Papp Gábor, 2008. február 28.

Műholdas helymeghatározó rendszer, azaz GPS. Ezt a jól ismert betűszót gyakran használjuk a hétköznapokban, és egyre többen élvezzük a rendszer áldásos szolgáltatásait. De vajon azt is tudjuk, hogy milyen infrastruktúra áll a háttérben?

Ha egészen pontosak akarunk lenni, a műholdas helymeghatározó rendszer rövidítése valójában nem a gyakran használt GPS, hanem a GNSS (Global Navigation Satellite System) lenne, ugyanis a GPS (vagyis a Global Positioning System) az amerikai NAVSTAR rendszerű helymeghatározó rendszer leegyszerűsített beceneve. Az elnevezés ráadásul abból a szempontból is megtévesztő, hogy nem a GPS volt az első e célra használt szatellitrendszer, hanem a szintén amerikai Tranzit, még a 60-as években.

Mint megannyi fantasztikus technológiai fejlesztést, a GPS-t is javarészt a hidegháborúnak köszönhetjük, ugyanis a képzeletben egymásnak feszülő nagyhatalmak (az Amerikai Egyesült Államok és Szovjetunió) technológiai fejlődése ebben az időszakban csúcsosodott ki leginkább – habár az előzmények már a második világháborús rádiós rendszerekig is visszavezethetők. Ha azonban a közvetlen előzményeket vizsgáljuk, nem kell sokáig keresgélnünk a történelemben. Az időpont 1957. október 4-e, a helyszín pedig Oroszország, pontosabban maga a világűr. Ekkor állították ugyanis pályára az orosz Szputnyik–I műholdat, mely megihlette az említett Tranzit műholdas rendszert kiépítő mérnököket, amit a Christian Johann Doppler felfedezésén alapuló elvnek köszönhettek. A Doppler működési elve rendkívül egyszerű: nem más, mint egy sebességtől függő frekvenciaeltolódás.

Az eltolódás annak következtében jön létre, hogy a sugárzást kibocsátó forrás éppen távolodik, vagy közeledik-e a megfigyelőhöz képest. Távolodó forrásnál a kibocsátottnál alacsonyabb, közeledőnél pedig magasabb frekvencia észlelhető. Pontosan ezt az elvet használta már a Tranzit is, mivel a Föld és egy pályára állított műhold is folyamatos, egyenletes mozgásban van, tehát a frekvenciaváltozás megfigyelése remekül használható ebben az esetben is. A dolog mégsem ilyen egyszerű.

A rendszer hátránya volt, hogy a műhold nem ismerte saját helyzetét (márpedig a helymeghatározás egyik alapfeltétele éppen az, hogy tudjuk a szerkezet pontos pozícióját), tehát földi segítség nélkül hasznavehetetlen lett volna. Éppen ezért a földi irányító központból folyamatosan figyelni kellett a műhold orbitális helyzetét és frissíteni annak memóriájában az aktuális pozíciót, hogy az ezzel kapcsolatos információ is eljuthasson a felhasználóhoz.

Az újabb rendszereknél a szatellit pontos helyzete mellett a küldés pontos ideje is szerepel a jelben, és a vevő a küldés és fogadás közt eltelt idő alapján dolgozik, ehhez azonban ismerni kell a jel sebességét. Utóbbival nem lenne probléma, ha fix jelterjedéssel tudnánk számolni, de a légköri jelenségek és egyéb zavaró tényezők ezt nem teszik lehetővé. Azáltal, hogy a helymeghatározáshoz több (3+1) műholdra van szükség, ezek a hátrányok különböző technikák használatával kiküszöbölhetők.

Lévén, hogy időmérésen alapuló távolságmérésről van szó, a műholdaknak atomóra pontosságú adatokkal kell operálniuk, ezért az újabb rendszerek ezen a téren roppant fejlettek. Mielőtt alaposabban is megismerkednénk velük lássuk, hogy kik uralják műholdjaikkal a világűrt.

NAVSTAR- GPS

Egyelőre az Egyesült Államok által 1978-ban beüzemelt NAVSTAR az egyetlen olyan rendszer, amely teljesen mértékben funkcionál napjainkban, ám ennek használatára is 16 évet kellett várni, mivel ekkorra készült el a 24 holdból álló teljes értékű rendszer. A GPS szolgáltatásai 1994 óta a civilszféra számára is elérhetők, korlátozott pontossággal, aminek feloldására további négy évet kellett várni, azaz 20 évvel az első műhold fellövését követően valósult meg az, hogy bárki korlátozás nélkül foghatja a helymeghatározáshoz szükséges jeleket. A Galileo kapcsán azonban majd kiderül, hogy a látszat ellenére mégsem ilyen rózsás a helyzet.

