Global Positioning System

Z Wikipedii

GPS-NAVSTAR (ang. Global Positioning System – NAVigation Signal Timing And Ranging) – system nawigacji satelitarnej obejmujący całą kulę ziemską.

Działanie polega na pomiarze czasu dotarcia sygnału radiowego z satelitów do odbiornika. Znając prędkość fali elektromagnetycznej oraz znając dokładny czas wysłania danego sygnału można obliczyć odległość odbiornika od satelitów. Sygnał GPS zawiera w sobie informację o układzie satelitów na niebie (tzw. almanach) oraz informację o ich teoretycznej drodze oraz odchyleń od niej (tzw. efemeryda). Odbiornik GPS w pierwszej fazie aktualizuje te informacje w swojej pamięci oraz wykorzystuje w dalszej części do ustalenia swojej odległości od poszczególnych widzianych satelitów. Wykorzystując trilaterację mikroprocesor odbiornika może obliczyć pozycję geograficzną (długość, szerokość geograficzną oraz wysokość elipsoidalną) i następnie podać ją w wybranym układzie odniesienia - standardowo jest to WGS-84, a także aktualny czas GPS z bardzo dużą dokładnością.

System GPS jest utrzymywany i zarządzany przez Departament Obrony USA. Korzystać z jego usług może w zasadzie każdy - wystarczy tylko posiadać odpowiedni odbiornik GPS. Takie odbiorniki są produkowane przez niezależne firmy komercyjne. System GPS jest darmowy i jako taki ma pozostać zgodnie z polityką Stanów Zjednoczonych.

Niezbędnym elementem systemu jest możliwość identyfikacji sygnałów z poszczególnych satelitów przez odbiornik GPS. Odbywa się to dzięki PRC (Pseudo-Random-Code). PRC w swojej głównej funkcji ma na celu cyfrowe wzmocnienie przekazywanego sygnału (dzięki temu nie potrzebujemy ogromnych talerzy do odbioru sygnału satelitarnego) oraz umożliwia Departamentowi Obrony USA na kontolowanie dostępu do systemu GPS. Dzięki temu wojsko może używać sygnał GPS do przekazywania szyfrowanych komunikatów.

Spis treści 1 Segment kosmiczny 1.1 System satelitów 1.2 Generacje satelitów GPS 1.3 Zasada działania 1.4 Metody pomiaru pseudoodległości 1.5 Poziomy dokładności 2 Segment naziemny 3 Segment użytkownika 3.1 Parametry techniczne 3.2 Dokładność 3.3 Przykłady zastosowań 3.4 Odbiorniki multi-channel i multi-plexing 4 Inne systemy pozycjonowania 5 Zobacz też 6 Linki zewnętrzne

[edytuj] Segment kosmiczny

[edytuj] System satelitów

System pracuje na obszarze całej Ziemi, bo w każdym punkcie globu widoczne są zawsze przynajmniej cztery satelity. Co najmniej 24 satelity (liczba wymagana do osiągnięcia pełnej operacyjności systemu, tzn. prawdopodobieństwo widoczności przynajmniej 5 satelitów w dowolnym punkcie na kuli ziemskiej, z wyłączeniem okolic biegunów, wynosi 99.96%) krążą po orbitach na wysokości około 20183 km. Jest to orbita niższa od geostacjonarnej.

Segment kosmiczny składa się z 30 (stan na 14.08.2007r.) satelitów umieszczonych na orbitach kołowych o nachyleniu 55° (Block IIA, IIR, IIR-M) lub 63° (Block I) względem płaszczyzny równika na wysokości 20162 km. Obieg Ziemi przez satelitę trwa 11h 58min (pół doby gwiazdowej). Około 28 satelitów jest stale czynnych a pozostałe są testowane bądź wyłączone z przyczyn technicznych.

System wielu nadajników jest bardzo kosztowny, Amerykanie regularnie muszą umieszczać na orbicie kolejne w zastępstwie tych, które zeszły z właściwej orbity lub uległy awarii. Jednakże ze względu na zyski dla gospodarki światowej a w szczególności amerykańskiej, system został nieodpłatnie udostępniony dla zastosowań cywilnych. Ciekawostką jest fakt, że na każdym satelicie jest zainstalowana aparatura szpiegowska NUDET (Nuclear Detection) przeznaczona do natychmiastowego wykrywania wybuchów nuklearnych na Ziemi.

