GPS w życiu codziennym

Co to jest GPS

Global Positioning System (GPS) został opracowany na potrzeby wojska przez Departament Obrony USA i składa się z 24 satelitów krążących po ściśle wyznaczonych orbitach. Na podstawie sygnałów przez nie wysyłanych, odbiornik GPS potrafi określić swoje położenie geograficzne a także wysokość nad poziomem morza
GPS system nawigacji satelitarnej obejmujący zasięgiem całą kule ziemską. Zasada działania polega na pomiarze czasu dotarcia sygnału radiowego z satelitów do odbiornika. Znając prędkość fali elektromagnetycznej można obliczyć odległość odbiornika od satelitów. Mając wpisaną w pamięć urządzenia, położenie satelitów w czasie, mikroprocesory odbiornika może obliczyć pozycje geograficzną, wysokość nad układem odniesienia. System GPS jest utrzymany i zarządzany przez Departament Obrony USA. Korzystać z jego usług może w zasadzie każdy - wystarczy tylko posiadać odpowiedni odbiornik GPS

Zastosowanie w życiu codziennym

Satelitarne systemy nawigacyjne potrafią dostarczyć informacje o aktualnej pozycji kierowcy pojazdu. Może to pomóc koordynatorom ruchu np. poprawnie zorganizować transport, wysłać do zadanego punktu pojazd znajdujący się najbliżej czy odnaleźć zgubiony samochód. Systemy takie znajdują wiec szerokie zastosowanie w kierowaniu ruchem autobusów, taksówek, karetek pogotowia, straży pożarnej, samochodów dostawczych, tirów, Dla przeciętnego użytkownika największe znaczenie ma jednak możliwość zabezpieczenia tym sposobem samochodu przed kradzieżą czy próbami włamania lub uszkodzenia auta. Zintegrowany z odpowiednimi czujnikami oraz nadajnikiem system nawigacji satelitarnej potrafi np. w przypadku wybicia szyby przesłać informacje o takim zajściu, wzbogacając ja jednocześnie w dokładne współrzędne aktualnego położenia pojazdu i tym samym umożliwiając znacznie szybsza interwencje policji . Warunkiem jest oczywiście posiadanie przez odbiorców takiego sygnału odpowiednich cyfrowych map, pozwalających na szybka lokalizacje pojazdu oraz wyznaczenie najefektywniejszej drogi dotarcia do celu. Począwszy od maja 2004 roku, urządzenia GPS znalazły nowe źródło zastosowań. W związku z wstąpieniem Polski do Unii Europejskiej, polskim rolnikom przysługiwać zaczęło prawo uzyskania dopłat bezpośrednich do posiadanych upraw. Jednym z warunków uzyskania dopłat jest podanie dokładnej powierzchni zajęta przez daną uprawę i właśnie tu swoje zastosowanie znalazły odbiorniki GPS. Dzięki nim pomiar pola powierzchni danej uprawy jest łatwy i szybki, a także, jak wskazuje praktyka, obarczony znacznie mniejszym błędem niż przy wykorzystaniu tradycyjnych metod pomiaru.

