જીપીએસ (GPS) કેવી રીતે કામ કરે છે? અંતરિક્ષમાંથી તમારી ચોક્કસ જગ્યા શોધતી ટેકનોલોજીનું વિજ્ઞાન

આજે આપણે જ્યારે પણ કોઈ અજાણ્યા રસ્તે જઈએ છીએ ત્યારે સ્માર્ટફોનમાં મેપ્સ ચાલુ કરીએ છીએ અને પળવારમાં આપણને આપણું ચોક્કસ લોકેશન મળી જાય છે. આ જાદુ જેવી લાગતી ટેકનોલોજી પાછળ ગ્લોબલ પોઝિશનિંગ સિસ્ટમ એટલે કે GPS કામ કરે છે. જીપીએસ એ એક ગ્લોબલ નેવિગેશન સેટેલાઇટ સિસ્ટમ (GNSS) છે, જે પૃથ્વી પર અથવા તેની નજીક રહેલા કોઈપણ જીપીએસ રિસીવરને તેની ભૌગોલિક સ્થિતિ અને સમયની માહિતી પૂરી પાડે છે. આ સિસ્ટમની માલિકી યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સ સ્પેસ ફોર્સ પાસે છે અને તેનું સંચાલન મિશન ડેલ્ટા ૩૧ (Mission Delta 31) દ્વારા કરવામાં આવે છે.

જીપીએસની સૌથી મોટી ખાસિયત એ છે કે તેનો ઉપયોગ કરવા માટે વપરાશકર્તાએ કોઈ ડેટા ટ્રાન્સમિટ કરવાની જરૂર પડતી નથી. તે ટેલિફોન કે ઇન્ટરનેટ રિસેપ્શન વગર પણ સ્વતંત્ર રીતે કામ કરી શકે છે, જોકે આ ટેકનોલોજીઓ તેની ચોકસાઈ વધારવામાં મદદ કરી શકે છે. અમેરિકાની સરકારે આ સિસ્ટમ બનાવી છે અને તે જ તેનું નિયંત્રણ કરે છે, તેમ છતાં તે વિશ્વના કોઈપણ વ્યક્તિ માટે મફતમાં ઉપલબ્ધ છે. લશ્કરી, નાગરિક અને વ્યાપારી હેતુઓ માટે તે આજે અનિવાર્ય બની ગઈ છે.

જીપીએસનો પ્રોજેક્ટ ૧૯૭૩માં અમેરિકાના સંરક્ષણ વિભાગ (Department of Defense) દ્વારા શરૂ કરવામાં આવ્યો હતો. તેનો મુખ્ય ઉદ્દેશ્ય અગાઉની નેવિગેશન સિસ્ટમ્સની મર્યાદાઓને દૂર કરવાનો હતો. ૧૯૭૮માં પ્રથમ પ્રોટોટાઇપ અવકાશયાન લોન્ચ કરવામાં આવ્યું હતું અને ૧૯૯૩ સુધીમાં ૨૪ સેટેલાઇટનું સંપૂર્ણ જૂથ કાર્યરત થઈ ગયું હતું. શરૂઆતમાં આ ટેકનોલોજી માત્ર લશ્કરી હેતુઓ માટે જ હતી, પરંતુ ૧૯૮૩માં કોરિયન એર લાઇન્સની ફ્લાઇટ ૦૦૭ ભૂલથી સોવિયેત એરસ્પેસમાં ઘૂસી જતાં તેને તોડી પાડવામાં આવી હતી. આ દુર્ઘટના પછી પ્રમુખ રોનાલ્ડ રીગને જીપીએસને નાગરિક વપરાશ માટે ખુલ્લું મૂકવાની જાહેરાત કરી હતી.

જીપીએસ કેવી રીતે કામ કરે છે તે સમજવા માટે આપણે તેના ઇતિહાસ અને વિજ્ઞાનમાં ઊંડા ઉતરવું પડે. આ સિસ્ટમ હાયપરબોલિક નેવિગેશન (hyperbolic navigation) ના સિદ્ધાંત પર આધારિત છે. જ્યારે સોવિયેત યુનિયને ૧૯૫૭માં પ્રથમ કૃત્રિમ ઉપગ્રહ સ્પુતનિક ૧ (Sputnik 1) લોન્ચ કર્યો, ત્યારે અમેરિકન ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ વિલિયમ ગિયર અને જ્યોર્જ વેઇફેનબેચે જોયું કે ડોપ્લર ઇફેક્ટ (Doppler effect) - એટલે કે તરંગોની આવૃત્તિમાં થતો ફેરફાર - દ્વારા ઉપગ્રહની ભ્રમણકક્ષા જાણી શકાય છે. ત્યારબાદ તેમણે વિચાર્યું કે જો ઉપગ્રહનું સ્થાન ખબર હોય, તો તેના આધારે પૃથ્વી પરના વપરાશકર્તાનું સ્થાન પણ જાણી શકાય છે.

