प्रस्तावना

कधीकाळी, काही फार वर्षांपूर्वी नाही, एखादे नवीन ठिकाण शोधायचे म्हणजे, रस्त्यावर कोणालातरी विचारावे लागायचे. मग त्यांच्या हातवाऱ्याइतकेच त्यांच्या आत्मविश्वासाचेही वाचन करावे लागायचे. कारण तुम्हाला माहीतच आहे. लोकांना तुम्हाला भलत्या दिशेला पाठवणे चालते पण “माहित नाही” म्हणणे चालत नाही. आपण पण नेमके अशाच व्यक्तीला पत्ता विचारतो जो कि त्या भागात आपल्या इतकाच नवीन असतो. असो, ते दिवस आता इतिहासजमा झाले आहेत.

आज तुम्हाला कोणाला विचारायची गरज नाही. तुम्ही फक्त मोबाईलकडे नजर टाकता, आणि मग गुगली (मी गमतीनं तिला गुगली [गुगल ची गुगली] म्हणतो) आपल्या शांत डिजिटल आवाजात  तुम्हाला नेमके कुठे वळायचे, किती अंतरावर वळण आहे, सगळे सांगत राहते. तुम्ही एखादे वळण चुकलात तरी ती रागावत नाही; शांतपणे नवा मार्ग सुचवते

हे इतके सहज वाटते. पण त्या आवाजामागे आणि मोबाईलवरील चालणाऱ्या निळ्या ठिपक्यामागे मानवजातीने उभे केलेले एक अचूक आणि असामान्य तंत्रज्ञान लपलेले आहे — GNSS (Global Navigation Satellite Network).  ह्यालाच आपण बोलचालीत GPS म्हणतो, पण ते तत्वत: बरोबर नाही, हे तुम्हाला पुढे वाचताना समजेलच. दररोज अब्जावधी लोक हे GNSS वर आकाशातुन कसे काम करते हे न जाणता वापरतात.

या लेखात, आपण Google Maps च्या त्या परिचित स्क्रीनच्या मागे डोकावून पाहू आणि हे GNSS कसे काम करते ते समजून घेऊ.

GNSS कसे काम करते — निळ्या ठिपक्यामागचे तंत्र

GNSS म्हणजे काय हे सोप्या भाषेत सांगायचे तर, ही एक जागतिक पातळीवरील यंत्रणा आहे जी अवकाशातून उपग्रहांनी पाठवलेल्या सिग्नल्सचा वापर करून पृथ्वीवरील कोणत्याही रिसिव्हरला “तू कुठे आहेस” हे सांगते.

या सर्व प्रणालींना एकत्रितपणे GNSS — Global Navigation Satellite Systems म्हटले जाते. भिन्न देश आपापली स्वतंत्र उपग्रहसमूह चालवतात, पण मूलभूत रचना मात्र सारखीच असते.

GNSS चे तीन मुख्य घटक

GNSS चे तीन मुख्य घटक खालिल प्रमाणे आहेत:

1. अंतराळ विभाग (Space Segment): पृथ्वीभोवती फिरणारी अत्यंत अचूक अणुवैज्ञानिक घड्याळे असलेली उपग्रहं जी सतत वेळ व त्यांची त्या वेळेची स्थिती, ही माहिती प्रसारित करतात.
2. नियंत्रण विभाग (Ground Control Segment): जमिनीवरील केंद्रे, जी उपग्रहांवर नजर ठेवतात, त्यांचे घड्याळ दुरुस्त करतात, कक्षा अद्ययावत करतात आणि संपूर्ण प्रणाली निरोगी राखतात.
3. वापरकर्ता विभाग (User Segment): तुमचा स्मार्टफोन, गाडीतील नेव्हिगेटर, स्मार्टवॉच, सर्व्हे उपकरणे, ड्रोन, जहाजे, विमाने — जी ही सिग्नल्स पकडून तुमचे स्थान निश्चित करतात.

हे तिन्ही घटक सुरळीतपणे एकत्र काम केले की तुमच्या स्क्रीनवरील निळा ठिपका नेमक्या जागेवर दिसतो.

