ग्लोबल पोजिशनिंग (GPS) म्हणजे काय रे भाऊ?

मागच्या आठवड्यात फेसबुकवर मोबाइलवरून एक स्टेटस पोस्ट केला, त्यावेळी मोबाइलवर लोकेशन शेअर करणारा संकेत ऑन होता त्यामुळे पोस्ट कुठून केली हेही बहुतेक प्रकाशित झाले. नेमका त्यावेळी माझा एक जुना मित्र चेन्नैत आला होता. त्याने ती पोस्ट आणि लोकेशन वाचून, लगेच फोन करून तोही चेन्नैतच आहे असे सांगून भेटायचे ठरवले आणि बर्‍याच वर्षांनी आमची भेट झाली. त्याच्या हॉटेलवर जाण्यासाठी मोबाइलवर ए-जीपीएस (A-GPS) प्रणाली वापरून रस्ता शोधला. मागच्या महिन्यात गोव्यात फिरतानाही ए-जीपीएसचा (A-GPS) भरपूर वापर केला होता. एके काळी लष्कराच्या अधिकारात आणि ताब्यात असलेले हे तंत्रज्ञान सर्वसामान्यांसाठी खुले होऊन त्याचा दैनंदिन जीवनातही वापर प्रभावीपणे सुरू झाला आहे. पण जीपीएस (GPS) म्हणजे नेमके काय? हा प्रश्न पडणे गैरलागू नाही; कारण प्रश्न पडले तरच उत्तरे मिळतात.

तर चला, जीपीएस (GPS) म्हणजे काय ह्या प्रश्नाचे उत्तर शोधूयात...

ह्या जीपीएस (GPS) ची मुहूर्तमेढ रशियाने स्पुटनिक हा मानवनिर्मित उपग्रह अवकाशात सोडल्यापासून रोवली गेली. स्पुटनिकमुळे अवकाशाचा अभ्यास, वातावरणाचा पृथ्वीवर होणारा परिणाम याचा अभ्यास असे अनेक उपयोग त्यावेळी होणार होते. पण अमेरिकेत त्याने गदारोळ उडाला आणि त्यातून पुढे अवकाश युगाच्या स्पर्धेची सुरुवात झाली. अमेरिका आणि रशियाच्या शीतयुद्धामुळे ह्या अवकाशात सोडलेल्या उपग्रहांना एक वेगळेच परिमाण त्यावेळी मिळाले आणि त्यांचा उपयोग लष्करी हेरगिरी करण्याची सुपीक कल्पना अमेरिकन लष्कर अधिकार्‍यांच्या डोक्यात आली. कदाचित रशियाने सोडलेला उपग्रह त्याचसाठी असावा अशी अमेरिकेला भिती वाटत असावी. त्या अनुषंगाने संशोधन झाल्यावर ‘सॅटेलाईट नॅव्हिगेशन’ ह्या तंत्रज्ञानाचा उगम झाला. पृथ्वीच्या भ्रमण कक्षेत उपग्रह सोडून, त्यांनी प्रक्षेपित केलेले संदेश ग्रहण करून पृथ्वीच्या पृष्ठभागावरील भौगोलिक स्थान (geo-spatial) ठरविण्यासाठी, शोधण्यासाठी हे तंत्रज्ञान विकसित केले गेले ते प्रामुख्याने अमेरिकन लष्करी उपयोगाकरिता. हेच सॅटेलाईट नॅव्हिगेशन ठराविक क्षेत्रापुरते मर्यादित न ठेवता जर अखंड पृथ्वीवरील कोणत्याही भौगोलिक क्षेत्राकरिता वापरले गेले तर त्याचे "Global Navigation Satellite System (GNSS)" नामकरण होते. हेच तंत्रज्ञान जीपीएस (GPS) चा पाया आहे.

भूमितीमधील ‘Trilateration’ ह्या संकल्पनेचा प्रत्यक्षात, व्यावहारिक उपयोग (Practical Application) जीपीएस (GPS) मध्ये केला जातो. ह्या भूमितीय संकल्पनेनुसार एखाद्या बिंदूचे स्थान निश्चित करताना त्या बिंदूजवळ असणार्‍या आणखी कमीत कमी तीन बिंदूच्या भोवती वर्तुळ काढून, त्या बिंदूंमध्ये असणारे सापेक्ष अंतर लक्षात घेऊन स्थान निश्चिती करता येते. ह्यालाच Trilateration किंवा त्रिबिंदूभेद (श्रेयअव्हेर: राजेश घासकडवी) असे म्हणतात.

