Привет Пикабу! 1492 год. Колумб, ориентируясь по звездам и решив скосить путь до Индии, случайно очередной раз открывает Америку. 2021 год. Курьер, следуя по маршруту в старом китайском смартфоне, промахивается домом. Казалось бы, между этими ситуациями большая пропасть, однако на деле это не так. Что же общего между простым пользователем спутниковой навигации и великим первооткрывателем? Расскажем дальше.
Современная спутниковая геолокация невозможна без звезд
Я думаю вы знаете, что раньше моряки определяли свое местоположение при помощи звезд. Ведь когда вокруг тебя водная гладь без единого ориентира, только космос поможет проложить верный маршрут. И, казалось бы, с началом эпохи GPS и ГЛОНАСС звездная навигация должна была кануть в лету, но нет. Ваш смартфон показывает точное положение в том числе благодаря глубокому космосу. Да-да, открывая Навигатор, мы недалеко уходим от средневекового капитана, настраивающего на мостике секстант.
Все дело в том, что Земля нестабильна из-за постоянного движения материков, которые вызывают землетрясения и извержения вулканов. Значит, для сверхточной спутниковой навигации нужно искать привязку за пределами нашей планеты. Луна? Она зависит от нашей планеты — не подходит. Солнце? Уже лучше, но все равно оно не стабильно из-за гравитационной связи с планетами нашей системы.
На помощь приходят квазары — одни из самых ярких объектов в видимой Вселенной. Настолько ярких, что их свет в десятки, а то и сотни раз мощнее всех звезд нашей галактики вместе взятых.
Считается что Квазары это ядра галактик на начальном этапе развития, в которых сверхмассивная черная дыра поглощает окружающее вещество. Они извергают столб света как своеобразные прожекторы и при этом, будучи удаленными от нас на многие миллионы и даже миллиарды световых лет, они максимально стабильны в своем положении на небе — собственно, что и нужно для базиса, или начала отсчета координат.
Для определения местоположения по ним была изобретена целая технология, радио интерферометрия со сверхдлинной базой, или РСДБ — информация собирается с нескольких разнесённых по земле радиотелескопов и объединяется имитируя телескоп, размеры которого равны максимальному расстоянию между исходными телескопами.
Привязавшись к нескольким квазарам, можно создать очень точную систему координат, работающую не только на Земле, но и за ее пределами.
Например, при помощи РСДБ еще в 1971 год, за годы до GPS, НАСА точно отслеживала перемещение астронавтов по поверхности Луны. Десятилетием позже, уже в начале 80-ых, аналогичным методом следили за перемещением советских аэростатов «Вега» в атмосфере Венеры.
Так что не удивительно, что с развитием спутниковой навигации эти самые спутники и базовые станции на Земле также «вписали» в «квазарную систему координат», что позволило абстрагироваться от изменчивой земной коры. Поэтому, держа в руке смартфон с GPS, знайте — от средневекового секстанта он отличается не так уж и сильно.
Тележка со смартфонами может сломать Google
А вы задумывались над тем, как карты Google или Яндекс показывают пробки? Да, здесь тоже замешаны спутники: смартфоны передают компаниям свое местоположение, по изменению которого легко рассчитать скорость его передвижения. И если в одном месте на дороге сотня смартфонов движутся со скоростью в несколько километров в час — значит, тут пробка, что и отрисовывается на карте.
К слову, это может приводить к забавным багам. Так, немецкий художник (нет, не тот) Саймон Векерт сломал алгоритмы Google, возя за собой по Берлину тележку со смартфонами. 99 гаджетов с открытыми картами, медленно перемещающимися вдоль дороги, хватило, чтобы Google отметил путь художника красным — вот такие уязвимые современные технологии.
GPS не работал бы без Эйнштейна
Многие считают теорию относительности чем-то очень далеким от нас и применимым лишь к глубокому космосу. И на первый взгляд это кажется логичным: очень многое из того, что происходит на Земле, отлично описывается законами дедушки Ньютона. Многое, но не все, и без Эйнштейна не было бы, например, спутниковой навигации.
Все дело в том, что каждый спутник GPS или ГЛОНАСС летает на высоте около 20 000 километров, а его орбитальная скорость превышает 14 000 километров час. И этого хватает, чтобы из-за релятивистских эффектов очень точные атомные часы на спутнике каждый день начинали отставать относительно аналогичных часов на Земле на 38 микросекунд.
Казалось бы, это ничтожная величина, но только не на таких скоростях: для того, чтобы обеспечить метровую погрешность в определении местоположения пользователя на Земле, погрешность на спутниковых часах должна быть не больше пары десятков наносекунд.
