Działanie globalnego systemu pozycjonującego

RSQ7CiB1bBgsH

Zdjęcie przedstawia satelitę w przestrzeni kosmicznej. W tle liczne gwiazdy i rozbłyski zielonych świateł.

Jak to się zaczęło?

Jak w przypadku wszystkich technologii kosmicznych, ich rozwój rozpoczął się po II wojnie światowej. W 1957 roku po raz pierwszy naukowcy pod kierunkiem dra Richarda B. Kershnera z Uniwersytetu Johna Hopkinsa w Baltimore (USA) wykazali, iż możliwe jest wykorzystanie sztucznych satelitów do nawigacji na Ziemi. Użyli do tego sygnałów radiowych pochodzących z radzieckiego satelity Sputnik I. Chęć rozkodowania sygnałów telemetrycznych stała się teoretyczną podstawą nawigacji satelitarnej. W latach 60. XX wieku po raz pierwszy ogłoszono zdolność operacyjną amerykańskiego systemu Transit‑SATNAV opracowanego na potrzeby marynarki wojennej USA. Trzy lata później system udostępniony został do sporadycznego użytkowania cywilnego. Równolegle podobne badania nad systemami pozycjonowania prowadził Związek Radziecki, który w tym samym okresie uruchomił system CYKADA. Kolejne lata to intensywny rozwój w wielu krajach świata różnego rodzaju systemów, zarówno wojskowych, jak i cywilnych. Wśród nich można wymienić, oprócz amerykańskich, systemy Galileo (inicjatywa krajów europejskich), GLONASS (Rosja), Compass, dawniej BeiDou (Chiny), IRNSS (Indie). Najpopularniejszym z nich jest jednak amerykański GPS‑NAVSTAR (Global Positioning System - NAVigation Signal Timing And Ranging). Prace nad tym systemem rozpoczęły się w latach 70. XX wieku, a pełną sprawność uzyskał on w roku 1995. System ten określa dokładny czas oraz oczywiście wyznacza pozycję.

Elementy składowe systemu GPS

W celu spełnienia niezbędnych warunków, aby system działał niezawodnie na całym globie, wokół Ziemi krążą satelity GPS. Obecnie GPS-NAVSTAR składa się z ponad 30 satelitów, które muszą być systematycznie uzupełnianie, w miarę jak stare modele wyczerpują zaplanowany na 10–12 lat okres użytkowania. Umieszczone na orbicie satelity to jeden z trzech elementów całego systemu. Okrążają one naszą planetę dwa razy dziennie po ustalonych sześciu orbitach i transmitują unikalny sygnał, który pozwala obliczyć urządzeniom na Ziemi dokładną pozycję każdego z satelitów GPS.

Każdy z satelitów na swoim pokładzie posiada kilka zegarów atomowych, dzięki czemu jego sygnał jest dobrze skorelowany z całym systemem. Dodatkowo sygnał GPS zawiera w sobie informację o układzie satelitów na niebie (tzw. almanachalmanachalmanach). Ponadto przesyłana jest tzw. efemerydaefemerydaefemeryda, czyli informacje, które dokładnie określają pozycję satelity na orbicie.

Drugim są dwa centra kontrolne – główne, w bazie lotniczej Shriever (Kolorado, USA) i zapasowe, w bazie powietrznej Vandenberg (Kalifornia, USA), które codziennie aktualizują system na podstawie spływających informacji oraz 5 stacji monitorujących (Hawaje, Kwajalein, Wyspa Wniebowstąpienia, Cape Canaveral, Diego Garcia). Trzeci element to odbiorniki sygnału, czyli smartfony, nawigacje samochodowe itp. Właściwie każde z naszych urządzeń wykonuje złożone obliczenia zmierzające do wyznaczenia odległości do satelity. Każdy taki pomiar oparty jest na wyznaczeniu czasu, w jakim sygnał przemierza drogę od satelity do odbiornika.

Podstawy teoretyczne działania systemu GPS

Satelita nawigacyjny wysyła dane o własnej pozycji do odbiornika GPS, ten zaś oblicza odległość od satelity. Na tej podstawie wie, że znajduje się w dowolnym miejscu planety, do którego satelita ma zasięg (z każdego miejsca na okręgu z rysunku 1 odległość do satelity jest taka sama). W przypadku odbioru sygnału z dwóch satelitów liczba miejsc, w których znajduje się aktualnie odbiornik, zawęża się do dwóch punktów leżących w miejscu przecięcia okręgów wyznaczonych dla każdego satelity – taką sytuację przedstawia rysunek 2. Przy trzech sygnałach nasza nawigacja GPS może obliczyć jeszcze dokładniejszą pozycję, gdyż wszystkie okręgi przecinają się tylko w jednym miejscu – to zobaczysz na rysunku 3.

RXLInO5jYpv80

Grafika przedstawia działanie systemu GPS. Na schematycznej mapie Polski oznaczono trzy odbiorniki GPS. Z tych odbiorników satelita, wędrujący po orbicie ziemskiej zbiera informacje.

R2EaoWWV9vFRR

Grafika przedstawia oznaczone na mapie Polski rozmieszczenie odbiorników GPS. Informację z nich odczytują dwie satelity. Odbiorniki znajdują się w miejscu stycznym dwóch zasięgów satelitów.

