முகப்பு அறிவியல் GPS – ஏன், எதற்கு, எப்படி!

GPS – ஏன், எதற்கு, எப்படி!

137
0

எழுதியது: சிறி சரவணா

ஆதிகாலத்தில் இருந்தே மனிதன் ஆபிரிக்க வெளிகளிலும், ஐரோப்பிய மலை மேடுகளிலும், ஆசியக்காடுகளிலும் அலைந்து திரிந்திருக்கிறான். காலம், காலமாகவே அவனுக்கு தேடல் இருந்திருக்கிறது. ஆனால் புதிய இடங்களைச் சேரும் போதும், அங்கே தனது தேடல்களை மேற்கொள்ளும் போதும், மிகப்பெரிய பிரச்சினை – எங்கே இருக்கிறோம் என்பதும், தொலைந்துவிடாமல் மீண்டும் அவனது குழுவிடம் மீண்டும் வரவேண்டுமே என்பதும் ஆகும்.

பழக்கப்பட்ட இடங்களில் இந்த பிரச்சினை இல்லை, ஆனால் புது இடங்களில்? ஏன் நானே இதுவரை சிறுவயதில் மூன்று முறை தொலைந்திருக்கிறேன்! இன்றும் புதிய இடங்களுக்கு போகும் போது, செல்லும் பாதையை ஒரே தடவையில் ஞாபகம் வைத்துக் கொள்வதென்பது  முடியாத காரியமாக தான் இருக்கிறது, என்ன செய்ய ??!!

ஆதிகாலத்தில் பல்வேறு இயற்க்கை அமைப்புக்களை வைத்து அவன் இருக்கும் இடங்களை அடையாளப் படுத்திய மனிதன், பிற்காலத்தில் திசைகாட்டியை கண்டறிந்து பயன்படுத்தினான். தொடர்ந்து வந்த தொழில்நுட்ப வளர்ச்சியால், இன்று செயற்கைக் கோள்களின் உதவியுடன் GPS என்ற ஒன்றை உருவாக்கிவிட்டான். வானத்தில் இருந்து பார்க்கும் ஆபத்பண்டவர் போல 24 செய்மதிகள் (satellites) பூமியை சுற்றி வந்துகொண்டே இருக்கிறது, அது எந்த நேரமும் நாம் இருக்கும் இடத்தை எமக்கு மிகத் துல்லியமாக தெரிவித்துவிடும்.

இந்த GPS / புவியிடங்காட்டி பற்றிதான் நாம் இங்கு பார்க்கப்போகிறோம். அது எவ்வாறு செயல்படுகிறது என்பதைப் பற்றியும், அது வேலை செய்ய தேவையான கருவிகளைப் பற்றியும் பார்ப்போம். மேலதிகமாக அதைவிடவும் வேறு என்ன தொழில்நுட்பங்கள் இடத்தை அறிவதற்கு பயன்படுத்தப்படுகிறது என்றும் பார்ப்போம்.

இன்று நாம் வாழும் உலகம் தொழில்நுட்ப மயமாகிவிட்டது. அதிகளவான தொழில்நுட்ப வளர்ச்சி, நாம் என்னென்ன தொழில்நுட்பங்களை பயன்படுத்துகிறோம் என்பதை தெரியாமலே பயன்படுத்த வழிவகுத்துவிட்டது. இன்று சர்வசாதாரணமாக நம் எல்லோரது கையிலும் ஐபோன், ஆண்ட்ராய்டு போன்ற செல்பேசிகள் உண்டு. ஸ்மார்ட்போன் என அழைக்கப்படும் இவ்வகை செல்பேசிகள் தனக்குள்ளே தொலைபேசி அழைப்புக்களை மேற்கொள்வதற்கு தேவையான கருவிகளை விடவும், மேலும் சில பல கருவிகளை உள்ளடக்கியுள்ளது.

