பூகோள இடநிலை உணர்த்தும் அமைப்பு (GPS)

This entry is part of 34 in the series 20051209_Issue

முனைவர். கதிரவன் கிருஷ்ணமூர்த்தி


GPS, ‘Global Positioning System ‘ என்பதன் குறுக்கம். பூமியைச் சுற்றி வரும் 24 துணைக்கோள்கள் கொண்ட குழுமமும், தரையில் உள்ள கட்டுப்பாட்டு நிலையமும் கொண்ட GPS, ஒரு உலகளாவிய இடநிலையுணர்த்தும் அமைப்பு. துணைக்கோள்கள், தரையில் உள்ள ஏற்பிக்கு ரேடியோ சைகைகளை செலுத்துகின்றன. இச்சைகைகளை வைத்து மிகவும் துல்லியமாக முப்பரிமாண இடநிலையை அறிய (அட்சரேகை-latitude, தீர்க்கரேகை-longtitude மற்றும் குத்துயரம்-altitude) முடிகிறது.

GPS, செயற்கை நட்சத்திரங்களான துணைக்கோள்களைப் பொருந்து புள்ளிகளாகப் பயன்படுத்தி, இடநிலைகளை ஒரு மீட்டர் துல்லியத்துக்கு கணிக்கிறது. GPS ஏற்பிகள், ஒரு சில தொகுப்புச் சுற்றுகளில் அடங்கும் அளவுக்கு சிற்றளவாக்கப் பட்டுள்ளன. இதனால், இந்நுட்பம் சாதரணமாக பலரால் இன்று அணுகக் கிடைக்கிறது.

GPS ஏற்பிகள் இன்று கார்கள், படகுகள், வானூர்தி, உழவு இயந்திரங்கள் மற்றும் மடிக் கணினிகளில் இடம்பெறத் தொடங்கி உள்ளன.

GPS, அமெரிக்க பாதுகாப்பு திணைக்களத்துக்குச் (Department of Defense) சொந்தமானது. அவர்களால் இயக்கப்படும் GPS, உலகெங்கும் பயன்படுத்தக் கிடைகிறது. சுருக்கமாக, GPS வேலை செய்யும் விதத்தை பின்வருமாறு விளக்கலாம்:

1. 21 GPS துணைக்கோள்கள் மற்றும் மூன்று உதிரித் துணைக்கோள்கள் பூமிக்கு 10,600 மைலுக்கு மேலமைந்த கோளப்பாதையில் இருக்கின்றன. இந்தப் பாதை, பூமி சுழலும் அதே வேகத்தில் துணைக்கோள்கள் செல்லுமாறும், பூமி சுழலும் போதும் பூமிக்கு மேலுள்ள துணைக்கோள் அதே இடத்திலேயே எப்பொழுதும் இருக்கும் வண்ணம் அமைந்த பாதை (geosynchronous); பூமியில் எந்த ஒரு இடத்திலிருந்தும் 4 துணைக்கோள்களாவது ரேடியோ ஏற்பிக்கும் ‘தெரியும் ‘ வண்ணம் , துணைக்கோள் குழுமம் அமைக்கப்பட்டுள்ளது.

2. ஒவ்வொரு துணைக்கோளிலும் கணினி, அணுவியல் கடிகாரம் மற்றும் ரேடியோ பொருத்தப்பட்டுள்ளது. தன்னுடைய கோளப்பாதை பற்றிய நல்ல ‘புரிதல் ‘ கொண்டுள்ள துணைக்கோள், மாறிக்கொண்டே வரும் தன் இடநிலை மற்றும் நேரத்தை தொடர்ந்து ஒலிபரப்புகிறது. (நாளுக்கொருமுறை ஒவ்வொரு துணைக்கோளும் நேரம் மற்றும் இடநிலை பற்றிய தன்னறிவை தரை நிலையத்தோடு ஒப்பிட்டு சிறிய திருத்தங்களை செய்து கொள்கின்றது.

3. தரையில் உள்ள GPS ஏற்பியின் கணினி, ‘மூவச்சாக்க முறையில் ‘ , 4 துணைக்கோள்களில் மூன்றை அணுகி, தன் இடநிலையை கணிக்கிறது. கணிப்பின் முடிவுகள், புவியியல் இடநிலையை- தீர்க்கரேகை மற்றும் அச்சரேகையாக தரப்படுகிறது.

4. ஏற்பியில், விவரண படம் காட்டும் காட்சி திரை இருந்தால், இடநிலை படத்தில் காட்டப்படும்.

5. நான்காவது துணைக்கோளிலிருந்து சைகைகளை ஏற்க முடிந்தால், அச்சரேகை, தீர்க்கரேகையோடு, குத்துயரத்தையும் ஏற்பி காட்ட முடியும்.

6. ஏற்பி வைத்துள்ளவர் நகரும் போது, பயணம் செய்யும் திசை மற்றும் வேகத்தை ஏற்பியால் கணிக்க முடியும். செல்லிடம் சேரும் நேரத்தை கணிக்க இயலும்.

மூவச்சாக்கம் (Trilateration)

மூவச்சாக்க முறை: குறிப்பொருள்களின் சால்பு இடநிலைகளை முக்கோண வடிவகணிதத்தை பயன்படுத்தி அறியும் முறை. முக்கோணமாக்க முறையில் (Triangulation), குறிப்பொருளின் இடநிலையை அறிய தொலைவுகளும் கோணங்களும் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. மூவச்சாக்க முறையில் 1. இரண்டு அல்லது மேற்பட்ட பொருந்து புள்ளிகளுக்கிடையே உள்ள தொலைவு (தெரிந்த), மற்றும் 2. குறிப்பொருளுக்கும், பொருந்து புள்ளிகளுக்கும் இடையே உள்ள தொலைவும் (அளக்கப்பட்ட) பயன்படுத்தப் படுகின்றன. இரு பரிமாண சமதளத்தில் ஒரு புள்ளியின் இடநிலையை அறிய, குறைந்தது மூன்று பொருந்து புள்ளிகள் தேவைப்படுகின்றன.

இதன் சித்தாந்தம் வட்டங்களின் வடிவகணிதத்தில் அடங்கி உள்ளது. குறிப்பு புள்ளியின் தொலைவு ஒரு பொருந்து புள்ளியிலிருந்து அறியப்பட்டால், அந்த புள்ளி அத்தொலைவை ஆரமாகக் கொண்ட வட்டத்தில் எந்த இடத்திலும் இருக்கலாம். மேலும், இரண்டாவது பொருந்து புள்ளியிலிருந்து ஒரு தொலைவில் குறிப்பு புள்ளி இருக்கிறதென்றால், அப்புள்ளி மற்றொரு வட்டத்தில் இருக்கலாம் இவ்விரண்டு வட்டங்களும் இரு புள்ளிகளில் முட்டுவதால், குறிப்பு புள்ளி இரண்டு புள்ளிகளில் ஒன்றாக இருக்கலாம். மூன்றாவது பொருந்து புள்ளியிலிருந்து குறிப்பு புள்ளிக்கு உள்ள தொலைவு மூன்றாவது வட்டத்தை படத்தில் கொண்டுவருகிறது. மூன்று வட்டங்களும் முட்டுவது ஒரு புள்ளியில் தான்; அப்புள்ளியே மூன்று பொருந்து புள்ளிகளையும் சார்ந்த, குறிப்பு புள்ளியின் இடநிலை.

மேல்சொன்ன தெல்லாம் குறிப்புபொருள் ஒரு சமதளத்தில் இருக்கும் என்ற அனுமானத்தின் அடிப்படையில் தான்; அதாவது இருபரிமாண வெளியில் தான். முப்பரிமாண வெளியில் 4 பொருந்து புள்ளிகள் தேவைப்படுகின்றன. குறிப்புப்புள்ளி, வட்டத்துக்குப் பதிலாக உருளையின் தளப்பரப்பில் இருக்கிறது. இந்த வேறுபாடுகளைத் தவிர நுட்பம் அதுவே!

GPS பயன்பாடுகள்

இடநிலைகளை கண்டறிவது மட்டுமல்லாமல், கப்பல்களையும், விமானங்களையும் வழிநடத்திச் செல்ல (Navigate), பாதையைச் சரிபார்க்க (track) GPS உதவுகிறது.

சில நேரங்களில், மிகவும் சரியான பொருந்து இடமறியும் கருவி, மிகவும் துல்லியமான விஞ்ஞானப் பணி செய்யத் தேவைப்படுகிறது. எவர்ஸ்டு மலைச்சிகரத்தை எட்ட பெருமலைப்பாய் இருக்க, GPS வைத்து மலை வளர்த்து வருவதை எளிதில் கண்டறிந்துள்ளனர். GPS ஏற்பி சேகரித்த தரவு, முன்பு கண்டறிந்ததை வலுப்படுத்துவதோடல்லாமல், கும்பு பனிமலை எவரஸ்டு அடிவாரம் நோக்கி நகர, மலையே வளர்வதை உணரமுடிகிறது.

