GPS ütleb täpselt, kus me oleme ja kust me tulime
Satelliidid on näidanud meile teed juba möödunud sajandi keskpaigast, aga kõik muutus 2000. aasta 1. maist, kui GPS-id hakkasid USA sõjaväe otsusel näitama asukohta mõnesaja meetri asemel mõnemeetrise täpsusega. Tänu sellele saame nüüd kasutada autonavigaatoreid, nutitelefonide kaarte ning muidugi igasuguseid kasulikke positsioneerimisteenuseid.
Ajalugu – militaarvajadusest igapäevase navigeerimiseni
Asukohamääramise vajadus on loomulikult eksisteerinud juba sajandeid, kuid muistsete meresõitjate kombel tähtede ja kuu järgi oleks enda paiknemist üsna tülikas praegu välja arvutada, ehkki sportlikust uudishimust ju võib.
Tunniajase arvutuse tulemusena on võimalik oma asukoht mõnemiilise täpsusega kindlaks määrata ka tähtede järgi, mis on oluline hädaolukorras näiteks ookeanil, kuid Läänemere-sugustes pisemates veekogudes see palju abi ei paku. Siin on oluline ilma GPS-ita olles majakate järgi orienteeruda. Kui tähed paistavad, saab põhjapoolkeral põhjasuuna leida Põhjanaela järgi, lõunapoolkeral Lõunaristi järgi. Sekstandiga, mida meresõitjad ajalooliselt on kasutanud, mõõdetakse aga väga täpselt tähe ja horisondi vaheline nurkkaugus ning arvutatakse selle põhjal merekoolis õpitu järgi oma asukoht. Mõõtmisel ei tohi vigu teha, mõõta tuleb väga täpselt, kuid kõikuvas laevas võib see üsna raske olla. Pealegi pole tähti pilves ilmaga näha.
Maamõõtjad kasutasid enne satelliidiajastut triangulatsiooni ehk maastikul üksteisega külgnevate kolmnurkade süsteemi. Triangulatsiooniks oli kogu maa kaetud riiklikult tähtsate nn kindelpunktidega, mille koordinaadid olid väga täpselt mõõdetud ja maamõõtjale teada. Sealt kindelpunktist sai mõõta maastikul märgitud kolmnurkade nurgad ja süsteemi baasjoone pikkuse, et määrata järgmiste kolmnurga nurkade koordinaadid. Muidugi võttis see palju aega ja vajas geodeedi täpseid instrumente. Turistina muidugi triangulatsiooni põhimõttel oma koordinaate leida poleks otstarbekas.
Väga täpselt saab asukoha teada satelliitide abiga
Kuid juba 50-ndatel, kui kosmosesse lendas esimene sputnik, avastasid USA sõjaväelased, kes seda jälgisid, et tegelikult oleks sputniku raadiosignaalide järgi hea ka maa peal oma asukohta määrata. Nimelt satelliidi orbiiti teades ja sellelt lähtuvaid raadiosignaale vastu võttes võis üsna täpselt määrata, kas tehiskaaslane liigub eemale või lähemale ning kui kaugel see asub. Kui on olemas vähemalt kolme satelliidi signaalid ja ülitäpne kell, siis triangulatsiooni põhimõttel peaks asukoha juba üsna täpselt saama määrata.
Sõjavägi nautiski varastest kuuekümnendatest taevast võimalust oma asukohta vastavate seadmetega määrata esialgu mereväes ja hiljem mujal, kuid tsiviilkasutajatel läks veel aega, enne kui poodidesse jõudsid koos kohvermobiilidega ka esimesed suured käsiseadmed. 1989. aastal valmis Magellanil esimene tavainimestele mõeldud GPS-seade NAV 1000: lisaks kohvrimõõtu mobiilidele tuli seiklejatel hakata nüüd väiksema tellise mõõtu asukohamäärajat kaasas kandma. Sel ajal kehtis nö selektiivne kättesaadavus, mis tähendas, et tavakasutajatele anti USA sõjaväele kuuluvat võrku kasutada vaid piiratud täpsusega mõnisada meetrit. Lennukitele ja laevadele sellest tavaliselt piisas.
Muidugi polnud mõnesajameetrine täpsus piisav näiteks autoga navigeerimiseks või võõras linnas aadressi otsimiseks. Tänapäevane GPS-ide buum sai alguse alles 2000. aasta 1. mail, mil otsustati tsiviilkasutusest asukohamääramise täpsuse segamine kõrvaldada. Kõik võisid esialgu oma asukohta 24 satelliidi abiga kümnemeetrise täpsusega määrata ja see tähendas juba ka autonavigaatorite võimalikkust.
Praeguseks on satelliitide arv kasvanud 33-ni ja mobiilid kasutavad veel ka A-GPS-i ehk täiendavat infot maapealsetest tugijaamadest, et võimalikult kiiresti oma asukoht kindlaks teha. Peale selle on GPS-seadmete täpsus juba jõudnud mõne meetrini. Nii võib üles leida seenemetsas eelmise aasta seenekobara asukoha või liigelda mitmerealisel ristmikul, kus autonavi oskab juhendada juba sõiduraja täpsusega.
GPS-e leidub tänapäeval pea kõigis nutitelefonides. Samuti on saadaval eraldi käsi-GPS-id, mis on võimsama antenni ja spetsiaalse tarkvaraga, määrates asukoha väga täpselt ja väga kiiresti. Aga kuna mobiilide GPS-id on igapäevasteks vajadusteks juba piisavalt täpsed ja kiired, siis käsi-GPS-idel enam erilist turgu pole. Samamoodi hakkavad vaikselt hääbuma autonavigaatorid, mis juhendavad autojuhte õigele teele, sest mobiiliäpid on sama head ja nagu öeldud, ka telefoni GPS-i täpsusest piisab. Aina parema täpsuse annavad kaasaskantavatele seadmetele uued ja võimsamad algoritmid, mille järgi saab üsna nõrkadest GPS-signaalidest aina rohkem asukohainfot välja lugeda, häireid arvestamata jätta ja keskmistamise ning statistiliste arvutustega leida ka kehvades levitingimustes võimalikult täpsed näidud.
Kuidas see töötab?
GPS-seade saab taevas kindlatel orbiiditel tiirlevatelt satelliitidelt vajaliku signaali ning arvutab selle põhjal asukoha laius- ja pikkuskoordinaadid ning kõrguse merepinnast. Kõrguse näit võib küll olla teinekord üsna ebatäpne, aga kallimad seadmed täpsustavad seda baromeetriga – sensoriga, mis suudab õhurõhu järgi paremini kõrgust määrata.
GPS vastuvõtja arvutab asukoha oma kauguse põhjal vähemalt neljast nähtavast satelliidist. Kaugus mõõdetakse täpselt ära, võrreldes satelliitide ja vastuvõtjate genereeritud kodeeritud signaalide ülitäpseid algus- ja lõpuaegasid. Selleks peavad satelliidid ja vastuvõtjad oskama tekitada täpselt ühel ajal signaale. Aeg, mis kulus signaalil satelliidilt valguse kiirusel vastuvõtjani jõudmiseks, annabki lihtsa arvutuse järgi kauguse. GPS vastuvõtja asukoha arvutamine on edasi juba puhas trigonomeetria, sest teada on satelliitide asukohad ja nende kaugused vastuvõtjast.
Kui asukoha koordinaadid teada, siis mobiilis kasutavad erinevad äpid seda infot näiteks kaardil teekonna salvestamiseks, lähimate poodide, tanklate või vaatamisväärsuste leidmiseks.
Muidugi on levinud tänu GPS-seadmete odavusele ja lihtsusele ka mitmesugused positsioneerimisseadmed, millega saab jälgida oma igapäevaste asjade liikumist. Tikutopsisuurune träkker ehk asukohajälgija on paigaldatav nii reisikohvrisse, autosse, murutraktorisse kui koera kaelarihmale. Üle mobiilse andmeside edastab selline GPS-seade oma asukoha mõnesse veebiteenusesse, kust saab jälgida hetkeasukohta, vaadata läbitud teekondi ja ajalugu või lisada alarme, kui mõni seade näiteks lahkub või jõuab märgistatud piirkonda. Nii on näiteks hea teada saada, kui koer on aiast põgenenud või millal laps koolist koju jõuab. Võimalusi on piiritult.
Kuidas siis lihtsustatult toimub teoorias asukohamääramine tähtede ja päikese järgi?
Tähistaevast on inimesed vaadelnud aastatuhandeid ning selle muster on pika aja vältel inimeste teadvuses kinnistunud. Samuti on kinnistunud teadmine taeva n.ö „pöörlemisest“ ümber mingi keskpunkti .Põhjapoolkeral on selleks keskpunktiks Põhjanael. Astronoomiast teame, et tähtkujude näiv liikumine pole tingitud mitte taevasfääri vaid Maa pöörlemisest. Põhjanael asetseb kõrgel põhjapooluse kohal ning selle asukoht „kõigub“ pool kraadi. Põhjanael näitab meile alati põhja suunda. Nurk horisondi ja põhjanaela vahel ongi laiuskraad , millel asume. Selle mõõtmiseks kasutatakse sekstanti. Jämedalt öeldes on see sirkel, mille haarade vahele kinnitub mall. Sirkli üks haar tuleb suunata horisondile, teine Põhjanaelale ning malli poolt mõõdetud haaradevaheline nurk on mõõtepunkti laiuskraad. Väga lihtne on seda ette kujutada, kui mõtled ennast põhjapoolusele, asetad sirkli üht haara pidi maapinnale, suunad teise haara täpselt pea kohal paiknevale Põhjanaelale ning saadki haarade vaheliseks nurgaks 90 kraadi.
Pikkuskraadi määramiseks tuleb selgeks teha, kui palju erineb keskpäeva aeg antud asukohas Greenwichi ajast. Appi tuleb kronomeeter, mis mõõdab Greenwichi aega (Greenwichi keskpäeva). Päikespaistelise ilmaga on kohaliku aja keskpäevaks moment, kui vari on kõige lühem (päike asetseb mõõtepunkti meridiaanis). Fikseeri kronomeetri näit ja arvuta erinevus kohaliku keskpäeva (12:00) suhtes. Arvestades, et 1 kraadise pöörde (ekvaatoril 111km) teeb Maa 4 minutiga saame kohaliku ja Greenwichi aja erinevuse järgi pikkuskraadi välja arvutada.
Kronomeetrid tulid kasutusele 250 aastat tagasi. Enne seda navigeeriti sisuliselt ainult laiuskraadi järgi. Sõideti konkreetsele laiuskraadile, sealt edasi muudeti kurssi 90 kraadi ning hoiti seda, kuni kusagile välja jõuti. Üsna ebatäpne ja aeganõudev. Kronomeetri väljaarendamist forsseeris 1707.a. asetleidnud õnnetus, kui 4 Briti sõjalavaeva sõitis karidele ning hukkus 1400 meremeest. Huvitava artikli kronomeetri arendusajaloo kohta leiad Tehnikamaailmast http://www.tehnikamaailm.ee/250-aastat-kronomeetrit/
Navigēja arī pirms GPS un tāpat nonāca galā
Mūsdienu GPS navigācija ir tikai pārdesmit gadu sena, taču savu atrašanās vietu prata noteikt jau sen pirms satelītu ienākšanas. Vietām šī prasme ir aizmirsusies pat profesionāliem jūrniekiem, taču papildu viedtālruņiem un navigācijas iekārtām ir lietderīgi
zināt, ko darīt, ja signāla no debesīm nav, vai arī kabatas iekārtas akumulators ir nosēdies.
Bākas un kartes ir eksistējušas gadu simtiem, pat gadu tūkstošiem. Zvaigznes rādīja ceļu naktīs, senie jūrasbraucēji uzturēja acu kontaktu ar krastu un tālu atklātā jūrā pat nedevās. Tā ar nestabilām laivām izdevās apdzīvot arī Klusā okeāna salas, kas atrodas pietiekami tuvu cita citai un kur bieži naktīs ir skaidras debesis.
Pirms tūkstošiem gadu tika šķērsota Dienvidķīnas jūra un Indijas okeāns ar musoniem, jo tie vienmēr pūta konkrētā virzienā un ļāva divas reizes gadā ar aizmugures vēja spēku šķērsot atklāto jūru, nebaidoties kļūdīties. Tajā pašā laikā tālu ziemeļos dzīvojošie islandieši izmantoja īpašu gludi nopulētu (gaismu polarizējošu( kristālu – t. s. Saules akmeni, lai atrastu saules atrašanās vietu arī mākoņainā laikā, kas ziemeļpuses jūrās ir bieža parādība. Pēc saules varēja arī aptuveni noteikt virzienu un atrašanās vietu.
Kompass – diezgan jauns izgudrojums
![]()
Kompass, kas mūsdienās šķiet tik vienkāršs darbarīks, tika izgudrots Ķīnā tikai pārsimts gadus pirms Kristus, un Eiropā tas nokļuva kopā ar persiešiem 13. gadsimtā. Magnētiskā kompasa adata ir magnetizēta un atrodas uz kompasa adatas – smailes, kas ļauj bultai atbilstoši zemes magnētiskajam laukam ieņemt virzienu ziemeļu-dienvidu virzienā. Kompasi un kartes jūrasbraucienus un ceļošanu arī pa neapdzīvotu kontinentu padarīja ievērojami vienkāršākus – kartes kļuva precīzākas un pat Igaunijas piekraste viduslaiku zīmējumos ieguva jau atpazīstamu formu.
