GPS, a globális helymeghatározó rendszer
A GPS rendszer (Global Positioning System) Föld körül keringő holdjai nagyfrekvenciás rádióhullámokat sugároznak ki, amelyek segítségével egy kisméretű vevőkészülék képes kiszámítani és kijelezni saját, éppen aktuális földrajzi koordinátáit. [18] Ez a rendszer egyben a modern technika újabb kihívását jelenti az eddig tárgyalt elméletek számára, mert segítségével eldönthető, hogy a fény egyaránt fénysebességgel terjed–e álló és mozgó megfigyelőkhöz képest. Mielőtt azonban ennek vizsgálatára rátérnénk, ismerkedjünk meg nagy vonalakban e rendszerrel.
A GPS alapját 24 műhold képezi. Három hold kering egy–egy körpályán, egymástól 120 fokra, a negyedik hold tartalék. Hat ilyen körpálya van, a Föld egyenlítője körül 30 fokonként elhelyezve. A pályasíkok az egyenlítővel 55 fokos szöget zárnak be. Ily módon a Föld bármely pontja felett mindig vehető legalább négy hold jele. A holdak két forduló után visszaérnek a kiinduló pontjuk fölé, azaz két keringést végeznek egy csillagnap (23h 56' 04") alatt. (A napi nap a Föld pályamozgása miatt kicsit hosszabb, mint tudjuk, 24 óra.) A napi két keringéshez 26.580 km pályasugár tartozik itt a Föld gravitációs terében. Minthogy a Föld sugara közelítőleg 6.380 km, így a holdak a földfelszín fölött 20.200 km magasan keringenek. Az ismertetett pályaadatok egyáltalán nem mereven rögzített értékek. A rendszer indítása óta (1978) különféle gyakorlati okok miatt már szinte mindegyiket módosították.
A rendszer három különböző technikával működik: sebességméréssel, fázisszám számítással és időméréssel. Mi a továbbiakban csak az utóbbival fogunk foglalkozni. A holdak két antennával, két rádióadóval vannak ellátva, és két különböző frekvencián (1,5 és 1,2 GHz) sugároznak ki időjeleket és azonosító jeleket. A földi vevőnek egyetlen antennája van. Egyszerre veszi az égbolton látható összes hold jelét, majd trükkös matematikai módszerrel szétválogatja és azonosítja a beérkezett adathalmazt. A holdak időjelét saját órajelével összehasonlítja, majd bonyolult térgeometriai és korrekciós számítások után kijelzi saját helyzetét. A GPS pontossága az egyszerűbb (viszonylag olcsó) vevők esetén mintegy 30 méter, teljes kiépítettségű vevőrendszer esetében 3 milliméter. Az elképesztő pontosságnak nagy ára van. Mind a rendszer kiépítése, mind annak éves üzemeltetési költsége dollár–milliárdokat tesz ki. Ugyanakkor ez a létesítmény az emberiség történetének eddigi legnagyobb technikai alkotása. Az ókor hét csodája, vagy a kínai nagy fal eltörpül mellette.
A GPS rendszert valóban csodálnunk kell, de nemcsak a technikai bravúr okán. Gondoljunk bele, hogy ennek a rendszernek minden eleme mozgásban van! A Nap kering a Galaxis centruma körül, a Föld kering a Nap körül, valamint forog a tengelye körül, de a műholdak is keringenek. A leginkább problematikus eleme a rendszernek mégis a jeleket szállító rádióhullám, amely – nem tudni, mihez képest, de – mindig fénysebességgel mozog. Tudunk–e abban a tér–részben egy kitüntetett elemet találni, melyhez viszonyítva a fény és a rádióhullámok sebessége állandó? Avagy Einsteinnek volt igaza, hogy a fény a rendszer minden mozgó eleméhez hozzáigazítja sebességét? Erre a súlyos kérdésre kell a továbbiakban választ találnunk.
A GPS rendszer megvalósítható lenne akár hangjelekkel is, és akkor talán könnyebben átlátnánk a működését. Időnként repülőgépek vonulnának el a magasban, modulált füttyjeleket sugározva. Egy modern hajótörött hamarosan megtudná a sziget koordinátáit, ha lenne nála egy alkalmas akusztikus vevőkészülék, mely dekódolni és értelmezni tudná a magaslégkörből érkező hangjeleket.
