GPS
(Global Positioning System)
GPS jest systemem nawigacji satelitarnej, umożliwiającym dokładne określenie współrzędnych geograficznych odbiornika. Po orbicie Ziemi nieustannie krążą 24 satelity. Obliczenie położenia odbiornika GPS odbywa się na podstawie pomiaru czasu, w jakim docierają sygnały z satelit. Odległość od nich można określić, znając długość fali elektromagnetycznej. Jeśli odbiornik zna tory ruchu satelitów, jest w stanie obliczyć szerokość i wysokość geograficzną, wysokość nad poziomem morza oraz czas UTC. Pomiary są niezależne od warunków pogodowych i położenia odbiornika.
System GPS został opracowany przez Amerykanów. Jego budowę rozpoczęto w 1973 r., w pełni funkcjonalny był w 1994 r. W chwili obecnej może korzystać z niego każdy, posiadający odbiornik GPS. Urządzenia GPS w ostatnich latach sporo potaniały, stały się bezproblemowo dostępne dla szerokiego grona użytkowników.
System składa się z trzech grup elementów:
- 24 satelity krążące po orbitach okołoziemskich
- system stacji śledzących ruch satelitów i centrum kontroli systemu w Kalifornii
- odbiorniki, którymi posługują się użytkownicy systemu GPS
Składowe systemu
Segment kosmiczny
Satelity umieszczone są na sześciu orbitach (po 4 na każdej) około 20200 m nad powierzchnią Ziemi. Płaszczyzny orbit nachylone są pod kątem 55 stopni do równika. Satelity obiegają glob w 11 godzin i 56 minut (połowa doby gwiazdowej). Co tyle czasu powtarza się jednakowy układ satelit. Ich tory są tak ustalone, aby w każdej chwili w dowolnym miejscu widoczne były przynajmniej 4 satelity, choć przeważnie jest ich 5. System ten jest bardzo kosztowny, systematycznie trzeba uzupełniać satelity, gdyż niektóre ulegają awarii bądź tracą właściwą orbitę. Cały czas wokół Ziemi krąży kilka zapasowych. Dodatkowo satelity są wyposażone w system antyszpiegowski, dzięki nim można wykrywać wybuchy nuklearne - tej funkcji mogą używać jedynie Stany Zjednoczone, nasz projekt jej nie wykorzysta ;)
Segment nadzoru
Składa się z Głównej Stacji Nadzoru (MCS - Master Control Station) w Bazie Sił Powietrznych Falcon w Colorado Springs i stacji monitorujących na Hawajach, w Kwajalein, Diego Garcia i Ascesion. Stacje monitorujące biernie śledzą wszystkie widoczne satelity, mają na wyposażeniu anteny do łączności dwustronnej z satelitami. Stacje monitorujące systematycznie przesyłają dane do MCS. Dzięki temu możliwe jest wprowadzenie poprawek czasu na satelitach. Stacja główna analizuje rółnież stan techniczny satelitów.
Segment użytkowników
Na segment użytkowników składają się przeróżne, zarówno wojskowe, jak i cywilne, odbiorniki GPS. Zaprojektowane są tak, aby odbierać, dekodować i przetwarzać sygnały GPS. Odbirniki te funkcjonują samodzielnie lub są wbudowane w inne systemy. Zastosowanie znajdują przede wszystkim w nawigacji i geodezji. Urządzenia różnią się funkcjami i konstrukcją. Obecnie najmniejsze i najprostsze odbiorniki, przeznaczone do nawigacji, ograniczają się do kilkunastu gram i z łatwością można je trzymać w dłoni. Nie przekraczają rozmiarów telefonu komórkowego. Wiele z nich posiada system, który udostępnia możliwość graficznej prezentacji danych, konfrontacji położenia z mapą itp.
To jest chyba odpowiednie miejsce, aby przedstawić sprzęt, z którym pracujemy. Otóż korzystamy z odbiornika GPS NAVIBE GB732 na Sirf Star III. Posiada niezbędną elektronikę, aby nawiązywać połączenie z satelitami i określać położenie geograficzne. Odbiornik ten nie jest natomiast wyposażony w żaden system graficzny, pozwala jedynie na nawiązanie połączenia Bluetooth. Dzięki temu aplikacja na telefon komórkowy jest w stanie pobierać odczyty GPS. I już naszym problemem jest, by te dane zinterpretować i zrobić z nich użytek...
Zasada działania
Do określenia położenia w trójwymiarowej przestrzeni oraz czasu, konieczny jest jednoczesny odbiór danych z co najmniej czterech satelitów. Satelita porusza się po dokładnie wyznaczonej orbicie. Kiedy odbiornik zna odległość od niego, wie już, że znajduje się na sferze o promieniu równym zmierzonej długości i środku ulokowanym w satelicie. Pomiar odległości od drugiego satelity ogranicza obszar poszukiwań do okręgu (przecięcie dwóch sfer). Znając trzecią odległość, można podać już tylko dwa punkty, w których może znajdować się odbiornik. Jeden z nich można wykluczyć, gdyż znajduje się zbyt wysoko lub porusza się za szybko. Jeśli odbiornik zbiera sygnały tylko od trzech satelitów, możliwe jest określenie jedynie wspórzędnych w dwóch wymiarach. Posiadanie danych od czwartego satelity umożliwia określenie pozycji w przestrzeni trójwymniarowej.
Odbiornik GPS oblicza ponadto odchyłki czasu. Wzorzec kwarcowy zainstalowany w odbiorniku ma tę zaletę, że nie kosztuje wiele, nie jest natomiast dostatecznie dokładny. Dlatego dokonuje korekcji czasu na podstawie precyzyjnych zegarów atomowych zainstalowanych na satelitach. Dane satelity są przekazywane w depeszy nawigacyjnej. Przy użyciu opisanej metody błąd pomiaru nie przekracza 10 m
Opracowane na podstawie: