Орчин үеийн технологийн хөгжил нь мэдээллийн шуурхай дамжуулалт, байршлын нарийн тодорхойлолт, хөдөлгөөнт төхөөрөмжүүдийн уялдаа холбоонд тулгуурлан шинэ эрин үеийг нээж байна. Энэхүү хөгжлийн үндэс суурийн нэг чухал бүрэлдэхүүн нь GPS буюу (Global Positioning System) юм. GPS нх цэргийн зориулалтаар бүтээгдсэн боловч өдгөө дэлхийн хүн амын өдөр тутмын амьдралд гүн гүнзгий нэвтэрч, авто навигаци, тээвэр логистик, ухаалаг төхөөрөмжүүд, газар зүйн мэдээллийн систем (GIS), шинжлэх ухааны судалгаанд өргөн хэрэглэгдэх болжээ.
1. GPS системийн үүсэл ба хөгжлийн товч түүх
GPS технологийн үндэс суурь нь 20-р зууны дунд үеийн хиймэл дагуулын технологийн хөгжилтэй салшгүй холбоотой. 1957 онд Зөвлөлт Холбоот Улс анхны хиймэл дагуул болох Спутник-1-ийг хөөргөснөөр дэлхий орчмын хиймэл дагуулын дохиог ашиглан байршил тодорхойлох санаа гарсан. АНУ энэ үзэгдлийг судалсны үр дүнд хиймэл дагуулын радио дохионд суурилсан байршлын систем боловсруулж эхэлсэн бөгөөд 1973 онд “NAVSTAR GPS” хэмээх төслийг албан ёсоор эхлүүлжээ.
1980-аад онд GPS систем цэргийн хэрэглээнд нэвтэрч, 1990-ээд оноос иргэний зориулалтаар ашиглах боломжтой болсон. 2000 онд АНУ-ын засгийн газар “Selective Availability” буюу иргэдийн GPS-ийн нарийвчлалыг зориудаар бууруулдаг хязгаарлалтыг цуцалснаар GPS дэлхий даяар өндөр нарийвчлалтай үйлчилж эхэлсэн юм. Өдгөө GPS нь дэлхийн 31 орчим идэвхтэй хиймэл дагуул бүхий систем болон өргөжиж, Оросын GLONASS, Европын Galileo, БНХАУ-ын BeiDou зэрэг системүүдтэй хамт дэлхийн GNSS (Global Navigation Satellite System) бүрэлдэхүүнд ордог.
2. GPS системийн бүтэц
GPS систем нь гурван үндсэн хэсгээс бүрддэг: сансрын хэсэг, газрын хяналтын хэсэг, хэрэглэгчийн хэсэг.
2.1 Сансрын хэсэг
Энэхүү хэсэг нь дэлхий орчмын тойрог замд байрлах 24–31 GPS хиймэл дагуулыг агуулдаг. Эдгээр хиймэл дагуулууд 6 тойрог замд, тус бүрт нь 4–5 хиймэл дагуул байрладаг ба дэлхийн аль ч цэгээс дор хаяж дөрвөн дагуулын дохио хүлээн авах боломжийг хангадаг. Хиймэл дагуул бүр L1 (1575.42 MHz) болон L2 (1227.60 MHz) давтамжтай радио дохио илгээдэг бөгөөд эдгээр дохионд цагийн тэмдэг (timestamp), хиймэл дагуулын координат, замналын мэдээлэл (ephemeris data) зэрэг өгөгдөл агуулагдана.
2.2 Газрын хяналтын хэсэг
Газрын хяналтын систем нь GPS хиймэл дагуулуудын хөдөлгөөн, цагийн нарийвчлал, замналын мэдээллийг тасралтгүй хянаж засварладаг. Үүнд үндсэн хяналтын төв (Colorado Springs, USA), хяналтын станцууд болон хяналтын антенн багтана. Эдгээр станцууд нь хиймэл дагуулуудын байршлыг хэмжиж, орбитын мэдээлэлд тохируулга хийснээр системийн найдвартай ажиллагааг хангадаг.
2.3 Хэрэглэгчийн хэсэг
Хэрэглэгчийн хэсэгт GPS хүлээн авагч төхөөрөмжүүд буюу гар утас, автомашины навигацийн систем, дрон, судалгааны тоног төхөөрөмжүүд орно. Эдгээр төхөөрөмжүүд нь олон дагуулын дохионд үндэслэн хэрэглэгчийн газарзүйн координатыг (өргөрөг, уртраг, өндөр) тодорхойлдог.