Visszatérve a rádióhullámokkal dolgozó GPS–re, egyszerűsítsük némileg a feladatot. Tegyük föl, hogy a továbbiakban kizárólag az egyenlítőn állunk vagy mozgunk, mindig a tenger szintjén. Ekkor csak egy koordinátánk kétséges, az ún. hosszúsági koordináta. Tegyük föl most, hogy tőlünk keletre, éppen 24.000 km távolságra helyezkedik el egy GPS műhold. Digitális jelsorozatot bocsát ki, melyben közli hogy hol van és nála hány óra van. A rádiójelek fénysebességgel haladva 0,08 másodperc késéssel érkeznek hozzánk, és ezt az időkésést vevőnk órája detektálja. A GPS vevő ebből az időértékből és a műhold egyéb azonosító adataiból elvben képes megadni földrajzi koordinátánkat. Kis kétértelműség azért marad, jelesül nem tudhatja, hogy a műholdtól keletre vagy nyugatra vagyunk.
Egy második hold jele – példánkban tőlünk nyugatra – azonban egyértelművé teszi a hely–koordinátát.
Vegyük most sorra a már említett sokféle mozgás okozta logikai bizonytalanságot. A műholdak keringési sebessége 3876 m/s, az egyenlítő 465 m/s sebességgel forog, a Föld pedig 30 km/s sebességgel kering a Nap körül. Befolyásolják–e vajon ezek a sebességek a GPS rendszer működését, és ha igen, akkor melyik és milyen mértékben?
A tárgyalt működési mód alapvetően időmérésen alapszik, ezért minden egyes GPS egységében egy–egy pontos óra van elhelyezve. Az órák meglehetősen szaporán "ketyegnek", mintegy 10 milliót minden másodpercben. Másképpen mondva az órajel frekvenciája 10,23 MHz. Ez nem kerekített, hanem pontos érték. Ezekben a kommersz vevőkben kisebb pontosságú kvarcórák vannak. Ennek pontosítása a negyedik műhold segítségével történik – a következő módszer szerint. Három műhold adatai elegendőek a számításhoz. Egyiket mellőzve, illetve helyette a negyedik hold jelét használva a számítás valószínűleg eltérő eredményt fog szolgáltatni. Ekkor a Softwer feltételezi, hogy az eltérést a belső óra hibás járása okozza. Órát állit és ha a hiba csökkent, akkor az órához tartozó korrekciós tényezőt ebbe az irányba kell módosítja tovább mindaddig, amíg a négy holdból bármelyik hármat kiválasztva azonos koordinátákhoz jutunk. Persze ezt az órahelyesbítési folyamatot a vevőbe helyezett szoftver automatikusan elvégzi.
A rendszer működése során fellép néhány fizikai hatás – sebesség, gravitáció, forgás stb. – amelyek bonyolítják a feladatot és hatásukkal számolni kell. Vegyük sorra ezeket is.
Nézzük elsőnek a műholdak sebességét. A műholdaknak jelentős sebességük van, melynek következtében a fedélzeti órák lelassulnak. A műhold órája esetében azonban ez a vélekedés igen konkrét formában mutatkozik meg. A hold 3876 m/s sebessége következtében az atomóra 93*10–12 faktorral jár lassabban. Mellette azonban jelentkezik egy másik hatás is, jelesül a gravitáció, amely 20.200 km magasságban határozottan kisebb, mint a Föld felszínén. Ennek hatására viszont az óra odafönt egy 527*10–12 faktorral gyorsabban jár. Amint látjuk, ez utóbbi hatás okoz jelentősebb változást. Végtére is a műhold atomóráját a két ellentétes hatás figyelembevételével állítják be itt a földi laboratóriumban 10,22999999543 MHz értékre, hogy odafönt keringve pontosan a 10,23 MHz frekvencián dolgozzon.
A Föld 30 km/s pályasebessége nincs hatással a GPS rendszer működésére. Ahogyan a DT (Drift Theory) elméletének tárgyalásakor már láttuk, a körülöttünk levő éter-tenger együtt mozog velünk.