जगभरातील GNSS प्रणाली

क्र.	प्रणाली	मालकी	कव्हरेज	टिपण्णी
1	GPS	अमेरिका	जागतिक	शीतयुद्धाच्या काळात विकसित; 1983 नंतर नागरी वापरासाठी खुले.
2	GLONASS	रशिया	जागतिक	सोव्हिएत काळातील GPS पर्याय; 2000 नंतर पुनरुज्जीवन.
3	Galileo	युरोपियन युनियन	जागतिक	नागरी नियंत्रणासाठी निर्मित; उच्च अचूकता.
4	BeiDou	चीन	जागतिक	धोरणात्मक स्वावलंबनासाठी; 2010 नंतर जलद विस्तार.
5	NavIC	भारत	प्रादेशिक (आशियात विस्तार)	कारगिलनंतर परावलंबित्व जाणवल्याने विकसित.

 

स्थान कसे निश्चित केले जाते

हे सगळे थोडे कठीण वाटणे स्वाभाविक आहे — तसे वाटले पाहिजेही. पण यामागची मूलभूत कल्पना अगदी हायस्कूलच्या भूमितीतून आली आहे. दोन ज्ञात बिंदू आणि त्यांच्या ठराविक अंतरावर असलेला तिसरा बिंदू कसा शोधत होतो आठवतेय? कंपासने दोन कंस काढायचे, आणि जिथे ते छेदतात तिथे तिसरा बिंदू मिळत असे.

GNSS पण तसेच काम करते, पण इथे सगळे त्रिमितीत (3D) घडते. दोन नव्हे, तीन ज्ञात बिंदू — म्हणजे तीन उपग्रह — आवश्यक असतात. प्रत्येक उपग्रह एक ज्ञात बिंदू आहे आणि त्या उपग्रहापासून तुमचे अंतर हे वर्तुळ नसून गोल (sphere) तयार करते. अशा अनेक गोलांच्या छेदातून तुमचे स्थान मिळते.

तुमची जागा आणि वेळ दोन्ही शोधण्यासाठी किमान चार उपग्रहांची गरज असते. तीन उपग्रह जागा सांगतात, पण चौथा उपग्रह तुमच्या फोनचे घड्याळ अचूक करतो — कारण फोनमधील घड्याळे उपग्रहांवरील अणुवैज्ञानिक घड्याळांइतकी अचूक नसतात.

आणि तुमच्या आजूबाजूला पाच, दहा किंवा जास्त उपग्रह दिसत असतील तर अजून छान — अधिक उपग्रह म्हणजे अधिक खात्री आणि जास्त अचूकता.

हे अगदी भूमितीच आहे — फक्त कंपासच्या जागी प्रकाशाच्या वेगाने प्रवास करणारी रेडिओ तरंगलहरी आल्या आहेत, आणि रेखाटन वही च्या जागी अंतराळ.

वेळ अंतर कशी बनते

आत्तापर्यंतचे स्पष्ट असेल, तर आता एक पायरी खोलात जाऊ.

शाळेच्या भूमितीत कागदावर मोजपट्टी ठेवून आपण अंतर मोजायचो. पण इथे बिंदू म्हणजे हजारो किलोमीटर वरचा उपग्रह आणि पृथ्वीवरील तुम्ही. मग इतक्या लांबचे अंतर मोजण्यासाठी ‘मोजपट्टी’ कुठून आणायची?

इथंच हे शालेय सूत्र मदतीला येते:

अंतर = वेग × वेळ

GNSS मधील गणित या सोप्या सुत्रावर आधारलेले आहे — सिग्नल जितका दूरून येतो, तितका जास्त वेळ लागतो. उपग्रह सिग्नल पाठवतानाच त्यावर वेळ लिहून पाठवतो; तुमचा रिसिव्हर तो सिग्नल येऊन पोहोचलेली वेळ नोंदवतो. या दोन वेळांमधील अतिशय सूक्ष्म फरक प्रकाशाच्या वेगाने गुणला की हजारो किलोमीटरचे अंतरही अचूक मोजता येते.

सिग्नलला जर हजारावा भाग सेकंद लागला, तर उपग्रह साधारण ३०० किलोमीटर दूर असणार. प्रकाश एका नॅनोसेकंदात ३० सेंटीमीटर धावतो, त्यामुळे वेळेतली एक मायक्रोसेकंदाची चूक सुद्धा स्थान निश्चिती मध्ये शेकडो मीटरची चूक घडवून आणू शकते. म्हणूनच GNSS उपग्रहांवर अणुवैज्ञानिक घड्याळे (atomic clocks) बसवलेले असतात — जे काही अब्जांश सेकंदांच्या अचूकतेने चालतात.

तुमच्या फोनला अणुवैज्ञानिक घड्याळाची गरज नसते. चार किंवा अधिक उपग्रहांचे संकेत मिळाले की तुमचा फोन त्यांच्या अचूक वेळेचा वापर करून स्वतःचे घड्याळ अचूक करतो आणि त्याच वेळी तुमचे स्थानही मोजतो. GNSS म्हणजे एकाच वेळी तुम्ही कुठे आहात आणि नेमकी वेळ काय आहे हे दोन्ही शोधण्याची प्रक्रिया आहे.

तुमच्या फोनचे घड्याळ अचूक असावे यावर GNSS अवलंबून नसतो — उलट, उपग्रहांवरील अणुवैज्ञानिक घड्याळाच्या मदतीने तो तुमच्या फोनचे घड्याळच अचूक ठेवतो.

GNSS उपग्रह 20,200 किमी उंचीवरच का?

अंतर मोजण्याची पद्धत समजली की पुढचा प्रश्न लगेच निर्माण होतो: हे उपग्रह नेमके कुठे ठेवायचे? खूप वर? की खूप खाली? यामागे पण विज्ञान आहे आणि ते खूपच सुरस आहे.

GNSS उपग्रह साधारण 20,200 किलोमीटर उंचीवर फिरतात. ही उंची अंदाजाने निवडलेली नाही — भौतिकशास्त्र, कव्हरेज आणि अचूकता यांचा उत्तम मेळ साधून हा सुवर्णमध्य साधला आहे. या उंचीवरून प्रत्येक उपग्रह पृथ्वीचा जवळजवळ अर्धा भाग पाहू शकतो. कव्हरेज मोठे, सिग्नल मजबूत आणि वेळ अत्यंत अचूक — म्हणजेच दिक्चालना (navigation) साठी परिपूर्ण.

हे समजून घेण्यासाठी इतर प्रकारच्या उपग्रहांशी तुलना करून पाहूया:

क्र.	कक्षा प्रकार	उंची (किमी)	उद्देश	ही उंची योग्य का?
1	निम्न पृथ्वी कक्षा (Low Earth Orbit)	400–1,000	सुदूर संवेदन (Remote Sensing)	पृथ्वीच्या जवळ → अतिशय स्पष्ट चित्रे, वारंवार पाहणी.
2	मध्यम पृथ्वी कक्षा (Middle Earth Orbit)	~20,000	GNSS	कव्हरेज आणि अचूकतेचा उत्तम समतोल → मोठा भाग दिसतो आणि वेळही अत्यंत अचूक मोजता येते.
3	भूस्थिर कक्षा (geostationary Orbit)	~36,000	कम्युनिकेशन, हवामान निरीक्षण	अवकाशात स्थिर दिसतो → टीव्ही, इंटरनेट आणि अखंड हवामान निरीक्षणासाठी परिपूर्ण.

 

GNSS चे अर्थशास्त्र

उपग्रह-दिक्चालन तंत्रज्ञानाची ठिणगी नकळत पेटवणारा देश होता सोविएत युनियन. 1957 मध्ये स्पुटनिकचे प्रक्षेपण झाले तेव्हा वैज्ञानिकांना लक्षात आले की त्याच्या रेडिओ सिग्नलमधील डॉप्लर शिफ्ट पाहून उपग्रहाचे स्थान मोजता येते — आणि उलटही शक्य आहे: उपग्रहाची जागा माहीत असेल तर पृथ्वीवरील आपली जागाही शोधता येते. याच शोधातून आधुनिक GNSS प्रणालीचा पाया घातला गेला.

1970 च्या दशकात अमेरिकेच्या संरक्षण विभागाने संपूर्ण उपग्रह-समूह उभारला, जेणेकरून जगभरात कुठेही विमानं, पाणबुड्या, क्षेपणास्त्रे आणि सैनिकांची अचूक जागा कळू शकेल.

1983 मध्ये झालेल्या दुर्दैवी विमान दुर्घटनेनंतर (KAL 007) अमेरिकेने GPS जगभर नागरी वापरासाठी खुला केला. जगाने तो झपाट्याने स्वीकारला. पण याच वेळी वस्तुस्थितीचे आकलन झाले — जागतिक दिक्चालन जर एका देशाच्या ताब्यात असेल, तर तो कधीही सेवा बंद किंवा मर्यादित करू शकतो. म्हणूनच अनेक देशांनी स्वावलंबन, सुरक्षा आणि तांत्रिक नेतृत्व लक्षात घेऊन स्वतःच्या प्रणाली तयार करण्यास सुरुवात केली.