Говоря простым языком, если всего на один день забыть о существовании теории относительности, точность определения местоположения возрастет до сотни метров, а за неделю спутники станут бесполезны в навигации. Так что в следующий раз, пользуясь навигатором на своем смартфоне, поблагодарите за это Эйнштейна и очередное подтверждение его теории.
Земная кора против точной геолокации
И хотя нашему голубому шарику уже больше 4 млрд лет, он все еще геологически активен. С одной стороны, это плюс — у Земли есть магнитное поле, которое защищает нас от высокоэнергетических космических лучей. С другой стороны, это большой минус, ведь именно из-за активности земной коры происходят разрушительные землетрясения и извержения вулканов.
Кроме того, имеет место быть дрейф литосферных плит с материками на них. Конечно, человеку это абсолютно не заметно, ведь за целый год Евразия убегает от Северной Америки всего лишь на 5 сантиметров, так что даже за всю нашу жизнь изменения будут незаметны.
Но только не для GPS и ГЛОНАСС. Все дело в том, что для их работы нужны базовые наземные станции, расстояние от которых до спутников должно быть максимально точно измеряно и не меняться. И, как вы уже догадались, движения некоторых литосферных плит оказалось вполне достаточно, чтобы внести в это расстояние значимую погрешность.
Например, Австралия упорно движется на северо-восток со скоростью в 7 сантиметров в год, из-за чего за 5 лет образовалась погрешность в измерении местоположения больше метра! Как итог, правительство этой страны дало госпредприятию Geoscience Australia указание внести необходимые поправки и делать это в будущем.
Но, разумеется, есть и обратная сторона медали: именно таким образом географы и геологи узнают о точном дрейфе материков, что позволяет предсказывать, например, будущие землетрясения и извержения вулканов, выстраивая четкие временные модели Земли.
С GPS акулы не страшны
Думаю, фильм «Челюсти» Стивена Спилберга видели многие и никто бы не хотел попасть в похожую ситуацию. И хотя количество нападений акул на человека в год исчисляется всего лишь несколькими десятками, далеко не каждый купальщик на океанском побережье уверен, что не будет съеден зубастым монстром.
И именно поэтому организация OCEARCH уже несколько лет помечает крупных акул датчиками GPS, что позволяет их отслеживать в режиме реального времени на карте, которая открыто
доступна в интернете. Всего таким образом промаркировано более сотни акул, преимущественно самых крупных, белых. Так что теперь, выходя купаться на Майами-Бич, можно прямо с телефона удостовериться, что вами никто не собирается полакомиться.
Рисунки на полях
Большинство применений спутниковой геолокации достаточно серьезны, и это не удивительно — в начале своего существования GPS и ГЛОНАСС с максимальной точностью были доступны только военным и ученым, да и сейчас мы пользуемся ими в основном для дела. Однако возможность отслеживать местоположение отдельно взятого прибора породило сразу несколько развлечений.
Во-первых, это рисование различных фигур или надписей на картах. Тут все вполне очевидно — есть множество программ, которые позволяют отрисовывать трек ваших перемещений. Так что если вы будете ходить кругами или в виде значка доллара — что ж, трекер это вам и нарисует. Есть даже целый сайт, который собирает такие рисунки, среди которых есть и достаточно сложные:
Во-вторых, это конечно же охота за сокровищами. Что может быть лучше рисунка ключа? Правильно, синяя точка на Google Картах. С учетом того, что сейчас GPS-трекеры стоят дешево, нередко дешевле тысячи рублей, это позволяет устраивать игры в стиле «найди клад», когда на большой площади расположены сразу несколько трекеров, но сундучок с сокровищами есть только рядом с одним из них.
И это — далеко не полный список того, для чего можно использовать геолокацию. По разному прохождению волн от спутника до GPS-трекера можно узнать про изменения атмосферы, по их отражению от земли — о высоте снежного покрова. Разумеется, у GPS и ГЛОНАСС есть множество военных применений, ровно как и гражданских, таких как отслеживание фур или автобусов на карте. Вообще говоря, без спутниковой навигации сложно представить наш мир таким, каким он есть.
И все благодаря доктору Ричарду Кершнеру. Едва ли вы слышали это имя до сегодняшнего дня, но именно он в 1958 году убедил американское агентство DARPA в том, что за спутниковой навигацией будущее, и именно благодаря ему начиная с 1964 года работала и продолжает работать система Transit, хотя сейчас ее используют только для изучения верхних слоев атмосферы.
Подписывайся если такое интересно.
Мой Компьютер - специально для Пикабу