A Föld forgása befolyással van a gépies rendszer működésére. Például oly módon, hogy mialatt a helykoordináta digitális jele halad a vevő felé addig jelentős idő telik el… Ezalatt a Föld a vevővel együtt arrébb fordul. Az egyenlítő 465 m/s forgási sebessége… elmozdulást eredményez, ami egyre kissebbé válik, ahogyan a hosszúsági kör mentén a pólus felé haladunk. Hiszen a vevő bár mely szélességi körön lehet. A korrekció a GPS vevőben futó program segítségével történik. A vevőkészülék folyamatosan kapja a hold hely-koordinátáit, melyből közelítőleg kiszámítja távolságát, helyzetét, valamint saját sebességét. Ennek függvényében alkalmazza a szükséges korrekciót. A helyzet-meghatározás így nem lenne pontos, de egyre ujjbab és újabb számításokkal, tehát egyre pontosabb kiinduló adatokkal végül is belül kerülhet a három mm-es hibahatáron.
Mozgó adók és vevők esetén mindig jelentkezik a Doppler–effektus, a kibocsátott vagy detektált frekvencia eltolódása. Vajon befolyásolja–e ez a jelenség a GPS működését?
Vizsgáljuk először a legnagyobb sebességet, a Föld pályasebességét. Ez megváltoztatja a műhold által kisugárzott frekvenciát. A Földön álló vevő forgási sebessége mindenütt más– és más, tehát ez okból is jelentkeznie kellene a rádióhullámok Doppler–eltolódásának. Mindez nem okoz sem technikai sem elvi problémát. Egyrészt azért nem, mert a vevő vételi sávszélességébe ennyi eltolódás belefér, azaz a megváltozott frekvenciájú jel is erősítésre kerül. Másrészt a koordináta–információt – ebben a tárgyalt feldolgozási üzemmódban - nem a rádióhullám frekvenciája tartalmazza, hanem a ráültetett jelcsomagok. A pozíciót elvileg egyetlen csatolt jelcsomagocska is megadja – és ennek beérkezési ideje független az azt hordozó rádióhullám frekvenciájától. Leszögezhetjük tehát, hogy a GPS időméréses működési módja esetében a Doppler–effektustól eltekinthetünk, mert annak nincsen kihatása a kijelzett helyrajzi koordinátákra.
Az eddig felvázolt GPS–ismeret – bár csak töredék a működés ismeret–anyagából – talán elegendő a rendszer megértéséhez, és az ismerethiányból eredő esetleges tévedések kiszűréséhez. Immár eljutottunk arra a pontra, hogy végre feltehetjük a bennünket régóta foglalkoztató és egyben nyugtalanító kérdést: Mi a helyzet a sebességekkel? Jelentkezik–e a rendszer elemeinek mozgási sebessége a koordináták számításánál? Igen vagy nem? Esetleg egy részüké igen, másoké nem? Ez utóbbi, harmadik eset lenne számunkra a legkevésbé kellemes, mert bonyolult, sőt ravasz fizikai háttérre utalna. Nos, szaladjunk kicsit előre, elárulva a végeredményt: Az igenek és nemek párviadalának eredménye 2:2 lesz, azaz döntetlen. Nézzük hát meg mi magunk is a négy eset ominózus párviadalát!
1. Hatással van–e a műhold sebessége a helyzetazonosítás folyamatára?
A műhold igen tekintélyes, 3876 m/s körüli sebessége egyáltalán nincs rá hatással. Elvileg sem lehet, hisz már sokszor átbeszéltük, hogy a rádióhullám azonnal leválik az antennáról, és annak mozgásától teljesen függetlenítve magát, fénysebességgel halad tovább. Gyakorlati oldalról nézve sem jelentkezik a hatása, mert tény, hogy a jelfeldolgozás folyamatában sehol nem lép be a fent idézett sebesség. A válasz tehát: NEM!
2. Hatással van–e a Föld pályasebessége a helyzetazonosítás folyamatára?
Mint tudjuk, a Föld 30 km/s sebességgel kering a Nap körül. A hivatkozott kísérletek azonban megmutatták, hogy a környező éter ugyanilyen sebességgel kering, sebessége pontosan azonos. Így aztán nem jelentkezik különbség a rádióadó és a GPS vevő rendszerében. A válasz tehát: NEM!