நீங்கள் உங்கள் ஸ்மார்ட்போனை பயன்படுத்தி முகப்புத்தகத்தில் சட் (chat) செய்யும் போது உங்களது தகவலுக்கு கீழே, நீங்கள் எங்கிருந்து இந்த சட் செய்துகொண்டிருக்கிறீர்கள் என்று உங்கள் ஊரின் பெயரும் தெரியும். எப்போதாவது இது எப்படி சாத்தியம் என்று சிந்தித்தது உண்டா? இது என்ன பெரிய விஷயம், நான் எங்கே இருக்கிறேன் என்பது இலகுவாக கண்டுபிடித்துவிடலாம் என்று நீங்கள் நினைத்தால், மேற்கொண்டு வாசியுங்கள். இந்த தொழில்நுட்பம் வேலை செய்யும் முறை உங்களை ஆச்சரியப் படவைக்கும் – அது மட்டுமல்ல, அது நீங்கள் இருக்கும் இடத்தை கண்டுபிடிப்பதும் அவ்வளவு இலகுவான காரியமில்லை! ஆனால் இந்த தொழில்நுட்ப வளர்ச்சி அதை சாத்தியப்படுத்தியுள்ளது. பார்ப்போம் எவ்வாறு என்று!

உங்கள் ஸ்மார்ட்போன்களில் உலக இடைநிலை உணர்வி / GPS – Global Positioning System

நாம் முதலில் GPS பற்றிப் பார்க்கலாம், மிகத்துல்லியமாக (3.5 மீட்டருக்குள்) நாம் இருக்கும் இடத்தை GPS ஐ வைத்து அறிந்துவிடலாம். உங்கள் ஸ்மார்ட்போன்கள் எல்லாவற்றிலும் பெரும்பாலும் GPS வாங்கி (GPS Receiver) இருக்கும். இதனால் தான் உங்கள் ஸ்மார்ட்போன்களை பயன்படுத்தி கூகிள் மாப்ஸ் மூலம் நீங்கள் எங்கே இருக்கிறீர்கள் என்று பார்பதற்கும், மற்றும் வீதி வழிச்செல்லுவதற்கான வழிகாட்டியாகவும் அது பயன்படுகிறது.

GPS ஐ நாம் எல்லோரும் எல்லா நாடுகளிலும் பயன்படுத்துவதால் அது உலகநாடுகளுக்கு சொந்தமான ஒன்று இல்லை. GPS அமெரிக்க வான்படைக்கு சொந்தமான ஒரு தொழில்நுட்பம். அதை உருவாக்கி, பராமரிப்பது அமெரிக்க இராணுவமே. ஆனால், GPS வாங்கி வைத்திருக்கும் யார் வேண்டும் என்றாலும் அதை இலவசமாக பயன்படுத்திக்கொள்ளலாம்.

மத்திம புவிச் சுற்றுப் பாதையில் (medium earth orbit), அதாவது பூமியில் இருந்து கிட்டத்தட்ட 20,200 கிலோமீட்டர்கள் உயரத்தில் 24 செய்மதிகள் பூமியை தினமும் இரண்டு முறை சுற்றி வருகின்றன. இந்த செய்மதிகளே GPS இன் அடிப்படைக் கட்டமைப்பாகும்.

GPS செய்மதிகள்
GPS செய்மதிகள்

இந்த 24 செய்மதிகளும், சம இடைவெளி கொண்ட ஆறு அச்சுக்களில், ஒவ்வொன்றிலும் 4 செய்மதிகள் வீதம் பூமியை சுற்றுகின்றன. இந்த 24 செய்மதிகள் சுற்றும் இடங்கள்/ அச்சுக்கள், அடிப்படை அச்சுக்கள் (baseline slots) என்று அழைக்கப்படும். இந்த செய்மதிகளின் சுற்றுப் பாதை எவ்வாறு அமைக்கப்பட்டுள்ளது என்றால், பூமியில் எந்தவொரு இடத்தில் இருந்து அவதானித்தாலும், குறைந்தது 4 GPS செய்மதிகள் தெரியும்.

ஆனாலும் அமெரிக்க வான்படை 24 இக்கும் அதிகமான செய்மதிகளை GPS தொழில்நுட்பத்துக்கு பயன்படுத்துகிறது. இந்த மேலதிக செய்மதிகள், 24 செய்மதிகளில் எதாவது பிழை ஏற்பட்டால் அல்லது அவற்றின் வாழ்வுக்காலம் முடிந்தால் அவற்றுக்கு பதிலாக பயன்ப்படும்விதமாக பாவிக்கப்பட்டது. ஆனால் 2011 ம் ஆண்டில் இருந்து 24 செய்மதிகள் கொண்ட அமைப்பாக இருந்த GPS ஐ 27 செய்மதிகள் கொண்ட அமைப்பாக அமெரிக்க வான்படை மேம்படுத்தியது. இதன் மூலம் GPS இன் துல்லியத்தன்மை மற்றும் பூமியில் GPS ஐ பயன்படுத்தக்கூடிய எல்லைகளை விரிவாக்கியது. ஆக இன்று இந்த 27 செய்மதிகளோடு மேலதிக 4 செய்மதிக்களுமாக (backup) மொத்தமாக 31 செய்மதிகளை இந்த GPS கொண்டுள்ளது.

