Kategoria: Nawigacja

Jednym z najważniejszych zadań odbiorników GPS, niekoniecznie tych, które montujemy w samochodach podczas jazdy, jest pomiar odległości punktu od satelitów. Takie pomiary wykorzystuje się przede wszystkim w geodezji, gdzie podczas pomiarów w terenie system GPS odgrywa bardzo ważną rolę. Wyróżniamy dwie metody pomiarów. Pierwsza to tak zwana metoda pomiaru pseudoodległości. Aby tą metodą obliczyć odległość, posługujemy się podstawowym wzorem fizyki dla ruchu jednostajnego, który mówi, że droga to iloczyn czasu oraz średniej prędkości. W wyniku należy jednak uwzględnić także tak zwaną poprawkę zegarową. Przy użyciu tej metody mamy cztery niewiadome: trzy współrzędne punktu położenia na Ziemi oraz poprawkę zegarową, dlatego musimy ustalić cztery równania dla czterech różnych satelitów. Druga metoda to tak zwana metoda fazowa, która jest dokładniejsza, ale równocześnie bardziej skomplikowana. W tej metodzie korzysta się już przede wszystkim z właściwości fali, nie uznaje się jej natomiast jako ciała w ruchu jednostajnym.

W dzisiejszych czasach, czasach nieustannego rozwoju elektrotechniki oraz minimalizacji wszelkiego rodzaju sprzętu, niemal każde urządzenie jest wyposażone w mikroprocesor, czyli miniaturowy układ scalony, który odpowiada za sterowanie danym urządzeniem. W odbiorniku sygnału GPS mikroprocesor kontroluje operacje odbiornika oraz proces przetwarzania sygnału oraz dekoduje informację nałożoną na falę nośną, co więcej, identyfikuje satelity, oblicza współrzędne obserwatora, jego prędkości i kurs, oraz również zapisuje obserwacje do pamięci wewnętrznej. To spora liczba przeróżnych operacji, jednak w XXI wieku nikogo nie powinno to dziwić. Rewolucję widać na przykładzie komputerów, które całkiem niedawno zajmowały całe pomieszczenia i wytwarzały ogromne ilości ciepła, dzisiaj natomiast potrafimy stworzyć nawet komputery przenośne, które grzeją się tylko trochę. Większość urządzeń GPS można natomiast zmieścić w ręce. Z drugiej jednak strony, większe urządzenie, zwłaszcza z ekranem dotykowym, oznaczać będzie większy komfort i łatwiejsze użytkowanie.

Choć sygnału GPS zazwyczaj używamy w naszych nawigacji do wyznaczania trasy, to jego podstawowe zastosowanie jest całkowicie inne. Wiąże się to także z zasadą działania całej sieci, skonstruowanej przez Amerykanów. Głównym zadaniem odbiornika jest jednoczesny pomiar odległości od co najmniej czterech satelitów przy wykorzystaniu sygnału L1, albo obu, L1 i L2, jednocześnie. Oczywiście, im więcej satelitów zostanie uwzględnionych w pomiarze, tym będzie on dokładniejszy. Są to odbiorniki kanałowe, które umożliwiają jednoczesną obserwację nawet do 12 satelitów, chociaż taka sytuacja zdarza się bardzo rzadko i wymaga sporego szczęścia. Antena odbiornika jest ustawiona nad utrwalonym punktem i odbiera sygnały od wszystkich satelitów znajdujących się nad horyzontem i po wstępnym wzmocnieniu transmituje je do sekcji częstotliwości radiowych odbiornika. Takie wykorzystanie systemu GPS charakterystyczne jest przede wszystkim dla nauk geodetycznych, których zadaniem są wszelkiego rodzaju pomiary w terenie, do których wykorzystywane są właśnie systemy wyznaczania pozycji.

Satelity emitują sygnały na dwóch częstotliwościach w paśmie L, od 390 megaherców do 1520 megaherców. Są to pasma: L1 o fali nośnej długości 19 centymetrów oraz L2 o fali nośnej 24 centymetry. Fale L1 oraz L2 są modulowane pseudolosowymi kodami binarnymi (czyli o wartości zero albo jeden). Sygnał L1 jest modulowany kodem C/A, czyli z angielskiego Clear Acquisition, co oznacza, że sygnał ten jest przeznaczony przede wszystkim do użytku codziennego (zatem został udostępniony przez wojsko amerykańskie cywilom na całym świecie), zaś obydwa sygnały, zarówno pasmo L1, jak i L2, są modulowane kodem P (skrót od angielskiego: Precise albo Protected, co oznacza, że sygnał ten jest chroniony, dzięki czemu równocześnie o wiele dokładniejszy). Obie częstotliwości są także modulowane kodem zawierającym pakietem informacji dotyczących parametrów orbity satelitarnej, poprawki zegara satelity, efemerydy pozostałych aktywnych satelitów oraz innych informacji technologicznych umożliwiających pracę odbiornika.

Aby system GPS mógł działać bez żadnych problemów, niezbędne jest jak najlepsze działanie satelitów krążących po orbicie. By zapewnić jak najlepsza jakość oraz wadliwość całego systemu, wokół Ziemi krąży zazwyczaj około trzydziestu satelitów, z czego wykorzystywanych do nawigacji jest zaledwie dwadzieścia cztery. Pozostałe są satelitami rezerwowymi, które mogą w każdej chwili zająć miejsce zepsutej satelity. Taki zabieg sprawia, że Global Positioning System jest dostępny właściwie przez cały czas, natomiast użytkownicy nie są w stanie odczuć jakichkolwiek awarii wysoko ponad powierzchnią Ziemi. Warto dodać, że w każdym punkcie Ziemi widoczne są niezmiennie co najmniej cztery satelity, a ich odległość od kuli ziemskiej wynosi ponad 20 tysięcy kilometrów, jednak znajdują się na niższej orbicie, niż geostacjonarna. W 2009 wokół Ziemi krążyło 31 satelitów na orbitach, które do Ziemi nachylone są pod kątem 55 lub 63 stopni. Jak szybko poruszają się satelity? Obieg wokół Ziemi trwa zazwyczaj zaledwie 12 godzin, czyli pół doby.

Z dobrodziejstw globalnej sieci GPS korzystamy codziennie, używając w samochodach nawigacji GPS, jednak rzadko zastanawiamy się, dlaczego właściwie cały system powstał i jaka była jego geneza. Początki GPS sięgają już XX wieku, dokładniej alt siedemdziesiątych, kiedy odkryto możliwość bardzo precyzyjnej synchronizacji czasu dzięki systemom satelitarnym, co postanowiono w najbliższym czasie skrzętnie wykorzystać. Z założenia system GPS miał posiadać kilka podstawowych cech. Global Positioning System miał przede wszystkim wyznaczać położenie w czasie rzeczywistym, niezależnie od warunków i odpornie na wszelkie zakłócenia. Zakładano, że stosując system GPS pięć pocisków wystrzelonych z różnych, niepowiązanych miejsc powinno trafić cel z dokładnością 5 metrów, co miało niebagatelne znaczenie w wojskowości. Podczas tworzenia systemu określono nawet górną granicę ceny odbiornika w roku 1977, które jednak na obecne warunki wydawać się może całą fortuną.  Poza tym Global Positioning System miał obsługiwać nieograniczoną liczbę użytkowników na całej kuli ziemskiej.

System GPS został w całości stworzony przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych i ten właśnie Departament obecnie utrzymuje i zarządza całą siecią satelitów oraz naziemnych stacji kontrolnych oraz monitorujących, stanowiących segment naziemny Global Positioning System. Jednak w zamierzeniu Stanów Zjednoczonych system ma pozostać darmowy, tak jak ma to miejsce obecnie. By skorzystać z GPS wystarczy posiadać własny odbiornik, na przykład w telefonie, zatem Global Positioning System jest dostępny niemal dla każdego na całej kuli ziemskiej. Odbiorniki GPS są natomiast konstruowane przez niezależne firmy, które następnie rozprowadzają swoje produkty do sklepów i tutaj Stany Zjednoczone nie mają właściwie żadnego wpływu. Obecnie z systemu GPS korzystają codziennie miliony osób na całej kuli ziemskiej, natomiast najpopularniejszych zastosowaniem tego systemu jest wyznaczanie trasy podczas jazdy samochodem albo pieszej wędrówki, kiedy nie wiemy jak trafić we wskazane miejsce w całkiem obcym mieście.

