Mis on GPS?
Kui relativistlikke efekte ei arvestataks, kaotaksid GPS-iga määratud koordinaadid täpsust ligikaudu 10 km ööpäevas.Nutitelefonides on GPS ehk ülemaailmse asukoha määramise süsteemi vastuvõtja tavaline asi, väiksem kui sõrmeküüs. Vaid viisteist aastat tagasi kaalus kogu vastuvõtja aga üle kahekümne kilo ja oli kodukasutajale sisuliselt kättesaamatu tehnoloogia - avatud leviga, aga üüratult kallis. Ajastute kiuste on GPS teinud tõelise tehnoloogilise võidukäigu, odavnenud ning jõudnud väga erinevatesse elualadesse.
GPS süsteemi üdiks on 24 satelliiti, mis jaotuvad võrdselt kuue ringorbiidi vahel. Orbiitide vaheline nurk on selline, et igas Maa punktis on mistahes ajal "näha" kuut satelliiti, kusjuures ruumilise asukoha määramiseks on neist vaja nelja!
Iga GPS satelliit vilgutab alaliselt vähemalt kaht sõnumit:
- Sõnumi saatmise aeg
- Samal ajal määratud satelliidi asukoht orbiidil
Ühe satelliidi signaali põhjal saab seega vastuvõtja arvutada, et asub sfääri pinnal, mille raadiuse (kauguse vastuvõtjast satelliidini) määrab sõnumi levimise aeg korda valguse kiirus. Teise satelliidi signaali mõõtmine annab teise sfääri raadiuse, kolmas kolmanda jne. Tõsi, asukoha määramiseks merepinnal (tuntud kõrgusel, e. tasandil) piisab ka kolmest sellisest sfäärist, ent neljas sfäär annab andmetele vajaliku täpsuse (kõrguse).
Valguse kiirusega leviv signaal läbib ühe mikrosekundiga (10^-6 s) ligikaudu 300 m! Seega peab vastuvõtja sõnumi levimise aja määrama väga-väga täpselt, igatahes täpsemini kui mikrosekund.
Oleks vastuvõtja küljes aatomkell, nagu igal GPS satelliidil (need kellad eksivad ühe sekundi 30 miljoni aasta jooksul), poleks piisava täpsuse tagamine probleem. Aatomkellad polegi enam väga suured, ent see-eest kallid küll. Sestap kasutab GPS vastuvõtja kavalat nõksu - ta sünkroniseerib oma protsessorit pidevalt satelliidi kellaga.
Lisaks peab vastuvõtja arvestama mitmete relativistlike ning klassikaliste efektidega, mis aja määramise täpsust mõjutavad. Näiteks ütleb üldrelatiivsusteooria, et massiivse kehaga taustsüsteemis kulgeb aeg kehast kaugemal aeglasemini kui keha lähedal. Tõepoolest, katsed on näidanud, et satelliidi taustsüsteemis käib kell aeglasemini kui maapealse vaatleja taustsüsteemis. Õnneks piisab nende efektide arvestamiseks arvutuslikest meetoditest ning täiendavaid mõõtmisi pole vaja teha.
GPS (Global Positioning System) on Ameerika valitsusele kuuluv tehnoloogia, mille maksab kinni Ameerika maksumaksja - nende kingitus kogu maailmale. Ent ülemaailmse asukoha määramise süsteemi kasulikkusest on nakatunud mitmed teisedki maailma suurriigid. Positsioneerimissatelliitide arv taevas kasvab seetõttu pidevalt:
- GLONASS - Venemaa, 2011. aastast globaalse katvusega (vähemalt 24 satelliiti).
- Galileo - Euroopa Liit, täismahus globaalne katvus loodetakse saavutada aastaks 2019.
- Beidou - Hiina Rahvavabariik, katvus piiratud Aasia ja Vaikse ookeani lääneosaga.
- COMPASS - Hiina Rahvavabariik, plaanitud saavutada globaalne katvus aastaks 2020.
- IRNSS - India, plaanitud globaalne katvus aastaks 2015-2016.
- QZSS - Jaapan, katab Aasia ja Okeaania.