Το GPS είναι ένα δορυφορικό σύστημα πλοήγησης με το οποίο μπορούμε να προσδιορίσουμε με ακρίβεια τη θέση μας σε οποιοδήποτε σημείο της γης. Αυτή η εκπληκτική τεχνολογία είναι διαθέσιμη σε όλους μας συνεχώς, όπου και να βρισκόμαστε και το σημαντικότερο απ’ όλα: όλες οι πληροφορίες πλοήγησης παρέχονται δωρεάν.
Το GPS λειτουργεί 24 ώρες το 24ωρο, κάτω από οποιεσδήποτε καιρικές
συνθήκες και μπορεί να χρησιμοποιηθεί οπουδήποτε στον κόσμο, για πλοήγηση στην
ξηρά, στη θάλασσα και στον αέρα. Στις εφαρμογές του περιλαμβάνονται όλες
εκείνες οι δραστηριότητες που απαιτούν ακριβή γνώση της τοποθεσίας, όπως είναι
οι επιχειρήσεις διάσωσης, το ψάρεμα, η ποδηλασία, το κυνήγι, η εύρεση του
συντομότερου δρόμου για το πλησιέστερο νοσοκομείο από ένα ασθενοφόρο, κλπ.
Στο GPS χρησιμοποιούνται 24 δορυφόροι, οι οποίοι βρίσκονται σε συγκεκριμένες τροχιές γύρω από τη γη και σε ύψος περίπου 17.500 km. Οι δορυφόροι μεταδίδουν σήματα σε υψηλές συχνότητες, τα οποία χρησιμοποιούνται από τους δέκτες GPS για να προσδιορίσουν τη ακριβή θέση μας στη γη.
Ένας δέκτης GPS χρησιμοποιεί μετρήσεις σχετικά με την απόστασή του από 3 δορυφόρους για να προσδιορίσει τη θέση μας στη γη. Με άλλα λόγια, μετράει το χρόνο που κάνουν τα σήματα για να ταξιδέψουν από τους δορυφόρους μέχρι αυτόν και στη συνέχεια πολλαπλασιάζει το χρόνο αυτόν με την ταχύτητα του φωτός (τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ταξιδεύουν στον αέρα με την ταχύτητα του φωτός) για να προσδιορίσει την απόστασή του από τους δορυφόρους. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται τριγωνοποίηση και θα την εξηγήσουμε σε αυτό το τμήμα.
Έστω ότι μετράμε την απόστασή μας από ένα δορυφόρο και τη βρίσκουμε να είναι 11.000 μίλια. Γνωρίζοντας ότι απέχουμε 11.000 μίλια από ένα δορυφόρο, περιορίζουμε το σύνολο των πιθανών θέσεων στις οποίες θα μπορούσαμε να βρισκόμαστε σε ολόκληρο το σύμπαν, στην επιφάνεια μιας σφαίρας, η οποία έχει ακτίνα 11.000 μιλίων και στο κέντρο της βρίσκεται ο δορυφόρος. Αυτό φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
Στη συνέχεια, έστω ότι μετράμε την απόστασή μας από ένα δεύτερο δορυφόρο και τη βρίσκουμε να είναι 15.000 μίλια. Αυτό σημαίνει ότι όχι μόνο βρισκόμαστε στην επιφάνεια μιας σφαίρας με ακτίνα 11.000 μίλια, αλλά ταυτόχρονα βρισκόμαστε και στην επιφάνεια μιας δεύτερης σφαίρας, η οποία έχει ακτίνα 15.000 μίλια. Βρισκόμαστε, δηλαδή, κάπου επάνω στην επιφάνεια που ορίζεται από την τομή των δύο σφαιρών. Δηλαδή:
Τέλος, έστω ότι μετράμε την απόσταση από έναν τρίτο δορυφόρο και βρίσκουμε ότι είναι 9.000 μίλια. Με την τρίτη αυτή μέτρηση περιοριζόμαστε ακόμη περισσότερο. Περιοριζόμαστε στα δύο σημεία στα οποία τέμνει η τρίτη σφαίρα την επιφάνεια τομής των άλλων δύο σφαιρών. Δηλαδή:
Για να προσδιορίσουμε τη θέση μας με ακρίβεια ενός σημείου, είναι αναγκαίο να κάνουμε και άλλη μια μέτρηση από έναν τέταρτο δορυφόρο. Αυτό όμως είναι περιττό, αφού συνήθως το ένα από τα δύο σημεία που μας δίνουν οι τρεις μετρήσεις δεν είναι επάνω στη γη αλλά είναι είτε κάπου στο διάστημα, είτε κινείται με πολύ μεγάλη ταχύτητα. Κατά συνέπεια, η τέταρτη μέτρηση δε μας χρειάζεται.