3. Байрлал тодорхойлох физик ба математик зарчим
GPS-ийн үндсэн ажиллах зарчим нь триангуляци (trilateration) буюу геометрийн үндэстэй зай тодорхойлох арга юм.
3.1 Цагийн дохио ба зай тодорхойлох
Хүлээн авагч тухайн дохио ирэх хугацааг хэмжин, дохионы тархалтын хурд болох гэрлийн хурд (c = 3×10⁸ м/с)-аар үржүүлснээр хиймэл дагуул хүртэлх зайг тодорхойлно: d=c×Δtd = c \times \Delta td=c×Δt
Энд ddd нь дагуул хүртэлх зай, ΔtΔtΔt нь дохио илгээгдсэн ба хүлээн авсан хоорондох хугацаа юм.
3.2 Байршлын тооцоолол
Хүлээн авагч нь дор хаяж дөрвөн хиймэл дагуул-аас дохио хүлээн авснаар гурван хэмжээст координатыг тодорхойлно.
- Эхний гурван дагуулын өгөгдөл нь газрын гадаргуу дээрх өргөрөг (latitude), уртраг (longitude), далайн түвшнээс дээш өндөр (altitude)-ийг тогтооно.
- Дөрөв дэх хиймэл дагуул нь цагийн алдааг засахад ашиглагддаг.
Үүний үр дүнд хэрэглэгчийн нарийн координат болон дэлхийн төвтэй харьцах байрлалыг секундийн зөрүүгүйгээр тооцоолох боломжтой болдог.
3.3 Координат тооцооллын алгоритм
4. Алдаа, нарийвчлал ба сайжруулалтын арга
GPS-ийн нарийвчлал нь хэд хэдэн хүчин зүйлээс хамаардаг бөгөөд эдгээр нь дохио дамжих орчин, төхөөрөмжийн чанар, хиймэл дагуулын байрлалын геометр зэрэгтэй холбоотой.
4.1 Ионосферийн ба тропосферийн гажуудал
Дэлхийн агаар мандлын дээд ба доод давхаргад орших ион болон усны уур нь радио дохио дамжих хурданд нөлөөлдөг. Энэ нь тухайн дохио хүлээн авагчид хүрэх хугацааг уртасгаж, хэмжилтийн алдаа үүсгэнэ.
4.2 Олон замт тархалт (Multipath effect)
Дохио барилга, уул зэрэг гадаргуугаас ойж, хүлээн авагчид хоцорч ирэх үед байршлын зөрүү үүсдэг. Энэ үзэгдэл нь хотын орчинд түгээмэл тохиолддог.
4.3 Хиймэл дагуулын геометр
Хиймэл дагуулууд нэг чиглэлд шахан байрлах үед нарийвчлал буурдаг. Энэ үзэгдлийг GDOP (Geometric Dilution of Precision) гэж нэрлэдэг.
4.4 Сайжруулалтын арга
- DGPS (Differential GPS): Газрын суурин станцын өгөгдөл ашиглан хэмжилтийн алдааг хэдэн метрийн нарийвчлалтай засварладаг.
- AGPS (Assisted GPS): Гар утасны сүлжээ ашиглан хиймэл дагуулын мэдээллийг урьдчилан татаж, байрлалыг хурдан тодорхойлдог.
- RTK (Real-Time Kinematic): Фазын ялгаанд тулгуурлан сантиметрийн нарийвчлалтай хэмжилт хийх дэвшилтэт арга юм.
5. GPS технологийн хэрэглээ
GPS нь зөвхөн навигацид бус, олон салбарт технологийн хувьсгал авчирсан.
- Тээвэр, логистик: Автомашины болон усан тээврийн чиглэл хянах, замын төлөвлөлт хийхэд ашиглагдана.
- Газар зүйн мэдээллийн систем (GIS): Газрын зураг боловсруулах, хот төлөвлөлт, байгаль орчны мониторингт чухал үүрэгтэй.
- Хөдөө аж ахуй: GPS-тэй трактор ашиглан нарийн газар тариалан, бордооны жигд хуваарилалт хийх боломжтой.
- Онцгой байдлын алба: Аврагчид болон нисдэг тэрэгний байршил хянах, гамшгийн бүсэд чиг баримжаа авахад хэрэглэгддэг.
- Шинжлэх ухаан: Газар хөдлөлтийн хөдөлгөөн, далайн усны түвшин, мөсөн бүрхүүл судлах зэрэг геофизикийн судалгаанд ашиглагддаг.
