GPS – globalny system lokalizacji

Od najdawniejszych czasów jednym z fundamentalnych problemów, przed którymi stawał człowiek, był problem lokalizacji. Powstawało wiele metod, służących do wyznaczania pozycji. Nawigacja, kartografia, geodezja opierają się na udzielaniu odpowiedzi na pytania – gdzie jestem? Jak daleko jestem od celu? Jaka jest odległość pomiędzy pewnymi punktami? Globalny System Pozycjonowania (Global Positioning System) jest najpełniejszym – jak dotąd – rozwiązaniem tych problemów.

GPS jest systemem nawigacji satelitarnej, składającym się z 24 satelitów Ministerstwa Obrony Stanów Zjednoczonych, rozmieszczonych w sześciu planach orbitalnych. Pierwotnie opracowany dla potrzeb nawigacji amerykańskich łodzi podwodnych, system GPS dostarcza użytkownikom dokładnych informacji o czasie, położeniu i prędkości. Od kilku lat mamy do czynienia ze wzrostem zastosowań cywilnych dla GPS.

Globalność tego systemu wyraża się w powszechnej dostępności sygnału satelitarnego GPS 24 godziny na dobę we wszystkich zakątkach świata. Wszystkie satelity transmitują sygnał na identycznej częstotliwości (dla tzw. Usługi Standardowej jest to 1575,42 MHz), używając niezależnych kodów dla wyróżnienia sygnałów z poszczególnych satelitów. Sygnał satelitarny zawiera dane o statusie systemu (dane orbitalne oraz charakterystyki zegarów). Sygnał ten jest dostępny na całym globie, korzystanie z niego jest bezpłatne. Dokładność pomiaru waha się od centymetra (odbiorniki geodezyjne) do ok. 10 metrów (proste odbiorniki nawigacyjne, bez korekcji różnicowej) i aż do 3 metrów w odbiornikach z funkcją WAAS/EGNOS.

Zasada działania systemu opiera się na pomiarze odległości pomiędzy satelitą poruszającym się po ściśle wyznaczonej orbicie a odbiornikiem. Znana odległość od satelity lokuje odbiornik na sferze o promieniu równym zmierzonej odległości. Znana odległość od dwóch satelitów lokuje odbiornik na okręgu będącym przecięciem dwu sfer. Kiedy odbiornik zmierzy odległości od trzech satelitów, istnieją tylko dwa punkty, w których może się on znajdować. Jeden z tych punktów można wykluczyć jako znajdujący się zbyt wysoko lub poruszający się zbyt szybko i w ten sposób wyznaczyć swoją pozycję. Należ tylko poznać odległość od satelitów emitujących bardzo słabe sygnał (o mocy zbliżonej do szumu tła), i to z centymetrową dokładnością. Dokonuje się tego poprzez pomiar czasu.

Każdy z satelitów posiada cztery zegary atomowe, którymi synchronizuje wysyłany sygnał. Jedyne, co pozostaje zmierzyć odbiornikowi, to opóźnienie sygnału odebranego z poszczególnych satelitów. Niestety, odbiornik GPS nie dysponuje własnym zegarem atomowym, a tylko dokładnym zegarem kwarcowym, więc staje przed na pozór nierozwiązywalnym zadaniem: ma stwierdzić która jest godzina (z dokładnością do nanosekundy), dysponując tylko sygnałem otrzymanym z satelitów, z których każdy podaje inny czas. Dokonuje się tego odbierając sygnał nie od trzech, a od czterech satelitów. Można wówczas wyliczyć zarówno rzeczywisty czas, jak i położenie (klasyczny układ czterech równań z czterema niewiadomymi). Opisana metoda pomiaru daje błąd poniżej 10 metrów.

Dokładność taką, do roku 2000, mogły uzyskać tylko amerykańskie odbiorniki wojskowe. Odbiorniki cywilne musiały się natomiast zadowolić kodem C/A, w którym sygnał czasu był umyślnie zakłócany poprzez Departament Obrony USA. Stąd też spadek dokładności do ok. 50-100 metrów. Zakłócenia wprowadzone sztucznie do systemu nazywają się SA (Selective Availability) i sprawiały, że każdy samodzielny odbiornik GPS, pozostawiony w bezruchu, stopniowo wykazywał zmiany pozycji w promieniu do 100 metrów. Widać wyraźnie, że pomiary bez użycia technologii różnicowej były obarczone sporym błędem. Co gorsza, wielkość błędu była trudno przewidywalna; również technologie uśredniania stawały się w miarę skuteczne (5-7 metrów) dopiero przy bardzo długich czasach obserwacji. Dokładność standardowa była wystarczająca tylko do nawigacji; dlatego wymyślono metodę obejścia problemu zakłócania sygnału. Metodą tą był pomiar względny (DGPS – Differential GPS). Zasada jest prosta: jeżeli ustawi się GPS w ustalonym punkcie, to na skutek zakłócenia sygnał pozycja przez niego wyznaczona będzie się ciągle zmieniać. Jeżeli obliczymy różnicę pomiędzy zmierzoną przez odbiornik pozycją a pozycją rzeczywistą odbiornika, to otrzymamy tzw. wektor błędu. Otrzymane w ten sposób informacje, tzw. dane korekcyjne odejmuje się od danych odbieranych przez GPS-y dokonujące pomiarów w terenie. Uzyskana w ten sposób pozycja jest tym dokładniejsza, im bliżej znajdują się baza korekcyjna i odbiornik dokonujący pomiarów. W odległości kilkunastu kilometrów od bazy można dokonywać pomiarów geodezyjnych (dokładności centymetrowe); do pozostałych zastosowań wystarczała baza umieszczona w promieniu paruset kilometrów (dokładność kilku metrów).