आता हे सर्व वाचल्यावर, काही ओ की ठो न कळल्याने, ‘ओ मेरी प्यारी बिंदू, बिंदू रे बिंदू... मेरी नैया पार लगादे’ हे गाणे म्हणावेसे वाटायला लागले ना. माझेही तसेच झाले होते. ठीक आहे, जरा उदाहरण घेऊन बघूयात म्हणजे आपली नैया पार होईल.

समजा तुम्ही एके ठिकाणी उभे आहात आणि तुम्हाला अजिबात कळत नाहीयेय की तुम्ही कुठे आहात. त्यामुळे तुम्ही कोणाला तरी विचारता की बाबा रे हे ठिकाण कोणते. तो म्हणतो की हे ठिकाण मुंबईपासून 150 किमी अंतरावर असलेले एक ठिकाण आहे. आता आली का पंचाईत, बाजूच्या आकृतीत दाखवल्या प्रमाणे हे ठिकाण त्या वर्तुळाच्या परिघावर नेमके कुठे आणि कोणते ते कसे कळणार?

मग तुम्ही दुसर्‍या कोणाला तरी विचारता. तो म्हणतो हे ठिकाण नाशिकपासून 210 किमी अंतरावर असलेले एक ठिकाण आहे. त्यानुसार 210 किमी त्रिज्या असलेलं अजून एक वर्तुळ काढूयात. आता जरा जीवात जीव येतोय, बाजूच्या आकृतीत दाखवल्या प्रमाणे आता हे ठिकाण ह्या दोन वर्तुळांच्या एकमेकांना छेद देणार्‍या दोन बिंदूंपैकी एक आहे हे कळले.

त्या नंतर तुम्ही तिसर्‍या माणसाला विचारता. तो म्हणतो हे ठिकाण सातार्‍या पासून 105 किमी अंतरावर असलेले एक ठिकाण आहे.

त्यानुसार 105 कि.मी. त्रिज्या असलेलं अजुन एक वर्तुळ काढूयात. बस्स, आता ह्या बाजूच्या आकृतीत दाखविल्याप्रमाणे तिन्ही वर्तुळे छेद जाणारा बिंदू म्हणजे आपल्याला हवे असलेले ठिकाण म्हणजे, पुणे आहे हे निश्चित करता येते. (तसेही त्या माणसांनी दिलेल्या तिरकस उत्तरांवरून चाणाक्ष वाचकांनी हे ठिकाण आधीच ओळखले असणार म्हणा! ) तर हे तीन बिंदू आणि त्यांच्या भोवती काढलेली वर्तुळे हे सर्व भूमितीमधील ‘Trilateration’ संकल्पना.

वर दर्शविलेली ही वर्तुळे सॅटेलाइट्स च्या साहाय्याने अशी खालच्या चित्रात दर्शविल्याप्रमाणे कॅलक्युलेट केली जातात. हे द्विमीतीय असले तरी प्रत्यक्षात ते कॅल्क्युलेशन त्रिमितीय असते. रिसीव्हर प्रथम एका सॅटेलाईटकडून संदेश मिळवतो. तो सॅटेलाईट समजा 150 किमी दूर आहे. मग रिसीव्हर 150 कि. मी. चे एक वर्तुळ कॅलक्युलेट करतो. त्यानंतर तो दुसर्‍या सॅटेलाईट कडून संदेश मिळवतो. तो सॅटेलाईट समजा 210 किमी दूर आहे. मग रिसीव्हर 210 कि. मी. चे एक वर्तुळ कॅलक्युलेट करतो. त्यानंतर तिसर्‍या सॅटेलाईट कडून संदेश मिळवतो. तो सॅटेलाईट समजा 105 किमी दूर आहे. मग रिसीव्हर 105 कि. मी. चे एक वर्तुळ कॅलक्युलेट करतो. आता ह्या तिन्ही वर्तुळे जिथे एकत्र छेद देतील तिथले अक्षांश आणि रेखांश घेऊन त्याने स्थान निश्चिती केली जाते.

याच संकल्पनेचा उपयोग करुन जीपीएस (GPS) रिसीव्हर आपल्याला मदत करतो. त्यासाठी त्याला दोन गोष्टी माहिती असाव्या लागतात.

