Bugün öğrendim ki: GPS uydularındaki atom saatlerinin, uzaydaki zamanın biraz daha hızlı geçişini Dünya'daki saatlerle senkronize ettiğini
Birçok insan, Küresel Konumlandırma Sistemi (GPS) denilince navigasyonu düşünür – örneğin, cep telefonlarına zahmetsizce gönderilen adım adım yol tarifi. Ancak GPS uydularının ilk kullanım alanı – ve bugün hala en yaygın kullanım alanı – konumdan çok zamanlama ile ilgilidir.
"GPS, hassas zaman olmadan çalışamaz ve dünyadaki herkese hassas zaman sağlar," dedi Uzay Girişimine özel olarak adanmış, federal fonlu bir araştırma ve geliştirme merkezi olan The Aerospace Corporation'da kıdemli mühendis Ed Powers.
Powers, ABD Donanma Rasathanesi'ne GPS zamanlama arayüzünün yöneticisi olarak 20 yıl çalıştı ve GPS zamanlama kullanım durumları üzerine birçok çalışmada yer aldı. 32 yıllık kamu hizmetinde, NRL ve ABD Donanma Rasathanesi'nde çalışırken GPS UV (uzay aracı) saat geliştirme ve ilgili zaman tutma sistemini desteklemek için de zaman ayırdı.
Powers, "ABD İç Güvenlik Bakanlığı, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki 16 kritik altyapı sektörü hakkında çalışmalar yaptı ve bunların çoğunluğu bir şekilde GPS'e bağlıdır," dedi. "Çoğu aslında konumlandırmaya değil, zamanlamaya bağlıdır. Elektrik şebekesi, iletişim, bankacılık ve finans hemen akla gelen üç sektör."
17 Aralık, Savunma Sistemleri Edinimi İnceleme Konseyi'nin (DSARC) ABD Hava Kuvvetleri'ne Navstar Küresel Konumlandırma Sistemi'nin (GPS) geliştirilmesine devam etme izni vermesinin 50. yıldönümünü işaretledi. Uydu takımyıldızı, 9 Aralık 1993'te otuz yıl önce ilk operasyonel kapasitesine ulaştı.
Powers, "GPS, uzaydaki uydularda bir atom saati ağı ile çalışır ve bu saatleri ortak bir zaman referansına senkronize tutmak, menzil kaynağı olarak kullanılmasını sağlar," dedi. "Ve herkesin GPS alıcısı böyle çalışır: Uydudaki bu hassas atom saatlerini kullanırlar – birkaç saat içinde bir nano saniyeye, bir gün içinde birkaç nano saniyeye kadar kararlıdırlar."
GPS uyduları, radyo frekansı aracılığıyla yerdeki alıcılara veri gönderir; alıcılar daha sonra uyduların konumlarını ve sinyallerin gönderildiği hassas zamanı hesaplayarak atmosfer ve diğer olaylardan kaynaklanan gecikmeler için ayarlamalar yapar, dedi Powers.
Bu veriler o kadar kullanışlı ki, diğer ülkeler GLONASS (Rusya), Galileo (Avrupa Birliği), BeiDou (Çin), QZSS (Japonya) ve IRNSS (Hindistan) dahil olmak üzere kendi küresel veya bölgesel sistemlerini kurmaya başlıyor. Bunlardan ABD GPS sistemi yaygın olarak Altın Standart olarak kabul edilir. Barış zamanlarında daha iyi çalışmasını sağlamak ve çatışma zamanlarında direncini sağlamak için GPS'i modernleştirmek, ABD Uzay Kuvvetleri'nin Uzay Sistemleri Komutanlığı'nın (SSC) sorumluluğundadır.
SSC'nin yeni kurulan Konumlandırma, Navigasyon ve Zamanlama Sistemleri Delta Komutanı Albay Matthew L. Spencer, delta'nın daha iyi karıştırma ve taklit direnci sağlamak için güncellemeler de dahil olmak üzere GPS için yeni nesil yetenekler getirmekle birlikte, "daha önemlisi, bu konumun garanti altına alınması için çalıştığını, böylece sahadaki operatörün taklit veya karıştırılmadığından emin olabileceğini" söyledi.
Zaman tutma her zaman ulusal savunma için kritik öneme sahip olmuştur ve GPS'in askeri bir teknoloji olarak başlaması şaşırtıcı değildir; özellikle Körfez Savaşı sırasında, ABD koalisyon güçlerinin düşmanı alt etmek ve hassas bir şekilde ateş etmesini sağlamasıyla etkili olduğunu kanıtlamıştır.
Spencer, "GPS'in Körfez Savaşı'ndaki etkisini gördüğümüzde, sadece biz değil, düşmanlarımız da fark etti ve bize GPS'e erişimi engellemenin yollarını bulmaya veya saldırmaya çalıştılar," dedi ve deltasının olası durumlara karşı alternatif PNT verileri için seçenekleri araştırmak üzere ticari endüstriyle çalıştığını ekledi.