[edytuj] Generacje satelitów GPS

• Satelity bloku I (SVN1 – SVN11):
  • już ich nie ma,
  • posiadały 3 zegary: 1 cezowy i 2 rubidowe,
• Satelity bloku II (SVN13 – SVN21):
  • silny sygnał,
  • konstrukcja umożliwiała działanie w ciągu 14 dni bez potrzeby kontaktu ze stacja kontrolną,
• Satelity bloku IIA (SVN22 – SVN40):
  • zdolność transmisji sygnału zdegradowanego przez degradację SA i AS,
  • działanie 180 dni bez potrzeby kontaktu ze stacjami kontrolnymi (degradacja danych nawigacyjnych),
  • posiadały 4 zegary atomowe: 2 cezowe i 2 rubidowe),
  • żywotność satelity: 9.6 - 10.23 lat,
• Satelity bloku IIR (SVN41 – SVN62):
  • działanie przez 14 dni bez kontaktu ze stacjami kontrolnymi w przypadku korzystania z systemu autonomicznej nawigacji,
  • możliwość łaczności między sobą i możliwy pomiar odległości między satelitami,
  • 3 zegary rubidowe,
  • zdolność transmisji sygnału zdegradowanego przez degradację SA i AS,
  • żywotność satelity: 8.57 - 10.62 lat,
• Satelity bloku IIR-M:
  • znacznie lepsza jakość sygnału;
  • lustra laserowe;
  • integracja z innymi technikami (inercjalnymi),
  • możliwa wzajemna łączność i wzajemny pomiar odległości,
  • żywotność satelity: szacowana na 11.35 lat.

[edytuj] Zasada działania

Sygnał dociera do użytkownika na dwóch częstotliwościach nośnych f₁ = 1575,42 MHz i f₂ = 1227,6 MHz. Porównanie różnicy faz obu sygnałów pozwala na dokładne wyznaczenie czasu propagacji, który ulega nieznacznym wahaniom w wyniku zmiennego wpływu jonosfery. Użytkownicy cywilni przybliżoną poprawkę jonosferyczną otrzymują w depeszy nawigacyjnej lub dzięki systemowi DGPS.

Identyfikacja satelitów oparta jest na metodzie podziału kodu CDMA (Code Division Multiple Access) oznacza to, że wszystkie satelity emitują na tych samych częstotliwościach, ale sygnały są modulowane różnymi kodami.

Odbiór sygnału bez zastosowania anten parabolicznych, które w tym przypadku są bezużyteczne ze względu na ich kierunkowość, wymaga zaawansowanych technik oddzielania sygnału od szumu i przetwarzania sygnału. Satelity są w ciągłym ruchu; wyznaczenie pozycji odbiornika na podstawie pomiaru tzw. pseudoodległości od kilku satelitów jest również złożonym zadaniem, wymagającym m.in. uwzględnienia spowolnienia upływu czasu w polu grawitacyjnym Ziemi.

Dla poprawnej pracy systemu kluczowy jest czas. Każdy satelita jest wyposażony w zegar atomowy, dzięki czemu jego sygnał jest dokładnie zsynchronizowany z całym systemem. Jednocześnie satelity tworzą razem z kilkoma nadajnikami naziemnymi swoistą sieć korekcji czasu. W efekcie odbiornik GPS podaje nie tylko pozycje, ale również bardzo precyzyjny czas.

Aby określić pozycję w trójwymiarowej przestrzeni i czas systemu konieczny jest jednoczesny odbiór z przynajmniej czterech satelitów. Odbiornik oblicza trzy pseudodległości do satelitów oraz odchyłki czasu (różnicy między tanim i niedostatecznie dokładnym wzorcem kwarcowym zainstalowanym na odbiorniku i precyzyjnym zegarem atomowym na satelicie). Dokładne współrzędne satelity są transmitowane w depeszy nawigacyjnej. W przypadku możliwości odbioru tylko z trzech satelitów niektóre odbiorniki mogą pracować w trybie 2D z ustawioną przez użytkownika wysokością elipsoidalną.

