cei 3 sau 4 sateliți de la care primește semnale.

Având coordonatele exacte ale sateliților și distanțele față de fiecare dintre aceștia, receptorul poate să-și determine poziția într-un sistem de referință tri-dimensional (dacă avem doar 3 sateliți deasupra receptorului, acesta poate să-și determine poziția în plan, bi-dimensional, adică nu avem informații despre altitudine).

gps-stiinta-tehnica-3

Vă întrebați, poate, unde intervine în această discuție teoria relativistă? Ei bine, dacă nu ar fi aplicate corecții relativiste pentru determinarea poziției sateliților pe orbită, în câteva zile erorile acumulate ar deveni atât de mari încât întregul sistem ar deveni inutilizabil: receptorul nu ar mai cunoaște cu precizie poziția satelitului și drept urmare ar determina eronat propria poziție.

Așadar, avem astăzi navigație prin satelit datorită rachetelor, a miniaturizării din domeniul electronic (care permite includerea acestor receptoare în diverse dispozitive, dar în același timp asigură și o putere de procesare suficient de rapidă pentru a interpreta toate datele primite) dar și teoriei relativității. Practic, funcționarea sistemelor de navigație satelitară este în sine probabil cea mai clară și la îndemână validare a acestei teorii.

GLONASS, REPLICA DE LA RĂSĂRIT

Să nu credeți însă că SUA este singurul stat care are o rețea funcțională pentru navigația satelitară. Tot în anii ’70, Uniunea Sovietică a început proiectul GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System) și în 1995 acesta devine o alternativă la GPS, având acoperire globală.

Datorită însă bugetului redus substanțial în anii următori, sistemul pierde sateliți care rămân neînlocuiți și în 2001 mai rămân pe orbită doar 6 din cei 24 de sateliți necesari. Aceștia nu pot asigura nici măcar o acoperire a teritoriului rusesc (e nevoie de 18 sateliți pentru acest lucru), așa că despre un sistem cu adevărat global nici nu mai poate fi vorba. Vladimir Putin a dorit revitalizarea proiectului și a mărit bugetul alocat pentru GLONASS, iar din 2003 reîncep lansările de sateliți pentru refacerea constelației.

Opt ani mai târziu, în octombrie 2011, GLONASS redevine un sistem global de navigație, după o serie reușită de lansări de sateliți moderni. Undele receptoarelor GPS (inclusiv cele din telefoanele mobile inteligente) pot recepționa și semnal provenind de la sistemul GLONASS, reducând semnificativ timpul necesar pentru a localizare, deși precizia sistemului rusesc este ușor mai redusă decât a celui american.

GALILEO, SISTEMUL EUROPEAN

Un al treilea mare jucător de pe scena geopolitică este Uniunea Europeană și acesta nu dorește să depindă mereu de sistemele de navigație americane sau rusești, așa că a început deja primii pași în derularea unui proiect pentru un sistem de navigație satelitar propriu, denumit Galileo.

Primii sateliți au fost lansați abia în 2011 și momentan avem pe orbită 8 astfel de sateliți. Doi dintre aceștia au fost din păcate plasați pe o orbită greșită în timpul lansării, dar acest lucru a fost corectat folosind combustibilul de la bord, ceea ce însemnă că cei doi sateliți vor fi retrași din uz prematur.

Principalul motiv pentru care Europa a dorit dezvoltarea unui sistem de navigație propriu este o caracteristică a sistemului american GPS care permite degradarea intenționată a semnalului dedicat sectorului civil. Astfel, în timp ce armata are acces la un semnal ce permite o precizie mai bună, restul aplicațiilor ar trebui să se mulțumească și cu o precizie mai slabă. Aceste diferențe au fost înlăturate încă din 1996 și SUA au promis că nu vor mai activa vreodată această selectivitate, dar ea rămâne tehnic posibilă.

gps-stiinta-tehnica-6

Galileo, spre deosebire de GPS și GLONASS este dezvoltat de sectorul civil și va rămâne mereu sub control civil. Tot spre deosebire de predecesorii săi, va conține și o caracteristică extrem de utilă: denumită Search and Rescue, sateliții Galileo permit interceptarea semnalelor SOS de la receptoarele care vor avea încorporată această funcție și vor putea notifica un centru de intervenție din zona respectivă.

În același timp, vor putea notifica pe cel care a lansat mesajul SOS dacă autoritățile au fost alertate și dacă acestea au pornit operațiunile de salvare. Din păcate, mai avem de așteptat câțiva ani pentru această facilitate, pentru că abia în 2020 Galileo va fi deveni un sistem funcțional, cu 24 de sateliți activi și șase de rezervă.

SISTEME REGIONALE: BDS ȘI IRNSS

Marile puteri spațiale nu stau deoparte: China, India și Japonia au lansat deja sateliți din constelații proprii dedicate navigației satelitare, chiar dacă vorbim de acoperiri regionale.

Programul BeiDou (BDS sau COMPASS) a fost pornit ca un sistem regional de navigație, disponibil doar în China și în țările învecinate, dar recent acesta este extins pentru a oferi acoperire globală în viitorul apropiat (nu mai devreme decât Galileo). În prezent, sistemul BDS chinezesc deservește zona Asiei și are 14 sateliți activi (primul lansat în 2007) din cei 36 planificați.

India nu și-a planificat dezvoltarea unui sistem de navigație global, ci are țeluri mai modeste: dorește un sistem local, care să acopere doar teritoriul propriu. Pentru acest lucru este nevoie de doar șapte sateliți lansați și activi, iar India are deja patru dintre aceștia, următorii fiind programați pentru următorii ani.

Japonia are un sistem format din trei sateliți care nu pot funcționa însă independent, fără ajutorul unui alt sistem de navigație suport, deja existent și acoperă doar zona proprie și regiunile învecinate.

gps-stiinta-tehnica-7

CONCLUZII

La fel ca și Internetul, GPS-ul este o tehnologie care a luat naștere în laboratoarele armatei americane și apoi s-a extins în mod liber și gratuit în sectorul civil, astăzi ambele devenind tehnologii fără de care societatea modernă ar fi complet diferită. Aflat la răscrucea dintre rachete, sateliți, miniaturizare tehnologică și fizică teoretică, sistemele de navigație prin satelit sunt deja adânc înfipte în rutina lui Homo sapiens fiind în același timp o unealtă indispensabilă pentru lumea în care trăim.

Nu cred că specia umană va renunța vreodată la un astfel de instrument, așa cum nu va renunța niciodată la hărți sau cărți. Deja există propuneri pentru un sistem de navigație la nivel galactic, bazat pe pulsari, care va ajuta umanitatea să navigheze printre stele, dar până atunci, când folosiți un smartphone pentru a surprinde un peisaj sau un selfie, nu uitați că aveți coordonatele GPS incluse în imagine datorită unui cumul extraordinar de realizări ale minții umane.

Comentați pe Facebook

DISTRIBUIȚI