આ વિચારમાંથી ટ્રાન્ઝિટ (TRANSIT) સિસ્ટમ જન્મી, જેનો ૧૯૬૦માં સફળતાપૂર્વક ટેસ્ટ કરવામાં આવ્યો હતો. ત્યારબાદ ૧૯૬૭માં ટાઇમેશન (Timation) સેટેલાઇટ વિકસાવવામાં આવ્યો, જેણે સાબિત કર્યું કે અવકાશમાં અત્યંત ચોક્કસ ઘડિયાળો મૂકી શકાય છે. જીપીએસની સફળતા માટે આ એટોમિક ક્લોક (atomic clock) એટલે કે આણ્વિક ઘડિયાળ સૌથી મહત્વનું પાસું છે. આ ઘડિયાળો એટલી ચોક્કસ હોય છે કે તે સેકન્ડના અબજમાં ભાગ સુધીનો સમય માપી શકે છે.

જીપીએસના વિકાસમાં ગ્લેડીસ વેસ્ટ (Gladys West) નામની ગણિતશાસ્ત્રીનું યોગદાન અત્યંત મહત્વનું રહ્યું છે. તેમણે પૃથ્વીનું એક ગાણિતિક જિયોડેટિક અર્થ મોડેલ (geodetic Earth model) તૈયાર કર્યું હતું. આ મોડેલને કારણે જ સેટેલાઇટના સ્થાનને એટલી ચોકસાઈથી શોધી શકાયું જે જીપીએસ માટે જરૂરી હતું. જીપીએસ સિસ્ટમમાં આઈન્સ્ટાઈનના સાપેક્ષવાદના સિદ્ધાંતો (Relativity) પણ લાગુ પડે છે. સામાન્ય સાપેક્ષવાદ મુજબ, પૃથ્વીના ગુરુત્વાકર્ષણથી દૂર અવકાશમાં રહેલી ઘડિયાળો પૃથ્વી પરની ઘડિયાળો કરતા દરરોજ ૩૮ માઇક્રોસેકન્ડ ઝડપી ચાલે છે. જો આ તફાવતને સુધારવામાં ન આવે, તો જીપીએસનું લોકેશન દરરોજ કિલોમીટરો સુધી ખોટું પડી શકે છે.

જ્યારે તમે તમારા ફોનમાં જીપીએસ ચાલુ કરો છો, ત્યારે તમારો ફોન ઓછામાં ઓછા ચાર સેટેલાઇટ પાસેથી સિગ્નલ મેળવે છે. દરેક સેટેલાઇટ સતત પોતાનું સ્થાન અને સિગ્નલ મોકલવાનો ચોક્કસ સમય પ્રસારિત કરે છે. તમારો ફોન આ સિગ્નલ ક્યારે મળ્યું તે સમય નોંધે છે. પ્રકાશની ગતિએ મુસાફરી કરતા આ સિગ્નલને સેટેલાઇટથી તમારા સુધી પહોંચતા કેટલો સમય લાગ્યો, તેના પરથી તમારો ફોન દરેક સેટેલાઇટથી પોતાનું અંતર નક્કી કરે છે. આ પ્રક્રિયાને ટ્રાયલેટરેશન કહેવામાં આવે છે.

શરૂઆતના વર્ષોમાં, અમેરિકી સરકારે સિલેક્ટિવ અવેલેબિલિટી (Selective Availability) નામની પોલિસી હેઠળ નાગરિકો માટેના સિગ્નલને જાણીજોઈને નબળું રાખ્યું હતું. આના કારણે સામાન્ય લોકો માટે જીપીએસની ચોકસાઈ ૧૦૦ મીટર સુધીની જ રહેતી હતી, જ્યારે લશ્કરી રિસીવરો વધુ ચોકસાઈ મેળવી શકતા હતા. જોકે, ગલ્ફ વોર દરમિયાન લશ્કરી જીપીએસ યુનિટ્સની અછતને કારણે સૈનિકોએ નાગરિક યુનિટ્સ વાપરવા પડ્યા હતા, જેના કારણે આ મર્યાદા કામચલાઉ હટાવવી પડી હતી. આખરે ૧ મે, ૨૦૦૦ના રોજ પ્રમુખ બિલ ક્લિન્ટને આ મર્યાદા કાયમી ધોરણે હટાવી દીધી, જેનાથી નાગરિકોને પણ ૫ મીટર સુધીની ચોકસાઈ મળવા લાગી.

આધુનિક સમયમાં જીપીએસ વધુ સચોટ બની રહ્યું છે. જીપીએસ બ્લોક III (GPS Block III) નામના નવા સેટેલાઇટ લોન્ચ કરવામાં આવી રહ્યા છે. માર્ચ ૨૦૨૬ સુધીમાં, ૨૧ જીપીએસ સેટેલાઇટ L5 બેન્ડના સિગ્નલ પ્રસારિત કરી રહ્યા છે. આ L5 સિગ્નલ ૩૦ સેન્ટિમીટર સુધીની ચોકસાઈ આપે છે. એન્જિનિયરિંગ અને જમીન સર્વેક્ષણ જેવા કામોમાં વપરાતા હાઇ-એન્ડ ઉપકરણો તો ૨ સેન્ટિમીટર કે તેનાથી પણ ઓછી ચોકસાઈ આપી શકે છે. સ્માર્ટફોન જેવા ઉપકરણો વાઇ-ફાઇ પોઝિશનિંગ જેવી સહાયક સેવાઓ સાથે ૪.૯ મીટર કે તેથી વધુ સારી ચોકસાઈ આપે છે.

જીપીએસ સિસ્ટમ માત્ર સેટેલાઇટ પર જ નિર્ભર નથી, પરંતુ તેને જમીન પરથી નિયંત્રિત કરવા માટે એક આખું નેટવર્ક કામ કરે છે. નેક્સ્ટ જનરેશન ઓપરેશનલ કંટ્રોલ સિસ્ટમ (OCX) વિકસાવવાનો પ્રયાસ કરવામાં આવ્યો હતો, પરંતુ એપ્રિલ ૨૦૨૬માં આ પ્રોજેક્ટ રદ કરવામાં આવ્યો હતો. તેમ છતાં, હાલની સિસ્ટમ સતત અપડેટ થતી રહે છે. આયનોસ્ફિયર (ionosphere) એટલે કે વાતાવરણના ઉપરના સ્તરમાં રેડિયો તરંગો વળાંક લેતા હોય છે, જેને સુધારવા માટે ક્લોબુચર મોડેલ (Klobuchar model) જેવી ગાણિતિક પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.

જીપીએસના વિકાસ પાછળ અબજો ડોલરનો ખર્ચ થયો છે. ૧૯૯૪ સુધીમાં આ પ્રોજેક્ટનો કુલ ખર્ચ અંદાજે $૫ અબજ થયો હતો, જે ૨૦૨૫ના મૂલ્ય મુજબ લગભગ $૧૧ અબજ જેટલો થાય છે. આટલો મોટો ખર્ચ માત્ર નેવિગેશન માટે નહીં, પરંતુ શીત યુદ્ધ (Cold War) દરમિયાન પરમાણુ પ્રતિરોધક શક્તિ વધારવા માટે કરવામાં આવ્યો હતો. સબમરીનમાંથી લોન્ચ કરવામાં આવતી મિસાઇલોનું ચોક્કસ સ્થાન જાણવું અમેરિકા માટે વ્યૂહાત્મક રીતે જરૂરી હતું.

આજે જીપીએસ માત્ર રસ્તો શોધવા માટે જ નહીં, પણ ખેતી, બેંકિંગ (સમયના સિંક્રનાઇઝેશન માટે), અને આપત્તિ વ્યવસ્થાપન માટે પણ અનિવાર્ય છે. ભારત અને અન્ય દેશો પણ હવે પોતાની સ્વતંત્ર નેવિગેશન સિસ્ટમ્સ વિકસાવી રહ્યા છે, પરંતુ જીપીએસ હજુ પણ વિશ્વની સૌથી લોકપ્રિય અને વિશ્વસનીય સિસ્ટમ બની રહી છે. ૨૦૨૭ સુધીમાં જ્યારે તમામ ૨૪ સેટેલાઇટ L5 સિગ્નલ આપતા થઈ જશે, ત્યારે તેની ચોકસાઈમાં હજુ મોટો ઉછાળો આવશે.