[edytuj] Metody pomiaru pseudoodległości

Metoda kodowa polega na pomiarze kodu C/A i P na jednej lub dwóch częstotliwościach L₁ i L₂. W tym samym czasie satelita wysyła, a odbiornik generuje taki sam kod. Korelacja (pomiar przesunięcia) obu kodów daje czas Δt przebiegu sygnału od satelity do odbiornika GPS (d = c · Δt). Dokładność tej metody jest rzędu pojedynczych metrów. Występuje duży błąd niesynchronizacji zegarów satelity (nadajnika) i odbiornika. Pomiar kodowy do 4 satelitów wykonywany w jednym momencie daje już możność wyznaczenia pozycji punktów, współrzędne punktów mogą być obliczone na każdą epokę niezależnie. Metoda ma zastosowanie kinematyczne (w nawigacji), gdzie współrzędne punktu zmieniają się z epoki na epokę (metoda fazowa nie daje takich możliwości, gdyż występuje wtedy więcej niewiadomych).

Rosnące możliwości procesorów oraz rozwój systemu GPS (zmiany polityki co do sygnałów oraz nowy sygnał L3) umożliwiają wykorzystanie technik ustalania pozycji zastrzeżonych wcześniej dla pomiarów stacjonarnych. Dzięki temu również cywilne urządzenia nawigacyjne zwiększają swoją dokładność do kilku-kilkunastu centymetrów.

Metoda fazowa polega na pomiarze różnicowym faz na jednej lub dwóch częstotliwościach L₁ i L₂. Jest to pomiar fazy sygnału przychodzącego φ.

d = Nλ + λφ

gdzie:

d - pseudoodległość,

N - całkowita liczba pełnych długości fal mieszczących się w odległości satelita - Ziemia,

λ - długość fali, na której pracuje,

φ - pomierzona faza sygnału przychodzącego.

Metoda fazowa jest dokładniejsza, dokładność rzędu kilku milimetrów, lecz posiada ona pewne wady, takie jak np. konieczność wyznaczenia nieoznaczoności fazy N (nazywane inicjalizacją odbiornika). Dopiero przy pomiarze do 4 satelitów dopiero dla 3 epok możliwe jest rozwiązanie (wyznaczenie pozycji) 12 obserwacji (12 długości do satelitów) i 10 niewiadomych. Niemożliwe są zastosowania kinematyczne, chyba że niewiadome nieoznaczoności fazy zostaną wyznaczone na początku pomiaru na podstawie metod statycznych i nie wystąpią utraty cykli. Jeśli zostanie utracona łączność z satelitą to na nowo musimy inicjalizować instrument (tzn. wyznaczać N). Niezbędne są szybkie metody inicjalizacji (np. On-The-Fly).

[edytuj] Poziomy dokładności

Ze względów strategicznych przewidziano dwa poziomy dostępu – dostęp standardowy dla odbiorców cywilnych oraz precyzyjny dla sił zbrojnych Stanów Zjednoczonych. Standardowy dostęp ze względów technicznych daje dokładność rzędu kilku metrów. Jednak ze względu na możliwość zastosowania nawet takiej informacji w działaniach militarnych, sygnał cywilny był zakłócany pseudolosowym błędem – w wybranych miejscach Ziemi, a później globalnie. Dokładność ustalenia pozycji spadała do około 100 metrów. Błąd ten można było kompensować pod warunkiem znajomości metody zakłócania, oczywiście tajnej. Zakłócanie sygnału nazywane było Selective Availability. Cywilni odbiorcy znaleźli co prawda metody na omijanie tych zakłóceń – wystarczyło stojąc w jednym miejscu uśredniać wskazania przez dłuższy czas. Taki sposób nie nadawał się jednak do zastosowania np. na pocisku kierowanym przez GPS.

Często stosowaną metodą zwiększenia dokładności pomiaru jest stosowanie pomiaru różnicowego, zwanego DGPS. W takich przypadkach zlokalizowana w pobliżu odbiornika stacja bazowa (o znanej i stałej pozycji) DGPS przekazuje do niego dane różnicowe (najczęściej są to różnice między zmierzonymi przez stację bazową pseudodległościami, a rzeczywistymi odległościami do satelitów). W ten sposób odbiornik GPS może nanieść poprawki wynikające z błędów propagacji sygnału między satelitą a odbiornikiem.

Innym systemem korekcji błędów jest WAAS/EGNOS, podobny do DGPS z tą różnicą, że poprawki do odbiorników przesyłane są przez geostacjonarne satelity.

1 maja 2000 prezydent USA Bill Clinton nakazał usunięcie celowego zakłócania sygnału, dzięki czemu dokładność określania pozycji dla zwykłych użytkowników wzrosła do około 4-12 metrów.

[edytuj] Segment naziemny

Segment kontroli składa się 5 stacji kontrolnych zlokalizowanych w pobliżu równika. Główna Stacja Nadzoru jest zlokalizowana w Bazie Sił Powietrznych USA Falcon w Springs (Colorado), a pozostałe stacje pomocnicze na Hawajach, w Ascestor, Diego Garcia i Kwajalein. Stacje kontroli gromadzą dane na temat współrzędnych satelitarnych i ich orbit. Na satelitach są urządzenia umożliwiające przekazywanie danych o orbitach.

W jego skład wchodzi:

• 5 bezzałogowych stacji śledzących, które stale mierzą pseudodległości, fazy nośne i gromadzą depesze nawigacyjne satelitów,

Obecnie dodano 6 stacji NIMA, planuje się dodanie dalszych 6. W rezultacie wszystkie satelity będą widzialne przez nie mniej niż dwie stacje śledzące co pozwoli zwiększyć dokładność kontrolowania parametrów pracy systemu

• stacja główna analizująca stan techniczny satelitów i decydująca o koniecznych korektach,
• 3 stacje korygujące przesyłające dane aktualizujące pamięć satelitów i inne komendy dotyczące ich funkcjonowania.

[edytuj] Segment użytkownika

[edytuj] Parametry techniczne

Ze względów technicznych dokładność obliczania wysokości nad poziomem morza jest około 3 razy mniejsza niż długości i szerokości geograficznej. Wynika to z geometrii wcięcia przestrzennego wykorzystanego do wyznaczenia pozycji. Jakość wyznaczenia pozycji określają parametry rozmycia precyzji DOP (Dilution Of Precision).

Odbiorniki GPS wyposażono w wiele funkcji. Między innymi:

• określenie współrzędnych według różnych układów współrzędnych (standardowo WGS-84)
• rejestrowanie śladu
• nawigacja "do punktu" oraz "po trasie"
• track back (czyli powrót do miejsca wyjścia "tą samą trasą"
• pomiar odległości
• wyznaczenie powierzchni (np działki)
• obliczanie wschodów i zachodów słońca oraz pór księżyca

a w bardziej rozbudowanych odbiornikach:

• wyświetlanie map i nawigacja na mapach warstwowych
• komunikacja przez port szeregowy (RS232/USB) i Bluetooth z innym sprzętem elektronicznym (PC, PPC, Palm, elektroniczna mapa morska ECDIS)
• autorouting (wyznaczanie automatycznej trasy "po drogach")

Wersje przeznaczone do eksploatacji na statkach posiadają bardzo rozbudowane możliwości nawigacyjne. Wersje lądowe mogą być wyposażone w cyfrowe mapy terenu (takie urządzenia są czasami instalowane w samochodach) oraz lekkie odbiorniki przenośne zasilane bateriami lub akumulatorami. Niektóre odbiorniki pozwalają na określanie pozycji z innych systemów, jak GLONASS, czy Loran C

Odbiorniki cywilne są wyposażane w zabezpieczenia uniemożliwiające zastosowanie ich w niektórych dziedzinach. W szczególności, przestają działać po przekroczeniu pewnej prędkości – starsze odbiorniki 160 km/h, nowsze rzędu 1665 km/h.

[edytuj] Dokładność

Dokładność urządzeń GPS to temat wzbudzający wiele emocji ze względu na brak jednolitego systemu pomiaru tego parametru. Popularny wskaźnik CEP odnosi się do statystycznego udziału punktów o zadanej dokładności w całym ich zbiorze. Innymi słowy CEP (80%) 1-3m oznacza, że 80% uzyskanych pomiarów mieści się w zakresie błędu 1-3 metra. Przy czym nie wiemy nic o pozostałych 20% pomiarów. W praktyce więc niewiele wiemy o rzeczywistych osiągach urządzenia. Dodatkowo sytuację komplikuje definicja błędu pomiaru, którą producenci wykorzystują przy podawaniu parametrów urządzeń. Sytuację można porównać do tej, która ma miejsce w przypadku rynku paneli LCD.

Kolejny problem to różnica pomiędzy laboratoryjnym pomiarem a rzeczywistym użytkowaniem urządzenia. Ze względu na fakt, że pomiar zależy od widoczności satelitów na niebie jakie ma dane urządzenie oraz ich konstelacji w danym momencie, dokładność realnych pomiarów może znacznie odbiegać od tego, co deklaruje producent. Jest to spowodowane tym, że w niesprzyjających warunkach coraz większego znaczenia nabierają te punkty, które nie są uwzględniane przez wskaźnik CEP.