3. Hatással van–e a Föld forgási sebessége a helyzetazonosítás folyamatára?
A válasz: IGEN. Az egyenlítő 465 m/s sebességgel forog, melynek következtében a vevő a térben mintegy 32 méterrel kerül arrébb, mint ahol a jel kibocsátásakor volt. Azt várnánk, hogy ez a távolság jelentkezik a vevőnél, és ezt valamiféle korrekciós tényezővel kell kiküszöbölni. Várakozásunk ezúttal beigazolódik. A vevő szoftverébe be van építve a Föld forgástengelyének szögsebessége, melyből a sugár ismeretében kerületi sebességet lehet számolni. Ez a sebesség az egyenlítőtől távolodva egyre kisebb, a pólusokon nulla. Ezek szerint tehát a forgásból származó "elmozdulás" a végeredménybe automatikusan beépül. Idézőjelbe tettük az elmozdulás szót, hiszen az számunkra nem tűnik elmozdulásnak. Azért nem, mert a földfelszín a vevő, és mi magunk, mint észlelők, látszólag mozdulatlanok vagyunk. Úgy tűnik azonban, hogy a látszat ellenére valós mozgásról van szó, amelyről megfeledkezve hibás pozíciót számolnánk ki. A vevőnek azonban nem szabad "megfeledkeznie" az elmozdulásról, hiszen az ténylegesen módosítja a jel érkezési idejét. Az űrben lebegve, és lenézve a vevőre világosan látszana, hogy ez utóbbi 32 métert elmozdul. Mi azonban fizikailag és szemléletileg mindig a földön állunk, és ez bizonyára számos más probléma vizsgálatakor is veszélyes tévutat kínál föl. Összegezve mindezeket, a válasz a 3. kérdésre végül is: IGEN!
4. Hatással van–e a vevő mozgási sebessége a helyzetazonosítás folyamatára?
A válasz: "IGEN"! Az indoklás azonos az előző pontban elmondottakkal – de azért világítsuk meg a dolgot egy–két példával is.
Tekintsünk egy repülőgépet, amely a kényelmes összehasonlítás érdekében ugyancsak az egyenlítő sebességével halad. Fedélzetén egy másik vevő mintegy 2*32 méter távolsággal jelez arrébb, mint ahol a műhold jelének kibocsátásakor volt. Nyilván ezt a megváltozott pozíciót kell kijeleznie. (Most tekintsünk el a GPS viszonylag lassú, ismételt mintavételen alapuló működésétől.) A GPS vevő természetes a megváltozott helyzetet fogja kijelezni az adott mérési pillanatban.
A másik példát merítsük a jövőből. Tegyük föl, hogy két GPS műhold van a Naptól 1/2–1/2 fényév távolságra, tehát még bőven a Naprendszeren belül. Ezek idő– és pozíciójelet sugároznak, amelyeket egy földi vevő kiértékel. Fél év alatt, amíg a jelek úton vannak, a Föld a Nap átellenes pontjára kerül, 300 millió kilométerre attól a ponttól, ahol a jelek kibocsátásakor volt. A 300 millió kilométeres elmozdulás természetesen a Föld pályasebességének hatására jött létre. Mi más pozíciót jelezne ki a vevő mint azt, amit a vétel pillanatában rögzít és kiszámol? Értelmetlen (és mellesleg igen nehéz) lenne visszaszámolnia ebből az adatból, hogy éppen hol volt egy fél évvel ezelőtt. Ha pedig ez a vevő egy űrhajó fedélzetén utazva jut el az adott pontra, akkor az eredeti pozíció visszakeresése lehetetlen is.
1/2 fényév
A GPS rendszer működésének végeredménye egy térbeli koordináta, vagy konkrétabban fogalmazva a vevőkészülék helyzete. Jogosan vetődött fel bennünk a gyanú, hogy az alkotóelemek különféle mozgása – sebessége – befolyást gyakorolhat a kijelzett értékre, hisz a sebesség végső soron elmozdulást okoz. A két megvizsgált mozgásféleség a maga teljességében megjelent a kijelzett koordináta–értékekben. Ugyanakkor a Naprendszer sebessége, valamint a Föld pályasebessége nem jelent meg. Ezt a furcsaságot – mondhatjuk anomáliát – kellene a tárgyalt hét elméletnek ellentmondás mentesen rendbe rakva értelmeznie.
Tt
Ez egy részlet az Einstein fellegvára c. könyvemből. DEMO ITT
|
AJÁNLOM AZ OLDALT