எப்படி GPS வேலை செய்கிறது?

  1. இந்த GPS செய்மதிகள் தொடர்ந்து ரேடியோ சமிக்ஞைகளை பூமியைநோக்கி பரப்பிக்கொண்டே இருக்கிறது. இந்த சமிக்ஞைகளில் அந்த குறிப்பிட்ட செய்மதியின் தற்போதைய இடம், அதன் நிலை மற்றும் துல்லியமான நேரம் என்பன அடங்கும்.

ஒவ்வொரு GPS செய்மதியும் அணுககடிகாரங்களை தன்னுள்ளே கொண்டுள்ளது.

  1. இந்த ரேடியோ சமிக்ஞைகள் ஒளியின் வேகத்தில் பயணிக்கும்.
  2. நம்மிடம் இருக்கும் GPS வாங்கி (GPS receiver) இந்த சமிக்ஞைகளை பெற்றுக்கொள்ளும். இப்படி பெற்றுக்கொள்ளும்போது அந்த சமிக்ஞைகள் வந்தடைந்த மிகத்துல்லியமான நேரத்தையும் குறித்துக்கொள்ளும்.
  3. இப்படி குறைந்தது 4 செய்மதிகளில் இருந்து சமிக்ஞைகளை பெற்றுக்கொண்டால் டிரைலேடரஷன் என்னும் கணிதவியல் முறையைப் பயன்படுத்தி அந்த GPS வாங்கி இருக்கும் இடத்தை அதனால் கணிக்கமுடியும்.

இந்த டிரைலேடரஷன் மூலம் எப்படி இடத்தை கண்டு பிடிக்கலாம் என்று சுருக்கமாக பார்ப்போம். நீங்கள் ஒரு இடத்தில் இருக்கிறீர்கள் என்று வைத்துக்கொள்வோம். இப்போது நீங்கள் இருக்கும் இடம் என்ன என்று உங்களுக்கு தெரியாது, ஆனால் உங்கள் நண்பர்கள் சிலரிடம் சில தகவல்கள் உண்டு அதுமட்டுமலாது உங்கள் நண்பர்கள் இருக்கும் இடமும் உங்களுக்கு தெரியும். நண்பர் A இற்கு அவரிடம் இருந்து நீங்கள் 10km தூரத்தில் இருக்கிறீர்கள் என்று சொல்கிறார். அதே போல நண்பர் B, நீங்கள் அவரிடம் இருந்து 15km தூரத்தில் இருக்கிறீர்கள் என்று சொல்கிறார். நண்பர் C யும் நீங்கள் அவரிடம் இருந்து 12km தூரத்தில் இருப்பதாக கூறினால், இப்போது இந்த டிரைலேடரஷன் முறையைப் பயன்படுத்தி மிகத்துல்லியமாக உங்களால் நீங்கள் எங்கு இருக்கிறீர்கள் என்று கண்டுபிடித்துவிடலாம்.

இந்த நண்பர்கள் போலதான் GPS செய்மதிகளும் செயல்படுகின்றன. உங்கள் GPS வாங்கி இந்த செய்மதிகளிடம் இருந்து வரும் சமிக்ஞைகள் மூலம் ஒவ்வொரு செய்மதியும் எவ்வளவு தூரத்தில் இருக்கின்றன என்று கணக்கிடுகிறது. இதேபோல மூன்று செய்மதிகளின் தகவல் கிடைத்தவுடன் அது நீங்கள் இருக்கும் இடத்தை கணித்துவிடும். நான்காவது செய்மதி இந்த இடம் சார்ந்த தகவலின் துல்லியத்தன்மையை அதிகரிக்க உதவுகிறது.

இந்த செய்மதிகள் எவ்வாறு எவ்வளவு தூரத்தில் இருக்கிறது என்று அறிவது? நமது உதாரணத்தின் படி, நண்பர்கள் எவ்வளவு தூரத்தில் இருக்கிறார்கள் என்று நமக்கு சொன்னார்கள் ஆனால் இந்த செய்மதிகள்? எப்படி அது சாத்தியம்?