"Sahada test yaparken genç bir Ordu çavuşuyla konuştum ve bana söylediği şey şuydu: 'Düşmana GPS'i engellemek için bazı şeyler yaptığımızı biliyorum, ancak GPS alma yeteneğimi herhangi bir şekilde etkileyecekse yapmayın. GPS'imi tercih ederim, çünkü böyle savaşıyorum.'"
Spencer, "Askerdeki bir kullanıcının 'Konumumun nerde olduğunu söylemek için uzaydan bir radyo sinyali almama gerek yok – pusulam var' diye düşünmesinden, havayolu şirketlerinin GPS'leri çalışmıyorsa pistten ayrılmayacak hale gelmesine kadar uzanan bir yol kat edildi," dedi. "Günlük hayata yerleşmiş ve entegre olmuştur."
Spencer, "GPS, yaşam biçimimizin temelidir," dedi.
GPS'ten önce insanlar zamanı nasıl tutuyorlardı? Powers, o kadar hassas değildi dedi. Atom – atomların rezonans frekansını ölçerek zamanı ölçen – saatler 1940'ların sonlarında icat edildi ve bu saatleri senkronize etmek için insanlar, seyahat eden saate göre yerleri senkronize etmek için taşınabilir bir saati A'dan B'ye C'ye taşıyarak taşınabilir saat gezileri yaparlardı. Bu ilk saatler çok büyük ve ağırdı.
Güvenilir GPS zamanlama sinyallerinin ortaya çıkışı, özellikle yüksek enerji fiziği gibi alanlarda araştırma yapıyorlarsa ve şeyleri nano saniyede – milyarda bir saniyede – veya pikosaniyede – trilyonda bir saniyede – ölçmeleri gerekiyorsa, dünyadaki araştırma laboratuvarları için büyük bir avantaj olmuştur, dedi The Aerospace Corporation'da teknik üyesi Tom Powell.
Powell, "Çok hassas bir şekilde ölçüm yapan laboratuvarların kendi atom saatleri olurdu," dedi. "1970'lerde, birkaç milisaniye veya nano saniye içinde tahmin edilebilir göreceli zamana ihtiyacınız varsa, muhtemelen pahalı bir sezyum ışını veya hidrojen maser saati satın almanız gerekirdi. Ancak GPS ortaya çıktıktan sonra, ihtiyacınız olan tek şey bir anten ve nispeten ucuz bir GPS alıcısıydı ve aniden 10 nano saniye içinde UTC'ye (Evrensel Koordinatlı Zaman) sahip oluyorsunuz."
Telekomünikasyon, GPS zamanlama verilerinin en eski kullanım alanlarından bazılarıydı, dedi Powers ve bugün, arabanızda eller serbest olarak birisiyle konuştuğunuzda çağrının düşmemesini sağlamaya yardımcı olur.
Powers, "Cep telefonlarının çalışma şekli, birkaç mil arayla belirli aralıklarla yerleştirilmiş vericileri olan hücre kulelerinin olmasıdır." dedi. "Otoyolda araba kullanırken aslında bir hücreden diğerine geçiş yapıyorsunuz, ancak cep telefonları GPS ile hassas bir şekilde senkronize edildiği için – milyarda bir saniyede değil, milyonuncu saniye düzeyinde, mikro saniye düzeyinde – bu sizin için görünmez. Ve bu, çağrının bir hücre sitesinden diğerine sorunsuz bir şekilde geçmesini sağlar ve geçiş yaparken bir patlama sesi bile duymazsınız."
Daha eski nesil cep telefonları, 911'i çevirdiğinizde konumlarını bildirmezdi, ancak artık, Gelişmiş 911 ile, telefonunuzda GPS konum hizmetleri devre dışı bırakılmış olsa bile acil servis personeli konumunuzu belirleyebilir, dedi Powers.
Powers, "Ağlarımız daha hızlı hale geldikçe, borsa ve finansal işlemler gibi işlemlerin hızı da arttı," dedi. "Bir borsa işlemi yaptığınızda, her işlem için zaman damgasının doğruluğu önemlidir ve işlem başına küçük bir dolar kesriyle işlem fiyatını etkileyebilir. Milyonlarca hisse senedine çarptığında, potansiyel varyasyon milyonlarca dolardır."
Bilgisayarınıza giriş yapıp Birleşik Krallık'tan bir ürün mü satın aldınız? GPS verileri, satın alma fiyatınızın İngiliz sterlini'nden satın alma anındaki ABD doları kuru oranına hızlı ve doğru bir şekilde dönüştürülmesinin nedenidir – ve İngiltere perakendecisinin bunu Amerika Birleşik Devletleri'nden satın aldığınızı nasıl bildiğini gösterir.
Son İsveç gezisinde Powell, İsveç'in neredeyse nakitsiz bir toplum olduğunu keşfetti; meslektaşlarından biri ABD dolarını İsveç Kronu'na çevirmişti "ve oradayken Kronlarının hiçbirini kullanamadı. Gittiğimiz her yerde, her restoran, her müze yalnızca kredi kartlarını kabul etti ve bu işlemler anında GPS tabanlı hassas bir zamanlama uygulaması kullanılarak kur oranına çevrildi."