GNSS चे अर्थशास्त्र त्याच्या खर्चातून सुरू होते: उपग्रह तयार करणे, त्यांना अवकाशात कक्षेत ठेवणे, जमिनीवरील नियंत्रण प्रणाली चालवणे — हे सर्व अत्यंत खर्चिक आहे. पण त्याचा परतावा प्रचंड आहे — GNSS शांतपणे जगातील लॉजिस्टिक्स, दूरसंचार, विमानवाहतूक, शेती, बँकिंग व्यवहार आणि आपत्कालीन व्यवस्थापन चालवते.

सहजच प्रश्न पडतो: आपण GPS वापरतो, तर त्याचे पैसे कोण देतो? अमेरिका भारतासह इतर देशांकडून शुल्क आकारते का?

उत्तर आहे — नाही. GPS नागरी वापरासाठी नेहमीच मोफत राहिला आहे.

अमेरिका ही सेवा मोफत देते कारण त्यामुळे GPS चा जगभर प्रसार होतो, असंख्य देश त्यावर अवलंबून राहतात आणि या तंत्रज्ञानाचे फायदे — उद्योग, संरक्षण सहकार्य, तांत्रिक नेतृत्व — परत अमेरिकेलाच मिळतात. म्हणजे: आपल्यासाठी मोफत, पण अमेरिकेसाठी रणनीतीदृष्ट्या अमूल्य.

खर्च कसा बदलत गेला

सुरुवातीचे GNSS उपग्रह प्रचंड मोठे, अत्यंत महाग आणि एकावेळी एकच प्रक्षेपित होणारे होते. आजचे उपग्रह हलके, स्वस्त, ऊर्जा कुशल असून अनेकदा एकत्रितपणे पाठवले जातात.

देखभालही आता अधिक प्रगत आहे. ग्राउंड स्टेशन सतत उपग्रहांची घड्याळे दुरुस्त करतात, कक्षा अद्ययावत करतात, आरोग्य तपासतात, जुने उपग्रह बदलतात, कंट्रोल सॉफ्टवेअर अपग्रेड करतात आणि जागतिक अँटेना नेटवर्क सुरळीत चालवत ठेवतात. यातील बराच भाग आता स्वयंचलित झाला आहे. आज अब्जावधी मोबाईल, गाड्या, IoT उपकरणे GNSS वापरतात — त्यामुळे हे एकेकाळी ‘हाय-टेक’ मानले जाणारे उपग्रह आता आपल्या दैनंदिन जगण्याचा भाग बनले आहेत.

GNSS ची सुरुवात संरक्षण गुंतवणुकीतून झाली. आज ते राष्ट्रांना जोडणारे आणि अर्थव्यवस्था चालवणारे अदृश्य पायाभूत जाळे बनले आहे.

रोजच्या वापरातील GNSS मधील छोट्या तांत्रिक गोष्टी

GNSS मागचे विज्ञान समजल्यानंतर आपण रोजच्या दिक्चालना मधील सामान्य प्रश्न आणि त्यांची कारणे समजून घेऊया.

• बोगद्यात सिग्नल का बंद होतो? GNSS सिग्नल अतिशय कमकुवत असतात आणि डोंगर, माती, काँक्रीट त्यांना सहज अडवतात. म्हणूनच बोगद्यात, तळमजल्याच्या पार्किंगमध्ये सिग्नल मिळत नाही. तरीही निळा ठिपका थोडावेळ हलत राहतो, कारण फोन accelerometer, gyroscope आणि आधीची दिशा वापरून हालचाल अंदाजाने मोजत राहतो — याला dead reckoning म्हणतात.
• शहरात निळा ठिपका उड्या का मारतो? उंच इमारतींवरून सिग्नल परावर्तित होतात. याला multipath म्हणतात — परावर्तित सिग्नल उशिरा पोहोचतो आणि तुमच्या रिसिव्हरचे गणित चुकते. हे सुधारण्यासाठी दिक्चालन अ‍ॅप्स sensor fusion वापरतात — GNSS डेटा + accelerometer + gyroscope + compass + आधीची हालचाल यांचा संयुक्त वापर करून ते निळा ठिपका स्थिर ठेवतात.
• GNSS ऑफलाइन चालते का? GNSS फक्त स्थान  सांगतो. पण नकाशा इंटरनेटवरून येतो. आधी डाउनलोड केलेला नकाशा असेल तर इंटरनेट नसतानाही GNSS दिक्चालन चालू राहते.
• फोन रीस्टार्ट केल्यावर दिक्चालना ला वेळ का लागतो? फोनकडे उपग्रहांची सर्वसाधारण माहिती (अल्मनॅक) किंवा अचूक कक्षा-माहिती (कक्षा-तक्ता / इफेमेरिस) उपलब्ध नसते. ही माहिती उपग्रहांकडून अतिशय हळू येते, म्हणून वेळ लागतो. इंटरनेटवरून हीच माहिती काही मिलीसेकंदात मिळवतो.
• सर्व GNSS प्रणाली एकत्र वापरता येतात का? होय — आधुनिक रिसिव्हर्स GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou आणि NavIC यांचे सिग्नल एकत्र वाचू शकतात. त्यामुळे अचूकता वाढते आणि सिग्नल हरवण्याची शक्यता कमी होते.

