מה זה איכון לוויני, ואיך אפשר לדעת איפה נמצא מקלט
איכון לוויני (GPS – Global Positioning System) הוא מערכת-ניווט לוויינית שמחשבת את מיקומו המדויק של מקלט על-פני כדור-הארץ, על סמך זמני-ההגעה של אותות-רדיו המשודרים בו-זמנית ממספר לוויינים. כל לוויין משדר אות שמסמן את הרגע המדויק שבו נשלח; המקלט מודד כמה זמן ארך לאות להגיע אליו, וכופל את פרק-הזמן הזה במהירות-האור כדי לחשב את המרחק ללוויין הבודד. שיטת-החישוב קרויה טרילטרציה (Trilateration) — לפי ההגדרה הרשמית של הגוף האמריקאי המפעיל את המערכת, קביעת מיקום מתוך ידיעת המרחק מלפחות שלוש נקודות-ייחוס ידועות.
משרד ההגנה האמריקאי, 1973: פרויקט שהחל כמערכת צבאית
את פרויקט ה-GPS הפעיל משרד ההגנה האמריקאי ב-1973, תחת השם Navstar. המערכת תוכננה מלכתחילה לשימוש צבאי — ניווט מדויק לכוחות וכלי-נשק — ורק בהדרגה, ולאורך שנים, נפתחה גם לשימוש אזרחי. גוף-הלוויינים של המערכת, כפי שהוא בנוי כיום, כולל בין 24 ל-32 לוויינים הפרושים בשישה מסלולים סביב כדור-הארץ בגובה של כ-20,200 ק"מ, כשכל לוויין משלים סיבוב מלא סביב כדור-הארץ בכ-11 שעות ו-58 דקות. התכנון נועד להבטיח שלפחות שישה לוויינים יהיו גלויים מכל נקודה על פני כדור-הארץ בכל רגע נתון.
1983–1988: התאונה שהובילה לפתיחה לשימוש אזרחי
ב-1983 הפיל הצבא הסובייטי את מטוס-הנוסעים Korean Air Lines Flight 007, שסטה בטעות למרחב-האוויר הסובייטי. בעקבות האסון הודיע הנשיא האמריקאי רונלד רייגן שמערכת ה-GPS תיפתח גם לשימוש אזרחי, והשירות אכן נפתח החל מ-1988. אך במשך יותר מעשור השירות האזרחי הוגבל בכוונה: טכניקה בשם "זמינות סלקטיבית" (Selective Availability) פגעה באות באופן יזום, כך שדיוק המיקום האזרחי הטיפוסי עמד על כ-100 מטרים בלבד — לא מדויק דיו לניווט-רכב שימושי.
1 במאי 2000: קלינטון מבטל את הפגיעה המכוונת באות
ב-1 במאי 2000 הורה הנשיא ביל קלינטון על ביטול הזמינות הסלקטיבית. דיוק המיקום האזרחי הטיפוסי עבר מכ-100 מטרים לכ-5 מטרים באופן מיידי — שינוי שהפך ניווט-לוויני לכלי שימושי בפועל עבור נהג פרטי או הולך-רגל, ולא רק עבור מכשור צבאי וממשלתי יקר. השיפור הזה הוא שפתח את הדרך למיפוי-אזרחי, לניווט-רכב, ולאפליקציות-מיקום שהיום מובנות בכל טלפון-חכם.
איך זה עובד בפועל: לפחות ארבעה לוויינים, ועדיף הרבה יותר
מרחק ידוע מלוויין בודד ממקם את המקלט אי-שם על פני כדור דמיוני שמרכזו באותו לוויין. מרחק משני לוויינים מצמצם את האפשרויות לחיתוך של שני כדורים כאלה, ומרחק משלישי מצמצם אותו כמעט תמיד לנקודה יחידה על פני כדור-הארץ. בפועל נדרש גם לוויין רביעי, כדי לתקן את סטיית-השעון הזעירה של שעון המקלט הזול, שאינו מדויק כמו שעוני-האטום שעל הלוויינים עצמם. מקלטים מודרניים עוקבים בדרך-כלל אחרי הרבה יותר מארבעה לוויינים בו-זמנית, והמדידות העודפות האלה משפרות את הדיוק — ריבוי-לוויינים פרוש בשמיים, ולא מקובץ באזור אחד, משמש כדוגמה לגורם שמשפר את חישוב המיקום.
מגבלות: מנהרות, קניונים עירוניים, ולמה יש GPS/INS
הדיוק הזה תלוי בקו-ראייה נקי אל הלוויינים. בין גורדי-שחקים צפופים — מה שמכונה "קניון עירוני" — האות מתנגש בקירות ומוחזר אליהם בדרכים עקיפות, תופעה שנקראת "ריבוי-נתיבים" (Multipath), ובמקביל חלק מהלוויינים נחסמים לגמרי מקו-הראייה, כך שנותרות פחות מדידות תקינות למקלט. בתוך מנהרה או מרתף האות אינו מגיע כלל. בגלל המגבלות האלה, מערכות-ניווט מתקדמות משלבות ל-GPS חיישן נוסף — לרוב מצפן או מערכת-ניווט אינרציאלית (INS) — שממשיכה לספק הערכת-מיקום גם ברגעים שבהם האות הלוויני נחלש או נעלם כליל, שילוב המוכר כהיתוך-חיישנים.