Obecnie odchodzi się od stosowania DGPS w popularnych odbiornikach nawigacyjnych GPS. Od chwili pojawienia się systemu WAAS/EGNOS zaistniała inna możliwość przesyłania danych korekcyjnych do odbironika. System ten wyeliminował konieczność stosowania dodatkowych urządzeń odbiorających dane korekcyjne. Do nowszych odbiorników przekazywane są one drogą satelitarną.

Pierwotną i nadal najważniejszą funkcją systemu GPS jest zapewnienie bezpieczeństwa narodowego Stanów Zjednoczonych poprzez przewagę strategiczną US Army. Dlatego właściciel systemu – Departament Obrony USA – zastrzegł sobie prawo ograniczenia dokładności systemu dla ogółu użytkowników cywilnych. I z prawa tego skorzystał wprowadzając błąd selektywny, tzw. SA (Selective Availability). Z dniem 1 maja 2000 roku Administracja USA podjęła decyzję o zaprzestaniu wprowadzania błędu do sygnału GPS i obecnie dokładność pozycji wynosi do 10 m. Zmiany te dotyczą całego świata, z wyjątkiem niektórych regionów, na których toczy się wojna lub jest niestabilna sytuacja polityczna.

Największą zaletą wykorzystania Globalnego Systemu Pozycjonowania jest światowy zasięg sygnał satelitów oraz, co za tym idzie, globalna jednorodność uzyskiwanych wyników. Umożliwiło to tworzenie rozwiązań dla wielu dziedzin życia z szansą na ich zastosowanie na szeroko pojętym rynku światowym. Ta sytuacja prawdopodobnie spowoduje powstanie “masy krytycznej” zastosowań GPS oraz zwiększenie liczby użytkowników systemu. Być może powtórzy się nawet – w odpowiednio mniejszej skali – fragment historii globalnej sieci komputerowej Internet, czyniąc z Globalnego Systemu Pozycjonowania zjawisko nazywane w języku angielskim “utility” – czyli coś równie niezbędnego jak telefon, samochód czy kalkulator. Będzie to tym bardziej możliwe, że technologia ta, jako całkowicie bazująca na osiągnięciach nowoczesnej elektroniki, jest zdolna do oferowania coraz mniejszych i coraz tańszych odbiorników satelitarnych GPS. A kiedy cena odbiornika będzie wystarczająco niska, prawie każdy będzie mógł z niego korzystać. Jedna z podstawowych potrzeb człowieka – potrzeba poznania swojego położenia w przestrzeni – zostanie całkowicie zaspokojona.

Zastosowania odbiorników GPS są właściwie nieograniczone. Samochody nawigowane po elektronicznych mapach pokładowych komputerów, samochody dostawcze sterowane precyzyjnie od miejsca załadunku do miejsca dostawy wg zasad “just in time”, wreszcie przenośne komputery wyposażone w komputerowe książki telefoniczne z zaszytymi lokacjami GPS firm i instytucji, odpowiadające na pytanie właściciela: “Gdzie jest najbliższy serwis Forda?” Oszczędność czasu, oszczędność energii. Nawigacja była oczywiście pierwotnym zastosowaniem systemu. Fakt podawania przez odbiornik GPS dokładnych danych o położeniu był tylko początkiem rozwoju nowych generacji odbiorników nawigacyjnych, które z czasem stawały się coraz lżejsze, bardziej ergonomiczne w obsłudze oraz korzystające coraz pełniej z możliwości technologii komputerowej. Uwidoczniło się to w wyposażeniu tych urządzeń w coraz to nowe, przyjazne w obsłudze funkcje: ruchome mapy, bazy danych (np. baza danych lotnisk cywilnych wraz z częstotliwościami radiowymi).

Zaczęto też wykorzystywać fakt posiadania przez system GPS dokładnego wzorca czasu – obecnie często odbiorniki GPS służą do synchronizacji czasu w różnego rodzaju systemach (sieciach komputerowych, energetycznych). Coraz szersze są także możliwości ich współpracy z zewnętrzną elektroniką: autopilotem, komputerem pokładowym. Globalny charakter technologii GPS powoduje, że jest ona traktowana jako obiecująca dla najpoważniejszych zastosowań nawigacyjnych, takich jak konstrukcja lotniczych systemów lądowania z zerową widocznością czy systemów nawigacji okrętów na terenie portów.