Polārzvaigzne – kā noteikt savu atrašanās vietu pēc tās?

Ļoti vecs un drošs veids, kā noteikt savu atrašanās vietu, ja kompasa nav pa rokai, ir pēc Polārzvaigznes. Šī spilgtā zvaigzne ziemeļu puslodē palīdz atrast ziemeļu virzienu, jo debesīs vienmēr atrodas it kā virs Ziemeļpola. Kad virziens ir skaidrs, var noteikt arī savu platuma grādu – zvaigznes pacelšanās leņķis ir aptuveni tāds pats kā platuma grāds.
Fotografējot zvaigžņotās debesis ar garu ekspozīciju, ir redzams – viss griežas ap Polārzvaigzni. Šis virziens arī ir ziemeļu virziens, un pacelšanās leņķis attiecībā pret horizontu nosaka skatītāja platuma grādu. Foto: (CC) Kevin Hadley / Wikipedia
Savu platuma un garuma grādu precīzai noteikšanai vajadzēja zināt arī precīzu pulksteņlaiku, kas līdz 16. gadsimtam tika noteikts ar smilšu un ūdens pulksteņiem. 1760. gados izdevās uzbūvēt tādu kuģa pulksteni, kas rādītu pareizu laiku arī uz pamatnes, kas šūpojas, un beidzot ļāva noteikt atrašanās vietu jebkādos laika apstākļos.
Sekstants – precīzs stūra mērītājs precīzas atrašanās vietas noteikšanai

Precīzs leņķa mērīšanas rīks, kuru daži jūrnieki joprojām zina kā rezerves variantu, ja nobrūk kāda elektronika, ir sekstants, kurš navigācijas arsenālā parādījās tikai 1757. gadā. Ar to var precīzi izmērīt jebkura debess ķermeņa leņķi attiecībā pret horizontu un, zinot precīzu laiku, aprēķināt savu
Leņķa noteikšana ir šķietami vienkārša, sarežģīti ir vēlāk veikt atbilstošos aprēķinus. Puse spoguļa mērītājam rāda horizontu, otra puse mērāmo spilgto debess ķermeni (Polārzvaigzni vai sauli). Ar sekstantu pagriežot debess ķermeni ar otru spoguļa pusi uz t. s. horizontu, var noteikt debess ķermeņa leņķi attiecībā pret horizontu.
Radio vada ceļu
1906. gadā pirmo reizi izmantoja radio sakarus, lai noteiktu virzienu – uz kuģa uzstādīja ierīci, kuru pagriežot varēja precīzi uzzināt radio signāla avotu. Tā radās pirmās radio bākas, kas norādīja virzienu uz ostu arī tālu aiz apvāršņa esošiem kuģiem.
1930. gados parādījās pirmās auto navigācijas ierīces – mazliet novirzoties var teikt, ka tās nebija nekādi tehnoloģiju augstākie sasniegumi, bet uz automobiļa instrumentu paneļa nostiprināmi pagriežami karšu ruļļi, kurus blakussēdētājs varēja pagriezt atbilstoši tam, kurā krustojumā nonāca.
II Pasaules kara laikā tika izveidots pirmais radio navigācijas risinājums jūrasbraucējiem – LORAN, kas ar četrām atbalsta stacijām ļāva navigēt ASV un Kanādas austrumu piekrastē.
Mākslīgajam zemes pavadonim jau pēc dažiem gadiem sekoja sakaru satelīti
Par satelītu laikmeta sākumu var gan uzskatīt 1957. gadu, kad Padomju Savienība nosūtīja pirmo sputņiku jeb mākslīgo pavadoni orbītā, taču par GPS navigācijai līdzīga risinājuma sākumu var uzskatīt 1962. gadu, kad no septiņiem satelītiem sastāvošā TRANSIT sistēma palīdzēja noteikt savu atrašanās vietu uz zemes – gan ļoti aptuveni. Taču, salīdzinājumā ar sekstantu un kompasu, sistēma bija ātrāka un drošāka, lai gan precizitāte vēl nebija ļoti laba.
Pēc tam satelītu navigācija kļuva aizvien precīzāka, līdz 2000. gada 1. maijā pēc ASV karaspēka lēmuma GPS sāka rādīt atrašanās vietu pārsimts metru vietā ar dažu metru precizitāti. Tagad ar mobilajā tālrunī, viedpulkstenī vai atsevišķā navigācijas ierīcē esoša GPS palīdzību savu atrašanās vietu varam noteikt jau ar metra precizitāti. Parasti ar to pietiek, lai atrastu īsto ceļu vai nepieciešamo apstāšanās vietu