भारत आणि NavIC — आपली स्वतःची दिक्चालन प्रणाली

जगाच्या या उपग्रह नकाशात भारतही ठळकपणे दिसतो. भारताची स्वतःची NavIC (Navigation with Indian Constellation) प्रणाली — तीन भूस्थिर आणि चार झुकलेल्या उपग्रहांसह — भारत आणि त्याच्या 1500 किमी आसपासचा परिसर व्यापते.

NavIC चे सिग्नल भारतात अधिक मजबूत असतात कारण त्याचे उपग्रह भारताच्या थेट वर दिसतात. पुढील पिढीतील NavIC 2.0 आंतरराष्ट्रीय L1 फ्रीक्वेन्सी वापरेल — त्यामुळे बहुतेक स्मार्टफोन NavIC-सुसंगत होतील.

भारत आता नकाशे वापरणारा देश नाही — नकाशे बनवणारा देश बनला आहे.

दिक्चालना पलीकडील GNSS — वेळेचे अदृश्य मोठे जाळे

GNSS म्हणजे फक्त स्थान दाखवणे नाही. पृथ्वीभोवती फिरणारी अत्यंत अचूक आण्विक घड्याळांची शृंखला हे त्याचे खरे सामर्थ्य आहे. तुमचा फोन व गाडी हे सिग्नल ऐकून स्थान ठरवतात — पण हीच घड्याळे आधुनिक जग चालवायला वापरली जातात.

मोबाईल नेटवर्क हजारो सेल टॉवर याच वेळेनुसार चालवतात; त्यामुळे कॉल ड्रॉप न होता सहज handover होतो. विजेचे जाळे एका प्रदेशातून दुसऱ्या प्रदेशात समसमान ठेवण्यासाठीही हीच अत्यंत अचूक वेळ महत्त्वाची असते — अगदी एक मायक्रोसेकंदाचा फरक झाला तरी जाळे अस्थिर होऊ शकते. बँका आणि शेअर बाजार प्रत्येक व्यवहाराची वेळमुद्रा GNSS वेळेनुसारच ठरवतात, जेणेकरून फसवणूक होऊ नये आणि न्याय्य क्रम राखला जावा. डेटा केंद्रे आणि इंटरनेट सर्व्हर लाखो नोंदी व व्यवहार यांचा क्रम नीट ठेवण्यासाठी हीच वेळ वापरतात.

या सुविधा ‘छोट्या सोयी’ नाहीत — पूर्ण आधुनिक जग त्यांच्यावर उभे आहे. 4G/5G नेटवर्क्सना नॅनोसेकंदाच्या अचूकतेची आवश्यकता असते; शेअर बाजारात व्यवहार पापणी लवण्यापेक्षा जलद होतात; PMU उपकरणे विजेचा डेटा तरंगलहरींच्या (wave) स्वरूपात दूरवरून तुलना करतात; क्लाउड डेटाबेससाठी वेगवेगळ्या सेवा-यंत्रांवर (servers) त्या घटनांचा एकसारखा क्रम ठेवणे अत्यावश्यक असते.

एकत्रितपणे पाहिले तर हे लक्षात येइल कि, GNSS फक्त दिक्चालकच नाही तर तो जगाला एकाच अचूक वेळेच्या धाग्यात जोडून ठेवणारा अदृश्य संयोजक आहे.

तू जहाँ जहाँ चलेगा, मेरा साया साथ होगा

आज ही उपग्रहं आपल्या डोक्याच्या कित्येक हजार किलोमीटर वरून निष्ठेने आपल्यासाठीच हे गीत नाही का गात आहेत —  तू जहाँ जहाँ चलेगा, मेरा साया साथ होगा!!

(हा लेख प्रथम IITB Alumni Association Pune Chapter यांच्या ‘तंत्र पुस्तिका’ या मासिकासाठी लिहिला गेला होता)