Ընդամենը մի քանի տասնամյակ առաջ անծանոթ վայրում հայտնված մարդը կարող էր հույսը դնել միայն քարտեզի, կողմնացույցի կամ աստղերի վրա: Այսօր բավական է հանել սմարթֆոնը, և մի քանի վայրկյանում սարքը ցույց կտա ճշգրիտ կոորդինատները, կկազմի երթուղին և կզգուշացնի խցանումների մասին:

Այս սովորական ֆունկցիայի հետևում կանգնած է ժամանակակից ամենաբարդ տեխնոլոգիական համակարգերից մեկը՝ GPS-ը (Global Positioning System)՝ արբանյակների ցանցը, որը Երկրի ուղեծիրը վերածել է գլոբալ նավիգացիոն համակարգի: Բայց GPS-ը պարզապես քարտեզով հավելված չէ: Սա ճշգրիտ մեխանիզմ է, որին մասնակցում են տասնյակ արբանյակներ, վերգետնյա կայաններ և նույնիսկ Էյնշտեյնի հարաբերականության տեսությամբ նկարագրված էֆեկտներ:

Ռազմական տեխնոլոգիայից մինչև առօրյա կյանք

Սկզբնապես GPS-ը ստեղծվել է ոչ թե վարորդների և զբոսաշրջիկների, այլ ԱՄՆ բանակի համար: Navstar համակարգի առաջին արբանյակն արձակվել է 1978 թվականին: Ամբողջ խմբավորման տեղակայումը տարիներ տևեց. պահանջվում էր ուղեծիր դուրս բերել բազմաթիվ ապարատներ, ապահովել դրանց կապը Երկրի հետ և ստեղծել կառավարման ենթակառուցվածք:

Լիարժեք աշխատանքը համակարգը սկսել է 1995 թվականին: Առաջին տարիների ընթացքում նրա առավել ճշգրիտ հնարավորությունները մնում էին ռազմական առավելություն: Սակայն 2000 թվականին ԱՄՆ-ն անջատեց ազդանշանի ճշգրտության արհեստական վատթարացման ռեժիմը, և GPS-ը հասանելի դարձավ քաղաքացիական օգտատերերին ամբողջ աշխարհում:

Այսօր GPS-ը մնում է ԱՄՆ ռազմաօդային ուժերի վերահսկողության տակ, բայց սա այլևս միակ արբանյակային նավիգացիոն համակարգը չէ: Ժամանակակից սարքերը հաճախ միաժամանակ օգտագործում են մի քանի ցանցերի ազդանշաններ, օրինակ՝ ամերիկյան GPS-ի, ռուսական ԳԼՈՆԱՍՍ-ի և եվրոպական Galileo-ի: Սա թույլ է տալիս ավելի արագ գտնել կոորդինատները և բարձրացնում է ճշգրտությունը:

Արբանյակներ՝ աստղերի փոխարեն

GPS-ի աշխատանքի սկզբունքը շատ բանով հիշեցնում է աստղերով հնագույն նավարկությունը: Միայն թե բնական լուսատուների փոխարեն այսօր օգտագործվում են արհեստական արբանյակներ:

Երկրի ուղեծրում մշտապես աշխատում են տասնյակ GPS արբանյակներ: Հիմնական խմբավորումը բաղկացած է 24 ապարատից, որոնք ապահովում են գլոբալ ծածկույթ, իսկ լրացուցիչներն օգտագործվում են որպես պահուստային:

Յուրաքանչյուր արբանյակ մշտապես փոխանցում է երկու հիմնական պարամետր. որտեղ է գտնվում տվյալ պահին և ինչ ժամ է հիմա: Այս տվյալները Երկիր են ուղարկվում ռադիոազդանշանի տեսքով: Հեռախոսը կամ նավարկիչն ընդունում է ազդանշանը միանգամից մի քանի արբանյակից և հաշվարկում իր դիրքը:

Ինչպե՞ս են մի քանի արբանյակները գտնում մարդուն

GPS-ի հիմնական մաթեմատիկական սկզբունքը կոչվում է տրիլատերացիա: Համակարգը հեռավորությունն ուղղակիորեն չի չափում: Այն հաշվարկում է, թե որքան ժամանակ է պահանջվել ռադիոազդանշանից՝ արբանյակից մինչև ընդունիչ ճանապարհն անցնելու համար:

Ռադիոալիքները տարածվում են լույսի արագությամբ: Իմանալով ազդանշանի արագությունը և նրա շարժման ժամանակը՝ սարքը կարող է որոշել հեռավորությունը մինչև արբանյակը: Օրինակ, եթե սմարթֆոնն ստացել է ազդանշանը և հաշվարկել, որ գտնվում է մեկ արբանյակից 20 հազար կիլոմետր հեռավորության վրա, նշանակում է՝ այն տեղակայված է այդ ապարատի շուրջ գտնվող հսկայական երևակայական ոլորտի ինչ-որ կետում:

Մեկ արբանյակը տալիս է չափազանց շատ տարբերակներ: Երկրորդը կրճատում է հնարավոր կետերի քանակը: Երրորդը թույլ է տալիս դիրքը որոշել արդեն բավականին ճշգրիտ: Բայց լիարժեք հաշվարկի համար անհրաժեշտ է չորրորդ արբանյակը: Հենց դա է օգնում վերացնել ժամանակի սխալները և որոշել ոչ միայն կոորդինատները Երկրի մակերևույթին, այլև բարձրությունը:

Որքան շատ արբանյակ է տեսնում սարքը, այնքան ճշգրիտ է արդյունքը: Սովորական սմարթֆոնն ընդունակ է որոշել գտնվելու վայրը մինչև մի քանի մետրի ճշգրտությամբ, իսկ մասնագիտացված սարքավորումները կարող են աշխատել մինչև սանտիմետրերի ճշգրտությամբ:

Ինչու է GPS-ը կախված ժամանակից

GPS-ի ամենազարմանալի առանձնահատկություններից մեկն այն է, որ համակարգն անհնար է առանց ժամանակի գերճշգրիտ չափման: Յուրաքանչյուր արբանյակի վրա տեղադրված են ատոմային ժամացույցներ՝ ժամանակի հաշվարկման ամենաճշգրիտ սարքերը: Բայց նման ժամացույցներ սմարթֆոններում տեղադրելն անհնար է. դրանք արժեն տասնյակ հազարավոր դոլարներ:

Ուստի հեռախոսներն օգտագործում են սովորական քվարցային ժամացույցներ և մշտապես ուղղում են դրանք արբանյակների ազդանշաններով: Կա ևս մեկ խնդիր, որը գիտնականները պետք է հաշվի առնեին համակարգը ստեղծելիս: Էյնշտեյնի հարաբերականության ընդհանուր տեսության համաձայն՝ ժամանակը տիեզերքում և Երկրի վրա ընթանում է փոքր-ինչ տարբեր կերպ՝ ձգողականության տարբերությունների պատճառով:

Արբանյակային ժամացույցներն առաջ են ընկնում երկրայինից օրական մոտ 38 միկրովայրկյանով: Մարդու համար դա նկատելի չէ, բայց GPS-ի համար նման սխալը կատաստրոֆիկ կլիներ. կոորդինատները տեղաշարժվելու էին օրական մոտ 10 կիլոմետրով: Ահա թե ինչու համակարգը մշտապես հաշվի է առնում այս ուղղումները:

GPS-ն աշխատում է նույնիսկ առանց ինտերնետի

Տարածված կարծիք կա, որ սմարթֆոնում նավիգացիան անհնար է առանց բջջային կապի: Իրականում բուն GPS ազդանշանը չի պահանջում ոչ ինտերնետ, ոչ Wi-Fi:

Հեռախոսն ուղղակիորեն տեղեկատվություն է ստանում արբանյակներից: Ինտերնետն անհրաժեշտ է միայն լրացուցիչ ֆունկցիաների համար, օրինակ՝ քարտեզներն ավելի արագ բեռնելու, խցանումների մասին տեղեկություն ստանալու կամ մոտակա օբյեկտները գտնելու համար: Ուստի GPS-ը կարող է աշխատել նույնիսկ հեռավոր շրջաններում, որտեղ չկա բջջային կապ:

Այսօր GPS-ն օգտագործվում է ավտոմոբիլային երթուղիներից շատ ավելի հեռու: Այս տեխնոլոգիան անհրաժեշտ է բանկային համակարգերի, բջջային ցանցերի, էներգետիկ ընկերությունների, ավիացիայի  աշխատանքի համար, ինշպես նաև գիտական հետազոտությունների համար:

Հատկապես կարևոր է ժամանակի ճշգրիտ սինխրոնացման ֆունկցիան: GPS-ը թույլ է տալիս տարբեր համակարգերի աշխատել միևնույն ժամանակային ռեժիմում՝ մինչև վայրկյանի միլիարդերորդական մասերի ճշգրտությամբ: Օրինակ, բջջային օպերատորներն օգտագործում են արբանյակային ժամանակը բազային կայանների աշխատանքը համաձայնեցնելու համար, իսկ էներգետիկ ընկերությունները՝ բարդ ցանցերը կառավարելու համար: