Helymeghatározás II.

Tájékozódás nem elektronikai eszközökkel
 A globális – vagyis a Föld bármely pontjára kiterjedõ- helymeghatározás igénye a nagy felfedezõ hajózások idején jelent meg. A hajósok addig csak kisebb-nagyobb utakra távolodtak el a parttól, amíg a világítótornyot látták. Majd az iránytû segítségével egyre távolabb merészkedtek. A hetekig, hónapokig tartó utak megtételéhez szükséges navigációt bonyolult számítási módszerekkel, csillagászati mûszerekkel, órákkal és térképek segítségével valósították meg. A mérés hibája olyan 100 kilométer közelében mozgott.

Mind a mai napig viták övezik, hogy Kolumbusz leírásai alapján melyik szigeten kötött ki az Új Világban. Pedig ezek a feltételezett helyek egymástól 100 kilométeres távolságban vannak. De ez a bizonytalanság érthetõvé válik, ha tudjuk, hogy a szélességi koordináták meghatározásához szextánst (4. kép) használtak, amelynél már egyetlen fok mérési hiba 120 kilométer tévedést okoz. A hosszúság méréséhez idõmérés szükséges, melyhez kezdetben a Jupiter holdjait, késõbb ingaórákat használtak. Csak a XVII. század közepétõl készültek másodperc pontosságú órák, elõtte a napi egy perc hibájú órák is jónak számítottak.

Helymeghatározás rádiójelekkel
A rádióadók megjelenése forradalmasította a navigációt. Ismert helyen elhelyezett adók jeleit fogva meg lehetett mérni az adótól mért távolságot. Ezen távolságok ismeretében a mozgó objektum (hajó, repülõ) helyét ki lehetett számolni (metszéssel). Az ilyen rendszerek manapság a reneszánszukat élik. pl. LORAN (Long-range Radio Aid to Navigation, errõl bõvebben).
 A rendszer pontosságát az határozza meg, hogy milyen hullámhosszal dolgozik. A néhány méteres pontossághoz magas frekvenciát (400 MHz, 0,75 m hullámhossz) kell használni, de ez a Föld görbülete miatt csak korlátozott távolságra lehetséges (~100 km). Ugyanakkor alacsony frekvencia (10 kHz, 30 km hullámhossz) használata során nagy lesz a pontatlanság (földi telepítésû rendszereknél több kilométer), de alkalmas a hosszú távú sugárzásra (1000 kilométeres hatótávolság).

A mûholdak igénye
A modern harcászat számára nem volt elegendõ a kilométeres pontosság, ráadásul a rádió rendszerek nagyon sebezhetõek, könnyen bemérhetõek, megsemmisíthetõek, zavarni lehet a jelüket.
A világméretû egységes geodéziai hálózat kialakítására a hagyományos földfelszíni módszerek a Föld görbülete miatt nem alkalmasak, ezért nem maradt más, mint olyan mesterséges viszonyítási pontokat hozzanak létre, amelyek a földfelszínen kívül vannak.
Voltak próbálkozások ún. stelláris háromszögeléssel, de ez költséges volt, másrészt a rakétákra, ballonokra szerelt villanófényforrások – amiket a Föld több pontjáról fényképeztek egyszerre -nem lehetett megfelelõ magasságba juttatni. A megoldást a mûholdak jelentették.

Mûholdak megjelenése a helymeghatározásban
Azzal, hogy mûholdat sikerült pályára állítani (5. kép Vanguard-1 egyike az elsõ mûholdaknak) létrejöttek új viszonyítási pontok, viszont ez rengeteg mérési problémát vet fel, mert meg kell határozni a mûhold saját pályáját, valamint a Földrõl meg kell határozni az adott mûhold helyzetét. A mérésre optikai és rádióhullámot használó módszereket fejlesztettek ki. A számítástechnika hiányossága miatt kezdetben az optikai rendszerek terjedtek el.

Vizuális megfigyelések
 A mûholdak elsõ megfigyelési technikája vizuálisan történt, ez abból állt, hogy erre a célra átalakított távcsõvel a vizsgáló személy követte a mûholdat, és megfelelõ idõközönként feljegyezte az idõpontot és a mûhold szögkoordinátáit. A távcsövek kis szögnagyítása csak a nagy felületû, fényesebbnek látszó mûholdak megfigyelését tette lehetõvé. A vizuális megfigyelési rendszer pontossága a teotid (távcsõ) pontosságától függõen néhány kilométer volt. Helymeghatározásra kevésbé, inkább a mûholdpályák finomítására, felsõ légköri kutatásokban használták. Hazánkban a 60-as, 70-es években nemzetközi együttmûködés keretében végeztek vizuális megfigyeléseket.

Fotografikus módszerek
A vizuális követéshez hasonlóan ezzel a módszerrel is csak látható mûholdak megfigyelése volt lehetséges. A csillagos ég, mint háttér elõtt látható mûhold képét emulzióval bevont filmre vagy üveglapra fényképezték. A megfelelõ fényerejû tükrös vagy lencsés távcsövek lehetõvé tették halványabban látható mûholdak lefényképezését is. Az elkészült fénykép segítségével interpolálni lehetett a mûhold adott helyrõl látszódó koordinátáit. Az idõméréshez kvarcórát használtak, melynek mérési pontossága 1 ms. A mûhold helyzetébõl a vizsgálóhely koordinátáit geometriai módszerekkel lehet megkapni. Ezzel a módszerrel 5-10 méter pontossággal határozható meg a mérõállomás helye.
A rendszer hátránya a körülményes fotózás, ráadásul csak felhõmentes idõben használható.
Hazánkban a 70-es, majd a 80-as évek közepéig végeztek fotografikus méréseket a Bajai Obszervatóriumban, illetve FÖMI Kozmikus Geodéziai Obszervatóriumában (KGO).

Lézertechnika
A mûhold távolságmérése lézerrel (SLR, Satelite Laser Ranging) egyszerû elven alapul. A lézer megvilágítja a céltárgyat, a tárgyon elhelyezett fényvisszaverõ berendezésrõl (vagy magáról a tárgyról) visszaverõdõ impulzus kibocsátása és detektálása között eltelt idõbõl számolható a távolság.
A harmadik generációs neodymium- YAG lézerekkel elõállított fény impulzusok hossza 100-200 ps, centiméter pontossággal lehet távolságot mérni segítségükkel. Ezen típusoknál sikerült elérni, hogy nem csak az éjjel látható mûholdaknál, hanem nappal is használható.
Hazánkban 1978-88 között végeztek lézeres távmérést mûholdakra a KGO-ban (Zeiss SBG fotókamra, rubin lézerrel).
Az optikai módszereken alapuló globális helymeghatározó rendszert nem lehet létrehozni, mert egyszerre csak egy mûholdat tud vizsgálni, és a megfigyelés függ az idõjárástól. A lézer alapú berendezések mára viszonylag kis tömegûek, mobilak, de a hozzájuk tartozó fényforrás tömeggyártása szóba se jöhetett, mert a terepmûszerekben alkalmazott nagy teljesítményû lézerek a légi közlekedést veszélyeztetnék.

Globális helymeghatározó mûholdrendszerek
1960-as évek második felében az Amerikai Egyesült Államok haditengerészete épített ki Doppler-hatás (lásd 3. Melléklet) elvén mûködõ globális helymeghatározó rendszert NNSS (Navy Navigation Satellite System), vagy TRANSIT. A rendszer eredeti célja a katonai atommeghajtású tengeralattjárók navigálása volt. Ezt a rendszert váltotta fel 1994-ben a GPS. Az NNSS (6. kép, az NNSS sematikus felépítése) rendszerben egyszerre 5-7 mûhold keringett poláris, 1100 km magas pályán.

1. ábra, NNSS felépítése

A mûholdak 150 MHz-en és 400 MHz-en sugározták a mérõjeleket és páros percenként egy-egy idõjelet a vevõ szinkronizálásához. Az ugyancsak továbbított fedélzeti pályaadatok alapján néhány méter pontos mûhold pályát lehetett számítani. Egyszerre csak egy mûholdat lehetett megfigyelni. A vevõ órája rákapcsolódott a mûholdra (szinkronizált) a vevõ elkezdte számolni a Doppler-ciklusokat, amely alapján követhetõ volt a mûhold és a vevõ távolság változása. Ha a vevõ helyzete nem esett a mûhold pályasíkjába, akkor a mûhold helyzetének ismeretében egyetlen átvonulásból (15-20 perc) 5 méter pontosan lehetett meghatározni a koordinátákat. A mérés maximális pontossága 3 méter, de ehhez hosszú idejû mérési sorozatra volt szükség.
Az NNSS mellett fontos megemlíteni, hogy megjelent annak szovjet változata a Cikada, amely hasonló elven mûködött és azonos feladatokat látott el.
Az NNSS rendszer hibái:
– helyzet meghatározására óránként lehetséges
– helyzet meghatározásának idõtartama 15-20 perc
– átlagos pontosság ~50 m
– gyorsan mozgó objektumok (repülõgép, rakéta) irányításra alkalmatlan
– helymeghatározás nagy idõszükséglete miatt lassan mozgó jármûvek navigációjára is csak nehezen használható
– mûholdrendszer instabilitása, vevõk gyakori meghibásodása
Az NNSS hibáinak kiküszöbölésére az Egyesült Államok védelmi minisztériuma (Department of Defense, DoD) megbízásából 1973-ban kezdték el fejleszteni a GPS, teljes nevén NAVSTAR GPS globális helymeghatározó rendszert.