Jak funkcjonuje GPS

GPS jest obecnie podstawą wszystkich nowoczesnych systemów nawigacyjnych - lotniczych, samochodowych, morskich, a nawet turystycznych. Jest z powodzeniem wykorzystywany w geodezji i innych precyzyjnych pracach inżynieryjnych. GPS czyli Satelitarny Globalny System Wyznaczania Pozycji, został powołany do życia w 1978 roku przez Departament Obrony USA i pierwotnie przeznaczony był tylko do zastosowań militarnych. Obecnie dopuszczony jest do użytku publicznego, choć z dość znacznymi ograniczeniami dokładności. System składa się z 24 satelitów umieszczonych na sześciu różnych orbitach i obiegają Ziemie w rytmie 12-godzinnym w odległości 20 200 km od jej powierzchni. Taka konstelacja umożliwia jednoczesna obserwacje co najmniej 4 satelitów z dowolnego miejsca kuli ziemskiej i o dowolnej porze. W czasie swojego ruchu orbitalnego satelity 50 razy na sekundę emitują sygnały. Sygnały te modulowane są trzema różnymi pseudolosowymi kodami binarnymi, umożliwiającymi identyfikacje satelity, określenie jego położenia w przestrzeni oraz zawierającymi informacje dotyczące parametrów orbity, błędu zegara satelity, identyfikacji interwałów czasu oraz inne dane, pozwalające kontrolować poprawność pracy satelity. Całość działań satelitów jest bezustannie monitorowana i poddawana ewentualnej korekcji. Zarówno położenie poszczególnych satelitów, jak i odbiorników GPS określane jest w ogólnoświatowym (trójwymiarowym) układzie WGS 84, z którego współrzędne mogą być transformowane do układów kartograficznych, obowiązujących na konkretnym obszarze (prawie każde państwo posługuje się innym układem kartograficznym). Aby uniknąć wielu problemów związanych z kalendarzem i odmierzaniem czasu, system GPS posługuje się własnym zegarem. Cykl kalendarza GPS obejmuje 1024 tygodnie podzielone na sekundy: czas określa się liczba tygodni oraz liczba sekund w danym tygodniu, które minęły od daty uruchomienia systemu. Po upływie 1024 tygodni licznik jest zerowany i zaczyna bić od nowa. Odbiorniki stosowane w nawigacji, umożliwiają jednoczesne obserwacje nawet kilkunastu satelitów, dokonują podczas pracy kilku czynności. Może także określić odległości pomiędzy punktami w przestrzeni, kurs i czas potrzebny na przebycie drogi pomiędzy poszczególnymi punktami. Obserwacja trzech satelitów wystarcza do wyznaczenia pozycji w płaskim układzie współrzędnych - dodatkowe określenie wysokości zapewnia dopiero odbiór sygnałów z przynajmniej czterech źródeł. Aby ograniczyć możliwość wykorzystania danych z GPS przez osoby niepowołane moduluje się dostępny cywilnie sygnał specjalnym kodem, wprowadzającym błąd do obliczeń czasów i ograniczającym dokładność pomiarów do około 100 metrów. Poprzez zastosowanie zaawansowanych algorytmów obliczeniowych błąd ten może być w pewnym stopniu wyeliminowany, nawet gdy odbiornik jest w ruchu. Niestety, dokładność wyznaczenia współrzędnych maleje także niezależnie od sztucznie wprowadzanego błędu - obliczenie pozycji utrudniają zakłócenia w atmosferze, aktywność słońca, niekorzystne konstelacje satelitów, a przed e wszystkim - ograniczona “widoczność” satelitów, powodująca przerwy w odbiorze sygnału. Średnia dokładność określenia położenia w nawigacji cywilnej wynosi około 30 metrów. Dokładności wyższego rzędu uzyskuje się, stosując tzw. metodę różnicowa, w której wykorzystuje się technikę pomiaru fazy częstotliwości fazy nośnej. Zasada tej metody jest użycie co najmniej dwóch odbiorników, z których jeden znajduje się na punkcie o znanych współrzędnych. Poprzez jednoczesna obserwacje co najmniej czterech tych samych satelitów wyznacza się wektory łączące punkt o znanych współrzędnych z punktami, których pozycja jest określana. Wektory te mogą być obliczone nawet z dokładnością do setnych części milimetra. W metodzie różnicowej stosuje się także inna technikę pomiaru odległości od satelity do obserwatora: odbiorniki zaopatrzone w kwarcowe wzorce częstotliwości (zegary wewnętrzne) rejestrują odbierany sygnał i przeprowadzają jego demodulacje - w wyniku tych działań otrzymuje się fale o częstotliwości identycznej z częstotliwością fali nośnej sygnału GPS. W zaprogramowanych momentach czasu dokonywany jest pomiar różnicy sygnału satelitarnego i fazy lokalnego oscylatora odbiornika, na podstawie której można wyeliminować wiele istotnych błędów pomiarowych (np. synchronizacji błędów zegarów). Wykorzystując GPS do nawigacji w samochodzie czy ludzi, stosuje się pierwszą z opisywanych metod, wzbogacając możliwości systemu danymi zawartymi w cyfrowych materiałach kartograficznych. Wektoryzowane mapy zapisane na płytach CD zawierają informacje porównywane następnie przez system nawigacyjny GPS z sygnałami z satelitów. W ten sposób można określić pozycje na mapie oraz trasę do celu. Dodatkowo w nowoczesnych urządzeniach nawigacyjnych działanie systemu GPS wspomagane jest przez szereg innych danych otrzymywanych z czujników zewnętrznych montowanych w pojeździe (np. żyroskop oraz sygnały tachometryczne informują o kierunku jazdy, szybkości oraz długości zakrętów i luków). Wszystko to podnosi dokładność określania pozycji i pozwala “przetrwać” okresy utraty sygnału z satelitów.