A GPS rendszerben összesen 24 műhold kering 20 180 kilométeres magasságban, hat különböző keringési pályán, vagyis egy pályára négy műhold jut (eredetileg a 3×8-as felosztást használták). A GPS esetében a pályák relatív dőlésszöge (inklinációja) az egyenlítőhöz képest 55 fok, amely elfogadható, de létezik ennél jobb. Ugyanakkor a GPS rendszer úgy van megtervezve, hogy – amennyiben nincs akadály – a Föld bármely pontján egyszerre legalább hat műhold legyen látható.

GLONASS

Az orosz GLONASS (a Globális Navigációs Műholdrendszer, azaz a GNSS orosz megfelelője) a 60-as években indult, és a 70-es években is használt szovjet műholdas rádiónavigációs rendszert váltotta le, melyet lassúsága miatt katonai célokra nem, vagy csak nehezen lehetett igénybe venni. Ezért született meg a döntés egy jóval gyorsabb és pontosabb rendszer megépítéséről, amelynek a tervezése a 70-es évek második felében kezdődött el. Az első műholdakat 1982-ben bocsátották fel, a használatbavételhez szükséges 12 darabot 1991-ben sikerült elérni – ezek két pályán keringtek 19 130 kilométeres magasságban. A rendszer 1995-ben érte el teljes funkcionalitását három pályán, összesen 24 darab műholddal.

Sajnos ezt követően – az orosz gazdasági hanyatlás következtében – a műholdak karbantartása elmaradt, és a rendszer állapota jelentősen romlott. 2001-ben Putyin elnöknek köszönhetően a programot újból elővették, és az indiai kormány partnersége mellett újraindították a projektet. A maximális lefedettséghez összesen 24 műhold szükséges, de újbóli rendszerbe állításáról ellentmondásos híreket hallani. Egyes források 2009-et, mások 2011-et említenek a GLONASS indulásával kapcsolatosan, de a legfrisssebb információk szerint a GLONASS szinte elkészült. A GLONASS esetében a három pálya inklinációja 64,8 fok, amely felülmúlja az amerikai GPS rendszer 55 fokos értékét, tehát elvben jobb lefedettséget biztosít a sarkkörökön. A műholdak elrendezése következtében egy időben a Föld bármely pontján legalább öt GLONASS műhold látható, tehát eggyel kevesebb, mint a GPS esetében.

Az olasz csillagászról, Galileo Galileiről elnevezett, az Európai Unió és az Európai Űrügynökség irányítása alatt készülő rendszerben hatalmas lehetőségek vannak. A több milliárd eurós költségvetéssel bíró helymeghatározó műholdrendszert hivatalosan 2003-ban jelentették be, természetesen többéves előkészületeket követően. A rendszer kiépítésével kapcsolatban ezt megelőzően voltak aggodalmak, amikor a 2001. szeptember 11-i események után az Egyesült Államok kormánya bejelentette, hogy hajlandó lenne folyamatos rendelkezésre állást nyújtani a civil felhasználók számára is.

Ennek ellenére a fejlesztések folytatódtak, és a költségek is emelkedtek (azaz megháromszorozódtak), igaz, időközben a privát befektetők is érdekeltté váltak a témában. Ugyanakkor az amerikai kormány aggályoskodásának következtében született egy extra biztonsági megállapodás, mely kimondja, hogy a GPS és a Galileo jelei blokkolhatók a háborús övezetekben – anélkül, hogy a teljes rendszer megbénulna. Sajnos 2007-ben pénzhiányban majdnem kipukkant a Galileo-lufi, és a program csak újabb uniós források bekapcsolásával folytatódhatott.

Történt mindez annak ellenére, hogy az EU több tagállama mellett olyan országok is támogatják a Galileót, mint Kína, Észak-Korea, Izrael, Szaúd-Arábia vagy Marokkó. A tender jelenlegi állása szerint egyetlen műhold állt pályára, egy pedig már készen várja a kilövést (a rendszer kipróbálására legalább négy műholdra lesz szükség).