1. संदेश प्रक्षेपित करणार्‍या सॅटेलाईटचे अवकाशातील स्थान
2. त्याचे स्वतःचे, संदेश प्रक्षेपित करणार्‍या सॅटेलाईट पर्यंतचे अंतर

आता “याहूSSSS” हे गाणे म्हणावेसे वाटायला लागले ना? थांबा जरा. हे सगळे समजायला सोपे झाले किंवा करून घेतले. पण प्रत्यक्षात ते एवढे सोपे नसते. सॅटेलाईटपासून स्वतःचे अंतर मोजायला रिसीव्हरला प्रत्येक सॅटेलाईटची भ्रमणकक्षा माहिती असावी लागते. त्यांचे भ्रमण कॅलेंडर त्याला स्टोअर करून ठेवायला लागते. सूर्य आणि चंद्र यांच्या आकर्षणामुळे सॅटेलाईटच्या भ्रमणकक्षेत किंचित बदल होऊ शकतो. त्या किंचित बदलामुळे स्थान निश्चिती मध्ये चूक होऊ शकते. तसे होऊ नये म्हणून सॅटेलाईटकडून मिळालेल्या संदेशांमधून त्या बदलाची माहिती डीकोड करून त्यानुसार अंतर कॅलक्युलेट केले जाते. त्याशिवाय वेळ ही एक किचकट भानगडही असते. प्रत्येक सॅटेलाईटची वेळ इतर सॅटेलाईट्स बरोबर सिंक्रोनाइज्ड असते, त्यासाठी त्या सर्व सॅटेलाईट्स मध्ये ‘ऍटॉमिक क्लॉक’ वापरलेले असते. पण ते क्लॉक रिसीव्हर मध्ये ठेवणे परवडणारे नसते. पण जर रिसीव्हर सॅटेलाईट्सच्या वेळेबरोबर सिंक्रोनाइज्ड नसेल तर अचूक स्थान निश्चिती करता येणार नाही. त्यासाठी रिसीव्हरमध्ये ‘क्वार्ट्झ क्लॉक’ वापरले जाते. ते प्रत्येक ‘क्लॉक टीक’ बरोबर त्याची वेळ रिसेट करते आणि सॅटेलाईटकडून मिळालेल्या संदेशांमधून मिळालेल्या ‘टाइम वॅल्यु’ वरून रिसीव्हर योग्य वेळ ठरवतो.

हे सगळे अविरत चालू असावे लागते. त्यासाठी बरीच आकडेमोड ह्या रिसीव्हरला करावी लागते. बरेच CPU सायकल्स त्यासाठी खर्च होतात. त्यामुळे मोबाइल मधल्या GPS रिसीव्हरमध्ये AGPS म्हणजे Assisted GPS वापरले जाते. मोबाइलमधल्या मर्यादित मेमरी, बॅटरी आणि गणनशक्तीमुळे ही सगळी आकडेमोड सर्व्हरवर केली जाऊन योग्य ते अक्षांश आणि रेखांश मोबाइलमधल्या रिसीव्हरला परत पाठवले जातात. त्यांचा वापर करून मोबाइलमधले मॅप्स ऍप मॅपवर आपली लोकेशन दाखवते.

आजच्या घडीला ह्या Global Navigation Satellite System आणि Trilateration यांच्या साहाय्याने दोनच यंत्रणा पूर्णपणे कार्यरत आहेत.
1. अकेरिकेची GPS यंत्रणा आणि 2. रशियाची GLONASS यंत्रणा

अमेरिकेची GPS यंत्रणा

अमेरिका ह्या यंत्रणेसाठी 24 सॅटेलाईट्स वापरते. कुठल्याही एका वेळी त्यातले तीन सॅटेलाईट्स पृथ्वीच्या कुठल्याही भागावर असतील अशी त्यांची भ्रमणकक्षा ठरवलेली केलेली असते. ही यंत्रणा सुरुवातीला फक्त लष्करासाठीच वापरली जायची, प्रामुख्याने हेरगिरीसाठी. पण तिचा काही भाग सरकारने सार्वजनिक उपयोगासाठी खुला केल्यापासून दैनंदिन जीवनात त्याचा किफायतशीर उपयोग सुरू झाला.