GPS, czyli Global Positioning System, służy przede wszystkim, jak wskazuje angielskie rozwinięcie skrótu, do wyznaczenia pozycji, do czego wykorzystuje się połączenie z satelitami krążącymi wokół kuli ziemskiej. Jak jednak dokładnie działa system satelitarny, który został opracowany przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych? Wszystko polega na pomiarze czasu, w jakim sygnał radiowy jest w stanie dotrzeć z satelity do odbiornika ziemskiego. Znamy przecież prędkość fali elektromagnetycznej, znamy również dokładny czas wysłania sygnału, dzięki czemu obliczenie odległości, dla komputerowych algorytmów, jest banalnie proste. Sygnał GPS posiada dwie podstawowe informacje, które są następnie wykorzystywane: po pierwsze informacja o układzie satelitów, po drugie informacja o teoretycznej drodze danych satelitów w najbliższej przyszłości. Odbiornik GPS jest w stanie wykorzystać te dane, by obliczyć odległość od poszczególnych satelitów krążących po orbicie. Następnie mikroprocesory wykonują pozostałe niezbędne obliczenia, dzięki którym możemy poznać swoją pozycję oraz trasę do wskazanego miejsca.

Najnowsze telefony, albo smartfony posiadają zazwyczaj wbudowane moduły GPS. Co to oznacza? Najprawdopodobniej to, że era nawigacji GPS powoli się kończy, zastępować je zaś zaczną na przykład telefony. Przecież posiadają one wiele dodatkowych funkcji, które zawsze postawią je ponad nawigacjami: możemy zadzwonić, napisać SMSa, surfować po Internecie, grać albo słuchać muzyki. Nawigacje GPS posiadają jedynie niektóre z tych funkcji, jak odtwarzanie muzyki albo filmów. Ponadto, telefony, identycznie jak nawigacje GPS, możemy naładować korzystając z ładowarek samochodowych, jakie znajdziemy chyba w każdym modelu auta. Z drugiej strony, nie wszyscy chcą zmieniać swoje telefony, starsze pokolenie natomiast nie jest przekonane do smartfonów z dotykowym wyświetlaczem, które są nieco skomplikowane w obsłudze. Takie osoby na pewno pozostaną przy tradycyjnych nawigacjach GPS, które są łatwe w obsłudze. Jednakże na przestrzeni kilku albo nawet kilkunastu lat sprzedaż nawigacji GPS na pewno zacznie pikować w dół.

Nie każdy wie, że nawigacja GPS nie została stworzona na użytek kierowców, lecz początkowo była to technologia wojskowa, dzięki której istniała szansa określenia pozycji wroga albo danego budynku. Dopiero po dłuższym czasie wojsko postanowiło oddać technologię systemu pozycjonującego GPS do użyteczności publicznej, dzięki czemu dzisiaj możemy łatwo trafić samochodem wszędzie, gdzie tylko zapragniemy. Jednak z tą historią wiąże się kilka ciekawych pytań. Wniosek nasuwa się sam: jeśli wojsko udostępniło GPS wszystkim ludziom na Ziemi, choć była to przecież nieznana i nowatorska technologia, która stanowiła ogromną przewagę, to najwidoczniej opracowano już lepszą, być może szybszą albo dokładniejszą metodę określania czyjejś pozycji. Być może więc w przyszłości doczekamy się rewolucji, skoku technologicznego, dzięki któremu spojrzymy na obecne nawigacje GPS jak graty z PRLu, nic nie warte, wolne i wadliwe? Niewykluczone, jednak na pewno na chwilę obecną musimy zadowolić się mimo wszystko całkiem sprawną nawigacją GPS.