R4hYVFSSOekPH

Grafika przedstawia oznaczony na mapie odbiornik GPS oraz trzy satelity, które odbierają jego sygnał. Zasięgi satelitów zazębiają się. Odbiornik GPS leży w punkcie przecięcia zasięgów wszystkich satelitów.

Jak widzisz, GPS do wyznaczenia swojej pozycji potrzebuje znać odległość do trzech satelitów, jednak w tych trzech przypadkach wciąż nie będziemy w stanie określić wysokości, na której się znajdujemy. Aby poznać także wysokość nad poziomem morza potrzebny będzie jeszcze co najmniej czwarty satelita.

Podsumowując, satelity systemu GPS wysyłają sygnał, gdzie najważniejszym aspektem jest godzina nadania sygnału. Odbiornik GPS porównuje godzinę nadania sygnału z godziną jego otrzymania, poprzez co oblicza czas podróży sygnału. Ponieważ prędkość sygnału jest stała i znana (równa prędkości światła), obliczenie odległości wykonywane jest automatycznie poprzez pomnożenie czasu przez prędkość.  Jeżeli uda nawiązać się połączenie z co najmniej dwoma satelitami, urządzenie obliczy szerokość i długość geograficzną, na jakiej się znajduje, natomiast połączenie z co najmniej czterema satelitami pozwala na wyznaczenie także wysokości, na jakiej znajduje się odbiornik GPS. W sytuacji, kiedy urządzenie GPS odbierz sygnał z kilku satelitów, jego pozycjonowanie będzie bardziej precyzyjne. W sprzyjających okolicznościach każde urządzenie śledzi około ośmiu lub więcej satelitów.

Działanie GPS na przykładzie nawigacji samochodowej

Każdy rodzaj nawigacji, który wykorzystuje technologię GPS, zarówno ten w samochodzie, jak i smartfonie, opiera się na tej samej pracy: GPS po obliczeniu pozycji nanosi ją na mapę. Wyznaczanie trasy za pomocą GPS polega na używaniu odpowiednich algorytmów przez program, który jest zsynchronizowany z mapą i GPS. Podczas jazdy na bieżąco analizowana jest nasza pozycja z zaplanowaną przez nas trasą. W przypadku spowolnienia ruchu program  oblicza natychmiastowo najkrótszą drogę i aktualizuje ją. Cyfrowa mapa, która jest zsynchronizowana z GPS, nie jest typową mapą topograficzną, ponieważ przedstawia jednocześnie informacje o danych topograficznych oraz rozbudowaną bazę danych zawierającą informacje o znakach drogowych, sygnalizacjach świetlnych czy przejściach dla pieszych.

Zatem ustalenie trasy przez nawigację w pierwszym kroku polega na określeniu aktualnej pozycji miejsca początkowego, potem określana jest lokalizacja miejsca docelowego. W kolejnym etapie program nawigacyjny poprzez użycie logarytmów oraz danych lokalizacyjnych pozyskanych z innych urządzeń oblicza optymalną trasę, wyznaczając ją na mapie. Podczas wyznaczania trasy program może używać preferencji określonych przez użytkownika, dotyczących odpłatności trasy, długości drogi czy czasu przejazdu. Z uwagi na fakt, że program czerpie dane o natężeniu ruchu oraz zdarzeniach drogowych od innych użytkowników, to w momencie nawigacji trasa jest nieustannie aktualizowana, biorąc pod uwagę korki, wypadki czy remonty drogowe. Stąd wniosek, że im więcej osób korzysta z danej aplikacji, tym dokładniejsze jest określenie sytuacji drogowej przez tę aplikację.

Warto nadmienić, że program nawigacyjny może wykorzystywać mapy zapisane w urządzeniu lub korzystać z tych internetowych, które są aktualizowane na bieżąco. Mapy internetowe, choć generują większe koszty, to stanowią bardziej rzetelne źródło informacji o sytuacji drogowej, zawierając informacje o remontach drogowych czy zmianach organizacji ruchu.

R1cvY13HFZs3f

Grafika przedstawia ekran tabletu, na którym uruchomione jest okno programu do nawigacji. Widoczna jest mapa miejscowości wraz z ulicami. Oznaczone jest miejsce docelowe, informacja o ograniczeniu prędkości do pięćdziesięciu kilometrów na godzinę oraz konieczność skrętu w lewo na najbliższym skrzyżowaniu.

Czy GPS działa zawsze i wszędzie?

Choć sygnał GPS stanowi bardzo pożyteczne źródło informacji, to niestety nie jest ono niezawodne. Odbiorniki GPS nie odbierają we wszystkich miejscach sygnału o dobrej jakości, co może wiązać się z problemami takimi jak nieprecyzyjne wyznaczenie miejsca lokalizacji, czy całkowicie błędne i chaotyczne ustalanie pozycji. Sygnał GPS może być słaby bądź nieosiągalny wewnątrz budynków, pod ścianami budynków (szczególnie wysokich), w tunelach i piwnicach. Ponadto odbiorniki GPS będą gorzej odbierać zasięg w przypadku ulew, intensywnych opadów śniegu, burzy czy ekstremalnych zjawisk pogodowych. Ciekawostką jest fakt, że mokre liście na drzewach mają zdolność do tłumienia sygnału nawigacji.

Słownik