रशियाची GLONASS (Gobalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) यंत्रणा

ह्यासाठी रशियानेही 24 सॅटेलाईट्स असलेलीच यंत्रणा उभी केली आहे, अमेरिकेच्या GPS ला उत्तर म्हणून. मध्यंतरी सोव्हियत रशियाच्या पडझडीनंतर ह्या यंत्रणेचे काम ठप्प झाले होते. पण पुतिन यांनी त्यावर लक्ष केंद्रित करून आणि रग्गड पैसा ह्या प्रकल्पाला पुरवून 2011 मध्ये सर्व 24 सॅटेलाईट्स कार्यान्वयित होतील याची काळजी घेतली आहे. त्यामुळे 2011 पासून बर्‍याच मोबाइल बनविणार्‍या कंपन्यांनी GPS बरोबर GLONASS सिग्नल्स रिसीव्हींगची क्षमता असलेले रिसीव्हर्स मोबाइलमध्ये अंतर्भूत करायला सुरुवात केली आहे. सॅमसंग नोट, सॅमसंग गॅलॅक्सी 3 आणि आयफोन 5 ह्या फोन मध्ये ही सुविधा पुरवलेली आहे.

युरोपियन युनियनची Galileo यंत्रणा

अमेरिका आणि रशिया यांचे त्यांच्या सार्वजनिक असलेल्या यंत्रणांवर पूर्णं नियंत्रण असल्याने युद्धकाळात किंवा आणीबाणीच्या काळात ते त्यांची सेवा बंद करू शकतात. आणि लष्करी वापरासाठी जबर किंमत मोजूनही युद्धकाळात किंवा आणीबाणीच्या काळात त्यांच्या त्या यंत्रणांवर अवलंबून राहणे ही एक मोठी जोखीम आहे हे युरोप युनियनने ओळखले आणि त्यामुळे त्या यंत्रणांपासून स्वतंत्र अशी ही गॅलिलिओ यंत्रणा उभारण्याचा निर्णय 2003 मध्ये घेतला. 2006 मध्ये चीनही ह्या प्रकल्पात सहभागी झाला. पण बर्‍याच वेळा, वाढत जाणार्‍या खर्चामुळे त्या खर्चाचा भार युनियनमधल्या देशांनी कसा उचलायचा यावरून बरेच गोंधळ झाला आणि अजूनही आहे. एकूण 30 सॅटेलाईट्स असलेली ही यंत्रणा 2019 मध्ये पूर्णपणे कार्यान्वयित होणे अपेक्षित आहे. आतापर्यंत ह्या यंत्रणेची चार सॅटेलाईट्स त्यांच्या भ्रमणकक्षेत सोडली गेली आहेत.

चीनची कंपास (बैदू 2) यंत्रणा

युरोपियन युनियनच्या कटकटींना वैतागून चीनने त्यांच्या बैदू 1 ह्या स्थानिक यंत्रणेत सुधारणा करून स्वतंत्र ग्लोबल यंत्रणा उभारायचा निर्णय घेतला आणि कंपास हा प्रकल्प हाती घेतला. 35 सॅटेलाईट्सचा वापर ह्या यंत्रणेत केला जाणार आहे. त्यापैकी 10 सॅटेलाईट्सचा लॉंच करून झालेली आहेत. ह्यावरून चीनचा ह्यातला झपाटा दिसून येतो. 2020 पर्यंत सर्व सॅटेलाईट्सचा लॉंच करून हा प्रकल्प पूर्ण करण्याची चीनची योजना आहे.

भारताची Indian Regional Navigational Satellite System (IRNSS) यंत्रणा

अभिमानाची बाब अशी की ह्या सर्व दिग्गज देशांच्या पंक्तीत भारत ही असणार आहे. सात सॅटेलाईट्स असलेली ही यंत्रणा फक्त भारत आणि भारतीय उपखंडावर लक्ष केंद्रित करणार आहे. इस्रो च्या पुढाकाराने आकारास येणार्‍या ह्या सरकारी यंत्रणेचा वापर नागरी आणि लष्करी ह्या दोन्ही कामांकरिता केला जाणार आहे. 2014 पर्यंत ही यंत्रणा कार्यान्वयित करण्याची इस्रोची योजना आहे. ह्या यंत्रणेद्वारे खालील चित्रात दाखविलेला भूभाग सॅटेलाईट्सच्या निरीक्षणाखाली असणार आहे.

आता ग्लोबल पोजिशनिंग म्हणजे काय ते कळले का रे भाऊ?

(सर्व चित्रे आंतरजालावरून साभार)