தூரம் = வேகம் x நேரம்

இந்த எளிய சமன்பாடுதான் இங்கு பயன்படுகிறது. இங்கு GPS இன் சமிக்ஞைகள் ரேடியோ அலைகள் என்பதனால் அதன் வேகம் செக்கனுக்கு 299,792,458 மீற்றர்கள். நேரம் – இங்கு இந்த நேரக்கணிப்பு தான் மிக முக்கியமானது. இதற்குதான் இந்த GPS செய்மதிகள் மிகத்துல்லியமாக ஒருங்கிணைக்கப்பட்ட அணுக்கடிகாரங்களை பயன்படுத்துகின்றன. செய்மதிகளில் இருந்து சமிக்ஞைகள் எவ்வளவு நேரத்தில் வந்தடைகின்றன என்பதை இந்த கடிகார நேரத்தை வைத்துக் கணக்கிடமுடியும், அதன் பின் தெரிந்த வேகம், நேரத்தை வைத்து ஒவ்வொரு செய்மதியும் இருக்கும் தூரம் கணக்கிடப்படும். இவ்வாறு மூன்று செய்மதிகளின் தூரம் கணக்கிடப்பட்டால், GPS வாங்கியின் இருப்பிடம் துல்லியமாக அறியப்பட்டுவிடும்.

GPS இலும் ஐன்ஸ்டீன்

ஐன்ஸ்டீன் இங்கு எப்படிவந்தார் என்று சிந்திக்கிறீர்களா? சொல்கிறேன். நீங்கள் ஐன்ஸ்டீனின் சிறப்புச் சார்புக் கோட்பாடுகள், பொதுச் சார்புக் கோட்பாட்டை பற்றி தெரிந்திருந்தால், பூமியின் ஈர்ப்புவிசை எவ்வாறு நேரத்தில் செல்வாக்கு செலுத்தும் என்று அறிந்திருப்பீர்கள். தெரிய வேண்டும் என்றால், கீழே குறிப்பில் உள்ள லிங்குகளை கிளிக் செய்து, அந்தப் பதிவுகளை வாசித்துப் பாருங்கள் புரியும்.

ஐன்ஸ்டீன்
ஐன்ஸ்டீன்

பூமியில் இருந்து கிட்டத்தட்ட 20000 கிலோமேடர்கள் உயரத்தில் இந்த GPS செய்மதிகள் சுற்றுவதாலும், மணிக்கு 14000 கிலோமீட்டர்கள் வேகத்தில் அவை பூமியை சுற்றி வருவதாலும், பூமியில் இருந்து நோக்கும் போது இந்தசெய்மதிகளில் நேரம் சிறிது வேகம் குறைவாகவே துடிக்கிறது. GPS மிகத்துல்லியமாக் வேலை செய்ய நேரமானது 20 இல் இருந்து 30 நானோசெக்கனுக்குள் துல்லியமாக அளக்கப்படவேண்டும்.

ஐன்ஸ்டினின் சிறப்புச் சார்புக் கோட்பாட்டின் படி, இந்த GPS செய்மதிகளின் நேரம் ஒரு நாளுக்கு 7 மைக்ரோசெக்கன்கள் வீதம் பூமியை விட குறைவாகவே இருக்கும் (அவை பூமியில் இருப்பவரோடு ஒப்பிடும் போது மிகவேகமாக பயணிப்பதால்). அப்படி என்றால் இந்த செய்மதிகளில் ஒரு நாள் என்பது பூமியில் ஒரு நாளைவிட 7 மைக்ரோசெக்கன்கள் குறைவு. நிற்க இன்னும் இருக்கிறது.

அனால் ஐன்ஸ்டினின் பொதுச் சார்புக் கோட்பாடு இன்னுமொரு குண்டைத் தூக்கிப் போடுகிறது. அதாவது ஈர்ப்புவிசையால் நேரத்தின் வேகத்தை மாற்றமுடியும். திணிவு அதிகமாக இருக்கும் பொருளுக்கு அருகில் நேரம் துடிப்பதை விட தூரத்தில் நேரம் வேகமாக துடிக்கும், ஆக பூமியில் உள்ள கடிகாரத்தைவிட இந்த செய்மதிகளில் கடிகாரம் சற்று வேகமாக துடிக்கும். பொ.சா.கோ இந்த செய்மதிகளில் உள்ள கடிகாரம் பூமியில் உள்ளதை விட 45 மைக்ரோசெக்கன்கள் வேகமாக துடிக்கும்! அப்படியென்றால் இந்த செய்மதிகளில் ஒரு நாள் என்பது பூமியில் ஒரு நாள் என்பதைவிட 45 மைக்ரோசெக்கன்கள் அதிகம்.