Kol saatinizi ayarlamak veya tüm ev saatlerini Yaz Saati'ne göre ayarlamak mı istiyorsunuz? On yıllar önce, doğru zamanı almak için "Saat ve Sıcaklık" telefon numarasını çevirirdiniz – bugün, GPS alıcısı içeren cep telefonunuzdaki saatle karşılaştırabilirsiniz.
Powers, "Çoğu insan saatini belki birkaç saniye, belki de en yakın dakikaya ayarlayabilir," dedi. "Ve sonra saatte hatalar var – günler ve haftalar içinde saniyelerden dakikalara kadar sapma gösterebilirler. Yani, gerçekten bir saniye düzeyinde iyi, sağlam bir senkronizasyona ihtiyacınız varsa, GPS alıcısı bunu yapmak için oldukça verimli bir yoldur."
Elektrik şebekesi de GPS'e bağlıdır, dedi Powers. "Fazör ölçüm üniteleri adı verilen cihazlar, elektrik şebekesinin hizalanmasına yardımcı olur. Elektrik şebekesinin hizalanmasının tutulması, enerji üretimini senkronize eder ve daha fazla verimlilik ve sağlamlık sağlar."
GPS ayrıca sismik aktivitenin tespit edilmesinde ve bir depremin merkez üssünün belirlenmesinde rol oynar, dedi Powers. "(Bilim insanları) aslında yer kabuğunun hareketini görebilecek, depremlerin öncüllerini görebilecek kadar doğru bir hassasiyet seviyesine sahip GPS alıcılarını izleyebilirler."
Powell, "Tsunami olduğunda, okyanusta büyük bir dalga hareket eder ve aslında üzerindeki hava sütununu kaldırır," dedi. "Bu hava sütunu iyonosfere kadar çıkar ve onu bozar. Ortaya çıkan iyonosferik bozulma, GPS alıcı ağları tarafından tespit edilebilir ve bu dalgalar hareket ederken dolaylı olarak tespit edilebilir."
Gelecek ne getirecek? Büyük olasılıkla, GPS için daha fazla uygulama.
Powers, "GPS'in 75. yıldönümünü ve muhtemelen 100. yıldönümünü kutlayacağımızdan şüpheleniyorum," dedi. "GPS veya uzay tabanlı PNT bazı şekillerde değişecektir; muhtemelen bazı şeyleri geliştireceğiz, sinyal doğrulama özellikleri ekleyeceğiz, ancak 2050 yılına kadar bugün sahip olduğumuz şeye çok benzeyecek. En büyük değişiklik, Avrupa Birliği'nin Galileo sistemi veya Çin'in Beidou sistemi gibi ek PNT ve diğer Küresel Navigasyon Uydu Sistemleri (GNSS) kaynaklarının kullanımı olacaktır."
Powers, "GPS çok kritik bir sistem. İnsanlar bunun için çok fazla kullanım alanı olduğunu düşündüler, ancak aslında ne olduğunu hayal edemediler," dedi.
Ve insanlık ay'a ve ötesine doğru genişlerken, bilim camiasında cislunar zaman tutmanın nasıl ele alınacağına dair çok fazla tartışma var, dedi Powers ve Powell. Bir seçenek, ayın yüzeyine fiziksel ana saatler yerleştirmek olurdu; başka bir seçenek, ayı çevreleyen ayrı GPS benzeri uydular kurmak olurdu.
Powers, "Kullanım durumuna, ihtiyaç duyulan doğruluk seviyesine bağlıdır," dedi. "Ay ve dünya arasında uçuyorsanız, muhtemelen bir fit doğruluğa ihtiyacınız yoktur, ancak muhtemelen bir kilometreye ihtiyacınız vardır. İki uzay aracını yanaştırmak istediğinizde, Apollo iniş aracının yörüngedeki komuta modülüne yanaşması gerektiğinde, çok hassas bir doğruluğa ihtiyacınız vardır."
Powell, ABD astronotlarının su aramak için ayın Güney Kutbu'na yakın bir yere inerlerse, "çok fazla ışık yoktur ve güneş alçaktır ve her zaman gölgelerdesiniz," dedi. "Apollo astronotları tüm zaman boyunca parlak güneş ışığı altında çalışırken, dolaşmak onlarınki kadar kolay olmayacak." İşlevsel bir ay PNT sistemine sahip olmak, inişi ve Güney Kutbu'nda dolaşmayı çok daha kolay – ve daha doğru – hale getirecek ve ayrıca bilimsel deneyler için hassas zamanlama sağlayacaktır.
Yer tabanlı GPS sinyalleri ayda alınabilir, ancak çok zayıftır, dedi Powers ve ekledi: "Mars için çalışmaz, ancak bir dereceye kadar ay için çalışır."
Bu makalenin bir versiyonu, Milsat Dergisi'nin Ocak 2024 sayısında yayınlanmıştır.