Jednou zo základných potrieb GPS určovania polohy je takmer dokonalé meranie času na satelitoch, na čo sa používajú bezpochyby najpresnejšie hodiny na svete, atómové hodiny. Ale ako vlastne fungujú atómové hodiny a ako sa z nich dozvieš svoju polohu?
Aby bolo zrozumiteľné, prečo je presný čas pre GPS určovanie polohy taký dôležitý, najprv sa musíme trochu ponoriť do fungovania samotného GPS. Každý GPS satelit nepretržite vysiela rádiový signál. V tomto signáli sú dve veci: presný čas satelitu a jeho okamžité orbitálne údaje. Keď sa signál vydá zo satelitu, dostane časovú značku: „teraz je takýto čas“.
Prijímač (telefón, GPS sledovač, traktor, dron alebo čokoľvek iné) zmeria, o koľko času sa tento signál k nemu dostane. Keďže rádiová vlna sa šíri rýchlosťou svetla, vzorec je jednoduchý: prekonaná vzdialenosť = čas × rýchlosť svetla. Ak vieme, ako dlho signál cestoval, vieme, ako ďaleko je satelit. Na to však, samozrejme, nie je na škodu vedieť aj to, aký je presný čas, keď k nám signál dorazí.
A tu prichádza na rad najväčší trik: hoci na výpočet našej priestorovej polohy by stačilo poznať presnú polohu 3 satelitov a našu vzdialenosť od nich, vreckové atómové hodiny zvyčajne nemáme, takže čas nevieme tak presne, ako by bolo treba. V zariadeniach obyčajných smrteľníkov sa zvyčajne nachádzajú kremenné hodiny, no je ľahké pochopiť, že tie nie sú dostatočne presné.
Ak totiž sa pomýlime o jednu nanosekundu, pomýlime sa už o 30 centimetrov (pretože za ten čas sa rádiový signál posunie presne o toľko). Našťastie vynaliezaví inžinieri prišli na to, ako pomocou štvrtého satelitu dostať z celého systému aj presný čas. Takže zatiaľ čo 3 satelity používame na určenie polohy, štvrtý slúži na časový údaj. Preto GPS funguje až vtedy, keď zachytí signál aspoň zo 4 satelitov.
Teraz, keď už vieš, prečo sú na satelitoch potrebné mimoriadne presné hodiny, pozrime sa, aké hodiny to vlastne sú. Áno, čítaš správne: na GPS satelite je zvyčajne pre istotu viac hodín. Väčšinou ide o céziové alebo rubídiové atómové hodiny. Zatiaľ čo kremenné hodiny na tvojej ruke sa môžu pomýliť o 15 – 20 sekúnd za mesiac, týmto mimoriadne presným hodinám môže trvať 100-tisíc alebo dokonca 1 milión rokov, kým sa pomýlia len o 1 sekundu. To už je niečo, však? Ako je vôbec možné, že sú také presné?
Atómové hodiny nemerajú čas ozubenými kolieskami, ale frekvenciou atómových prechodov. Vezmime si napríklad atómové hodiny s céziom-133, už len preto, že na tejto hodnote je založená dnešná definícia sekundy. Atóm cézia má dve energetické hladiny, medzi ktorými zodpovedá prechodu frekvencia 9 192 631 770 Hz. Teda presne mikrovlnou s takouto frekvenciou možno dosiahnuť, aby cézium preskočilo z jedného stavu do druhého.
Predstav si to ako vo filmoch, keď operný spevák zaspieva tak vysoko, že rozvibruje sklenené okno presne tak, až praskne. Zhruba to isté sa deje aj tu, len s tým rozdielom, že cézium sa nerozbije, iba preskočí z jedného kvantového stavu do druhého.
Keď sa to stane, vieme, že sme dosiahli frekvenciu 9 192 631 770 Hz. Táto mikrovlnná vlna sa za jednu sekundu rozkmitá 9 192 631 770-krát. A už máme presné zariadenie na meranie sekundy viazané na fyzikálnu konštantu, ktorá funguje úplne rovnako na ktoromkoľvek mieste vo vesmíre!
Od čias Einsteina však vieme, že atómové hodiny na satelitoch tikajú inak ako na Zemi. Určite si už počul aj príklad s dvojčatami, ktorý ilustruje časový paradox: z dvojice sa jeden stane astronautom a keď sa zo svojej vzdialenej cesty vráti, s prekvapením zistí, že jeho súrodenec prežil viac času, a teda zostarol viac. Bez podrobného vysvetľovania si teraz len predstav, aký vplyv to môže mať na atómové hodiny.
V dôsledku špeciálnej teórie relativity, teda vplyvom vysokej rýchlosti, sa hodiny spomaľujú, zatiaľ čo v dôsledku všeobecnej teórie relativity, teda vplyvom slabšieho gravitačného poľa, sa hodiny zrýchľujú. Čistý výsledok je kladný a spôsobuje odchýlku približne +38 mikrosekúnd denne. Ak by sme to nekorigovali, spôsobovalo by to v systéme GPS meraciu chybu 10 – 11 km denne, a ten by sa tak v priebehu chvíle stal nepoužiteľným. Preto je relativistická korekcia zabudovaná priamo do GPS siete.
Ak si doposiaľ dokázal sledovať túto myšlienkovú líniu, tak sa ti už určite vyjasnilo najdôležitejšie posolstvo článku, a to, že GPS je v skutočnosti globálna časová služba založená na atómových hodinách, z ktorej mimochodom vieme vypočítať aj veľmi presné údaje o polohe. Preto sa tento satelitný systém nepoužíva len na navigáciu, ale aj na mnohé ďalšie veci:
GPS meria čas pomocou mimoriadne presných atómových hodín na satelitoch a z toho následne vypočítava polohu. Ak je čas nepresný, nepresná bude aj poloha. Atómové hodiny sú založené na konštantách atómovej fyziky, takže „tikajú“ všade rovnako. A samozrejme celé to nesie Einsteinov odkaz, pretože bez teórií relativity by celý systém nefungoval. Takže ver alebo nie, za každodennou navigáciou stojí kvantová fyzika a teória relativity.
Ak však pri atómových hodinách hľadáš o čosi jednoduchšie zariadenie, tak klikni sem a pozri si GPS sledovače Vadalarm Tracker!
Vadalarm Tracker je inteligentný GPS sledovač, ktorý dokáže vysielať svoju polohu až 15 dní na jedno nabitie. Vďaka vodotesnému krytu ho možno umiestniť prakticky kamkoľvek. Sledujte s ním svoje cennosti, pracovné stroje alebo vozidlá.
Válaszolj 8 kérdésre és máris összeállítjuk személyreszabott villanypásztor rendszeredet!
Pozri sa na mapu, kto používa produkty Vadalarm. Naše produkty sú populárne po celej Európe. Naša komunita je postavená na kvalite! Pridaj sa aj ty k používateľom, ktorí uprednostňujú kvalitu, a vyber si značku Vadalarm!