ஆக சி.சா.கோ மற்றும் போ.சா.கோ ஆகியவற்றை சேர்த்துக் கருதினால் பூமியில் இருந்து பார்க்கும் போது இந்த செய்மதிகளில் நேரமானது 38 மைக்ரோசெக்கன்கள் (38000 நானோசெக்கன்கள்) வேகமாக துடிக்கிறது (45-7=38). இந்த நேர வித்தியாசத்தை கணக்கில் எடுக்காவிடில் வெறும் இரண்டு நிமிடங்களிலேயே GPS மூலம் பெறப்படும் இருப்பிடம் பிழையாகிவிடும். ஒரே நாளில் GPS மூலம் பெறப்படும் இருப்பிடத்தின் தகவலும் உண்மையான இருப்பிடத்தின் தகவலுக்கும் இடையில் 10km இடைவெளி வந்துவிடும். ஆக நாட்கள் செல்லச் செல்ல இந்த பிழையின் அளவு அதிகரித்துக்கொண்டே செல்லும் அதோடு இந்த GPS பயனற்ற ஒரு விடயமாகிவிடும்.

இதற்காக இந்த GPS செய்மதிகளை உருவாக்கிய அறிவியலாளர்கள், இதில் உள்ள அணுக்கடிகாரம் வேகம் குறைவாக துடிப்பதற்கு ஏற்பாடு செய்துள்ளனர். இதனால், பூமியைச் சுற்றும் இந்த GPS செய்மதிகளில் உள்ள கடிகாரங்கள் பூமியில் உள்ள கடிகாரங்களைப் போலவே இயங்கும் இதனால் இந்த சார்புக் கோட்பாடுகளால் உருவான நேர வேகமாற்றம் சம்பந்தமான பிரச்சினைகள் தீர்ந்தது!  – மாபெரும் இயற்பியலாளர் ஐன்ஸ்டீன் என்பதில் யாருக்கும் மாற்றுக் கருத்து இருக்கமுடியாது!

சரி பிறகு?!

இப்படித்தான் GPS வேலைசெய்கிறது என்று இப்போது உங்களுக்கும் தெரிந்திருக்கும், புரிந்திருக்கும். இன்று இந்த GPS தொழில்நுட்பம் பல்வேறு பட்ட துறைகளில் பயன்படுகிறது. மற்றும் நம் வாழ்விலும் ஒரு முக்கிய அம்சமாக திகழ்கிறது – உங்களுக்கு தெரிந்தோ தெரியாமலோ அது வேறு விடயம்!

GPS அமெரிக்க தொழில்நுட்பம் என்று முன்னரே கூறினேன். இது இலவசமாக பயன்படுத்தக்கூடியதாக இருந்தாலும் முழு கட்டுப்பாடும் அமெரிக்க இராணுவத்திடமே இருக்கிறது. இதனால் வேறு சில நாடுகளும் தங்களுக்கென்றே தனித் தனியான அமைப்புக்களை உருவாகியுள்ளன.

GLONASS – ரஸ்சியாவின் முழு உலகிற்குமான புவியிடங்காட்டி

Galileo – ஐரோப்பிய ஒன்றியத்தின் புவியிடங்காட்டி – 2014 இல் தொழில்பட தொடங்கியது, 2019 இல் பூரணப்படுத்தப்படும்.

Beidou – சீனாவின் புவியிடங்காட்டி – ஆசியாவுக்கும் மேற்கு பசுபிக் நாடுகளுக்கும் மட்டும்.

IRNSS – இந்தியாவின் புவியிடங்காட்டி – இந்தியா மற்றும் வடக்கு இந்து சமுத்திரப் பரப்புக்கு மட்டும்.

இப்போது GPS அல்லது இந்த புவியிடங்காட்டி என்பது பற்றி சற்று விளங்கி இருப்பீர்கள் என்று நினைகிறேன். GPS மற்றுமின்றி உங்கள் செல்பேசியின் சமிக்ஞை கோபுரம் மற்றும் WIFI போன்ற வேறுபட்ட தொழில்நுட்பங்களை வைத்தும் நீங்கள் இருக்கும் இடத்தை கண்டறியமுடியும். அவற்றைப் பற்றியும் பிறகு பார்க்கலாம்.

பின்குறிப்பு:

பொ.சா.கோ எவ்வாறு நேரத்தை பாதிக்கும் என்பது பற்றிய கட்டுரைகள் –