Στην πραγματικότητα, οι δέκτες GPS λαμβάνουν μια μέτρηση από έναν τέταρτο δορυφόρο, όχι όμως για τον προσδιορισμό της θέσης μας, αλλά για το συγχρονισμό των ρολογιών τους με τα ρολόγια των δορυφόρων. Είναι πολύ σημαντικό τα ρολόγια των δορυφόρων και των GPS δεκτών να είναι συγχρονισμένα. Από τη στιγμή που τα σήματα ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός, μια απόκλιση έστω και της τάξεως του 1 msec στο συγχρονισμό των ρολογιών αρκεί για να μας βγάλει 200 km έξω από την πορεία μας. Για να κατανοήσουμε καλύτερα τη διαδικασία του συγχρονισμού, ας πάρουμε το παρακάτω παράδειγμα.
Για λόγους ευκολίας θα υποθέσουμε ότι ζούμε σε έναν κόσμο δύο διαστάσεων, οπότε για να προσδιορίσουμε τη θέση μας χρειαζόμαστε μετρήσεις από 2 δορυφόρους. Η ανάλυση παραμένει η ίδια είτε μιλάμε στις δύο είτε στις τρεις διαστάσεις. Θυμηθείτε, όμως, ότι στον πραγματικό κόσμο χρειάζεται να πάρουμε μετρήσεις από 3 δορυφόρους (όπως κάναμε πριν) και να απορρίψουμε το ένα από τα δύο σημεία. Στον πραγματικό κόσμο η επιπλέον μέτρηση γίνεται από έναν τέταρτο δορυφόρο, ενώ στο δισδιάστατο κόσμο του παραδείγματός μας, γίνεται από ένα τρίτο δορυφόρο.
Έστω λοιπόν ότι το ρολόι του δέκτη GPS είναι 1 sec πιο αργό από τα ρολόγια των δορυφόρων και έστω ότι έχουμε λάβει τις μετρήσεις από τους δύο δορυφόρους. Αν απεικονίσουμε με διακεκομμένες γραμμές τη σωστή μέτρηση (που θα έπρεπε κανονικά να είχαμε λάβει) και με κανονικές τη λάθος (αυτή που υπολογίσαμε ότι λάβαμε), η θέση μας στο δέκτη θα ήταν ως εξής:
Στο δέκτη, λοιπόν, φαίνεται ότι οι δορυφόροι «απέχουν» 5 και 7 δευτερόλεπτα, που είναι όμως λάθος. Το γεγονός αυτό κάνει τους κύκλους να τέμνονται στο λανθασμένο σημείο ΧΧ και όχι στο Χ που είναι το σωστό σημείο. Πώς όμως ο δέκτης καταλαβαίνει ότι το ΧΧ είναι λανθασμένο;
Αν λάβουμε και μια επιπλέον μέτρηση από έναν τρίτο δορυφόρο, τότε παρατηρείται το παρακάτω φαινόμενο:
Παρατηρούμε ότι η μέτρηση που λήφθηκε από τον τρίτο δορυφόρο δεν περνά από το κοινό σημείο τομής, που είναι το ΧΧ (το λανθασμένο στη συγκεκριμένη περίπτωση) και απ’ όπου θα έπρεπε να περνάει αν οι τρεις μετρήσεις ήταν σωστές. Από αυτό το γεγονός ο δέκτης αμέσως καταλαβαίνει ότι υπάρχει ένα λάθος στο συγχρονισμό μεταξύ των ρολογιών και προσπαθεί να το διορθώσει. Από τη στιγμή που ένα λάθος στο συγχρονισμό επηρεάζει όλες τις μετρήσεις, ο δέκτης προσπαθεί να βρει εκείνο τον παράγοντα διόρθωσης, ο οποίος αν εφαρμοστεί σε όλες τις μετρήσεις θα τις κάνει να τέμνονται στο ίδιο σημείο. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, καταλαβαίνει ότι αν αφαιρέσει ένα δευτερόλεπτο από την κάθε μέτρηση το πρόβλημα διορθώνεται και επιτυγχάνεται ο συγχρονισμός. Με τον τρόπο αυτό μπορούμε να είμαστε σίγουροι ότι ένας δέκτης θα βρίσκεται πάντα σε συγχρονισμό με τους 24 δορυφόρους του συστήματος GPS.
Οι δορυφόροι από την άλλη δεν είναι δυνατό να χάσουν το συγχρονισμό, γιατί είναι εξοπλισμένοι με ατομικά ρολόγια πάρα πολύ υψηλής ακρίβειας. Αν τοποθετούσαμε ατομικά ρολόγια και στους δέκτες GPS, τότε αυτό θα ανέβαζε το κόστος τους περίπου στα 60.000 με 90.000 €, γεγονός που θα τους έκανε πολύ ακριβούς για να είναι πρακτικοί.
Η τεχνολογία GPS σήμερα, βρίσκει εφαρμογή σε πολλούς περισσότερους τομείς από αυτούς για τους οποίους είχε σχεδιαστεί αρχικά. Σήμερα, χρησιμοποιείται από επιστήμονες, αγρότες, πυροσβέστες, νοσοκόμους, στρατιώτες και από πολλούς άλλους, οι οποίοι θέλουν να κάνουν τη δουλειά τους πιο παραγωγική, ασφαλής και ευκολότερη.