இனத் தொகை குறைந்து, முற்றிலும் அழிந்தொழிந்து போகும் அபாயத்தில் இருக்கும் விலங்கினங்களின் இடப்பெயர்வை கண்காணிக்கவும், இனத்தொகை பரப்புத் தோரணியை வைத்து நோய்மூலங்களை அடையாளம் காணவும், GPS பயன்படுகிறது. மோன்டானா மரைமான் (elk) மற்றும் மோகாவி பாலைவன ஆமைகள் மீது பொருத்தப்பட்ட GPS ஏற்பிகள் வைத்து வனவிலங்கு மேலாண்மை களத்தில் அரும்பணி நடந்துள்ளது.

அகழ்வாராய்ச்சியில் ஈடுபடுபவர்கள் GPS பயன்படுத்தி, ஆராயவதற்கான நிலம் மட்டும் நீர்த் தளங்களை இனங்கண்டு, குறிக்க முடிகிறது. குறிப்புகளை வைத்து, உபகரணங்களும் ஆட்களும் கிடைத்த பிறகு, முன்பு கண்டறிந்த தளங்களுக்கு செல்ல முடிகிறது.

இன்கிலிஷ் கால்வாய்க்கு அடியே குகைப் பாதை அமைக்கும் போது, பிரித்தானிய மற்றும் பிரஞ்சு கட்டிடப்பணியர்கள் எதிர் முனைகளிலிருந்து தோண்ட அரம்பித்தனர்; டோவர், பிரித்தானியாவிலிருந்து ஒன்றும், கலய்ஸ், பிரான்சிலிருந்து ஒரு அணியும். GPS ஏற்பிகளை கையாண்டு, தங்கள் பாதையை சரிபார்த்துக் கொண்டனர். இதனால், சரியாக குகை நடுவே இரு பணியர் அணிகளும் சந்திக்க முடிந்தது. இல்லாவிட்டால், குகை கோணலாகப் போயிருக்கலாம்!

உயிர்காக்கும் பணியில் GPS அமைப்புகள் பெரும்பங்கு வகிக்கின்றன. விபத்து நேர்ந்த இடங்களுக்கு தீயணைப்பு, காவல் படை மற்றும் மருத்துவ உதவி அணிகளை அனுப்ப, விரைவாகத் திட்டமிட்டு செயல்பட, அவசரநிலை சேவை வழங்குபவருக்கு பேருதவியாக GPS திகழ்கிறது.

GPS ஏற்பி

இடநிலை பற்றிய கணிப்புகளைச் செய்ய, GPS ஏற்பிக்கு தெரியவேண்டியவை:

1. தனக்கு மேல் சுற்றி வரும் துணைக்கோள்களில் மூன்றிலிருந்தாவது சைகையை ஏற்கும் பணி.

2. தனக்கும் துணைக்கோள்களுக்கும் உள்ள தொலைவுகள். இதை அறிய GPS ஏற்பி, துணைக்கோள்களிலிருந்து வரும் உயர் அதிர்வெண், குறை-திறன் ரேடியோச் சைகைகளைப் பகுத்தாய வேண்டியுள்ளது.

ரேடியோ அலைகள் மின்காந்த ஆற்றலுடையன. ஒளியின் வேகத்தில், வினாடிக்கு 300,000 கி.மீ செல்வன (வெற்றிடத்தில் வேகம்). சைகைகள் துணைக்கோள்களிலிருந்து வந்தசேர எவ்வளவு நேரம் எடுக்கின்றன என்பதை வைத்து, ஏற்பியால் தொலைவை கணக்கிட முடியும்.

தொலைவை அளத்தல்

GPS ஏற்பி, ரேடியோ சைகை துணைக்கோளிலிருந்து ஏற்பிக்கு வந்து சேரும் நேரத்தை வைத்து, துணைக்கோளுக்கும் தனக்கும் உள்ள தொலைவைக் கணிக்கிறது. குறிப்பிட்ட நேரத்தில் (நள்ளிரவில் என்று கொள்வோம்), துணைக்கோள் ஒரு நீண்ட இலக்கமுறை தற்போக்குக் (Random Code) குறியீட்டை செலுத்துகிறது. ஏற்பியும் அதே குறியீட்டை, அதே நேரத்தில் தொடங்கி, ஓட்டுகிறது. துணைக்கோள் சைகை ஏற்பியை வந்தடைந்தவுடன், துணைக்கோள் அனுப்பிய தோரணி, ஏற்பி ஓட்டுகின்ற சைகைத் தோரணியைக் காட்டிலும் காலம் தாழ்ந்து இருக்கும். தாமத நேரம் (சுணக்கம்) சைகை பயணிக்கும் நேரம். ஏற்பி இந்த நேரத்தை ஒளியின் வேகத்தோடு பெருக்கினால் எத்தை தூரம் சைகை பயணம் செய்தது ? என்று அறியலாம். நேர்க்கோட்டில் பயணித்தது என்றால், இதுவே ஏற்பிக்கும் துணைக்கோளுக்கும் உள்ள தொலைவு.!

இந்த அளப்பைப் புரிய GPS ஏற்பியிலும், துணைக்கோளிலும் உள்ள கடிகாரங்கள் ஒரு நானோ வினாடி (1/1000,000,000 வினாடி) அளவுக்குள் ஒத்தியங்க வேண்டும். துணைக்கோளை அடிப்படையாகக் கொண்ட இடநிலை அமைப்பை, ஒத்தியங்கும் கடிகாரங்களைக் கொண்டு அமைக்க நமக்கு துல்லியமாகச் செயலாற்றும் நிலையான அணுவியல் கடிகாரங்கள் துணைக்கோளில் மட்டுமல்லாது, GPS ஏற்பியிலும் தேவைப்படுகிறது. ஆனால், அணுவியல் கடிகாரங்களின் விலை $50,000 யிலிருந்து $100,000 க்குள் இருப்பதால், அன்றாடம் பயன்படுத்தும் நுகர்வோர் மின்னணுவியல் கருவியாக விளங்கும் GPS ஏற்பிக்கு ஏற்றதாக இருக்காது. இந்தச் சிக்கலுக்கு நல்ல தீர்வு உள்ளது. ஒவ்வொரு துணைக்கோளிலும் விலை உயர்ந்த, துல்லியமாக நேரத்தைக் கணிக்கவல்ல அணுவியல் கடிகாரம் உள்ளது. GPS ஏற்பியிலோ, அவ்வப்போது திருத்திகொள்ளக்கூடிய, சாதாரணமான குவார்ஸ் படிகம் கொண்டு இயங்கும் கடிகாரம் தான் உள்ளது. சுருங்கச் சொல்லின், ஏற்பி, நான்கு அல்லது மேல்பட்ட துணைக்கோள்களிலிருந்து பெறக்கூடிய சைகைகளை வைத்து, தன்னுடைய துல்லியமின்மையை எடைபோடுகிறது ; சரிசெய்தும் கொள்கிறது.

இடநிலை நன்கு தெரிந்த நான்கு துணைக்கோள்களுக்கும், ஏற்பிக்கும் இடையே உள்ள தொலைவுகளை அளந்தபின், நான்கு கோளங்களை வரையலாம். இவை ஒரு புள்ளியில் முட்டுமாறு அமையும். தொலைவுகளை சரியாக அளக்காவிட்டாலும், மூன்று கோளங்கள் ஒரு புள்ளியில் சந்திக்கும் வாய்ப்பு இருக்கலாம்!. ஆனால், அளப்புகளின் பிழை இருந்தால், நான்கு கோளங்கள் ஒரு புள்ளியில் முட்டாது. நான்கு தொலைவுகளையும் அளக்க, ஏற்பி தன்னகத்தே உள்ள கடிகாரத்தை பயன்படுத்துகிறது. எல்லாத் தொலைவுகளும் ஒரே விகிதாசார அடிப்படையில் பிழையாக இருக்கும்.

ஏற்பியால், நான்கு கோளங்களையும் ஒரு புள்ளியில் முட்டமாறு செய்வதற்கு ஏற்ற திருத்தங்களைக் கணிக்க முடியும். இதன் அடிப்படையில் துணைக்கோள்களில் உள்ள அணுவியற் கடிகாரத்தோடு ஒத்தியங்க, GPS ஏற்பி, அதன் கடிகாரத்தை சரி செய்கிறது. அதாவது, ஏற்பி, நேரம் பற்றிய தன்னறிவை சரிசெய்து கொண்டு இருப்பதால், துல்லியத்தில் அணுவியற் கடிகாரத்தோடு ஒத்து விளங்குகிறது.

தொலைவு பற்றிய தகவல் பயனுள்ளதாக இருக்க, ஏற்பி, துணைக்கோள் எங்கு இருக்கிறது ? என்று சரியாக அறிய வேண்டும். துணைக்கோள்கள் முன்பே அறியப்பட்ட கோளரேகையில் பயணிப்பதால் இது கடினமாக இருக்காது. GPS ஏற்பி, எந்த நேரத்திலும் எல்லாத் துணைகோள்களும் எங்கு இருக்கின்றன ? என்ற தகவலை தன் தேக்ககத்தில் வைத்திருக்கும். நிலவு மற்றும் கதிரவன் ஈர்ப்பால் துணைக்கோள்களின் கோளரேகையில் லேசான மாற்றங்கள் உண்டாகும். ஆனால், பாதுகாப்புத் திணைக்களம் அவ்வப்போது துணைக்கோள்களின் இடநிலையில் ஏற்படும் சிறிய மாற்றங்களை கண்காணித்து, செய்யவேண்டிய திருத்தங்களை எல்லா GPS ஏற்பிக்கும் துணைக்கோள்களூடாகவே அனுப்பி வைக்கிறது.

GPS அமைப்பு நன்றாக வேலை செய்து வந்தாலும், சில துல்லியமின்மைகள் அவ்வப்போது தலைகாட்ட நேர்கிறது. வளிமண்டலம் ஊடாக வெளிவரும் ரேடியோச் சைகைகள், ஒரே சீரான வேகத்தில் (ஒளியின் வேகத்தில்) வெளிவரும் என்ற அனுமானத்தை அடிப்படையாகக் கொண்டு தான் அமைப்பு இயங்குகிறது. ஆனால், பூமியின் வளிமண்டலம், மின்காந்த ஆற்றலை ஓரளவு மெதுவாக்குகிறது. குறிப்பாக அயனிமண்டலத்திலும், அடிவளிமண்டலத்திலும், இந்த மிதப்படுத்தம், அலைகளுக்கு ஏற்படிகின்றது. எனவே, ‘கால தாமதம்-சுணக்கம் ‘ நாம் பூமியின் மீதுள்ள இடநிலை சார்ந்தாக இருப்பதால், தொலைவு கணிப்புகளில் இதை ஒரு காரணியாக கொண்டு வருவது கடினமாகிறது. வானாளவு பெரிய கட்டிடங்களில் பட்டு எகிரும் ரேடியோச் சைகைகளால் சிக்கல்கள் உண்டாகின்றன. இதனால், துணைக்கோள்கள் இருக்கும் இயல்பு தொலைவைக் காட்டிலும் அதிக தூரம் இருப்பதாகத் தெரியக்கூடும்.

வகையீட்டு (Differential) GPS இந்த பிழைகளை திருத்த உதவுகிறது. இதன் அடிப்படை சித்தாந்தம் GPS இன் துல்லியமின்மையை, நிலைபெற்றுள்ள, அதன் இடம் நன்கு அறியப்பட்ட ஒரு ஏற்பி வைத்து கணிப்பது. வகையீட்டு GPS நிலையத்தின் வன்பொருள், தன் இடநிலை நன்கு தெரிந்ததால், தன் ஏற்பியின் துல்லியமின்மையை கணிக்கிறது. நிலையம், அதன் வட்டாரத்தில் உள்ள DGPS உபகரணம் பொருத்தப்பட்ட எல்லா ஏற்பிகளுக்கும், இடநிலைக் கணிப்பில் செய்ய வேண்டிய திருத்தம் பற்றிய தகவலை ஒலிபரப்புகிறது. பொதுவாக, திருத்தம் பற்றிய தகவலை அணுகுவதால் வகையீட்டு GPS, சாதரண GPS யைக் காட்டிலும் கூடிய துல்லியத்துடன் இடநிலையை உணர்த்துகிறது.

மூல ஆவணங்கள்

1. Marshall Brain and Tom Harris, ‘How GPS Receivers Work ‘. www.howstuffworks.com.

2. N.J. Muller, ‘Wireless A to Z, ‘ McGraw Hill, New York, ISBN 0-07-141088-0.

3. GPS Uses in Everyday Life, www.aero.org/publications/GPSPRIMER/EvryDyUse.html.

4. GARMIN, About GPS, http://www.garmin.com/aboutGPS.

—-

kathirk@mxim.com

Series Navigation