Sytuacji nie ułatwia fakt, że producenci często podają parametry samego modułu GPS, a nie końcowego urządzenia. Nie uwzględnia się więc zastosowanych komponentów RF oraz samej anteny. W efekcie popularne gotowe urządzenia oparte na tym samym układzie GPS mogą różnie się zachowywać w rzeczywistych warunkach pracy.

Dominującym poglądem wśród użytkowników jest stwierdzenie, że im większa czułość urządzenia, tym większa jest jego dokładność. Nie uwzględnia się jednak elementu skoków pozycji przy pomiarach stacjonarnych lub w tzw. trudnych warunkach. Problem ten jest efektem zjawiska, które można zobrazować analogią występującą w aparatach cyfrowych - wraz ze zwiększaniem czułości ISO, zwiększa się ziarno (w przypadku aparatów cyfrowych lepszym określeniem wydaje się "szum"). Ten "szum" rośnie również wraz ze wzrostem czułości odbiorników GPS. Jest to szum radiowy, który algorytmy zastosowane w oprogramowaniu układu starają się odfiltrować i nie uwzględniać przy podawaniu pozycji. Jest to znacznie łatwiejsze, jeżeli obiekt porusza się, ze względu na możliwość wyeliminowania punktów nie spełniających pewnych założeń co do możliwości fizycznych obiektu (przyśpieszenie, prędkość, itd). W przypadku pomiaru stacjonarnego lub przy niewielkiej prędkości poruszania sprawa jest znacznie trudniejsza i w efekcie pomiar pozycji w przypadku niektórych urządzeń może ulegać znacznym wahaniom. Jest to szczególnie uciążliwe w przypadku zastosowań innych niż nawigacja samochodowa.

[edytuj] Przykłady zastosowań

Dynamicznie rozwija się segment odbiorników GPS do tzw. palmtopów / PDA. Dzięki niskiej cenie i możliwości wyboru oprogramowania, które najlepiej spełnia oczekiwania użytkownika, jest to alternatywne rozwiązanie dla urządzeń typu wszystko-w-jednym. Dostępne opcje pozwalają na podłączenie odbiornika na kablu, na karcie rozszerzeń (CF lub SD) lub bezprzewodowo (bluetooth). Popularne stają się również palmtopy / PDA z wbudowanym odbiornikiem GPS. Dostępny jest bardzo szeroki wybór oprogramowania zarówno do nawigacji samochodowej (np. Automapa, Navigo), morskiej jak i specjalistyczne programy (np. do pomiaru powierzchni).

Nowy typ urządzeń to odbiorniki GPS połączone z funkcją logowania danych - tzw. datalogger GPS lub rejestrator trasy. Umożliwiają one zapis przebytej trasy bez konieczności uruchamiania dodatkowych urządzeń. Możliwość zapisu sięga od kilkuset punktów do kilkuset tysięcy punktów w zależności od modelu i producenta. Zapisaną trasę można wykorzystać do zobrazowania drogi na darmowych (Google Earth, Google Maps) i płatnych mapach (Automapa, eMapa, Nawigator) w zależności od producenta urządzenia. Umożliwia to monitorowanie pracy kierowców lub innych pracowników mobilnych. Dzięki połączeniu zapisanej trasy oraz wykonanych na niej zdjęć możemy każdej fotografii przypisać miejsce jej wykonania - jest to tzw. Geotagging lub w tej konkretnej formie Phototagging (spolszczone nazwy to Tagi geograficzne, Tagowanie geograficzne). Dzięki temu możemy w łatwy sposób inwentaryzować umiejscowienie obiektów lub zdarzeń. Jest to tanie rozwiązanie wykorzystywane przez różnego rodzaju służby na całym świecie.

Coraz częściej GPS stosuje się w telefonach komórkowych. Do tego celu wystarczy odbiornik GPS z bluetoothem i kompatybilny telefon. Również na telefony powstało wiele aplikacji obsługujących GPS. Np. TOMTOM mobile, NaviExpert.

[edytuj] Odbiorniki multi-channel i multi-plexing

Dla jednoczesnego odbioru sygnału z kilku satelitów lub sygnału o dwóch częstotliwościach z jednego satelity, stosuje się odbiorniki dwóch rodzajów:

• multi-chanel (wielokanałowy) - odbiorniki te składają się z określonej liczby niezależnych kanałów i każdy z nich jest przystosowany do odbierania i przetwarzania sygnałów z jednego satelity. Procesy odbioru i przetwarzania sygnałów są prowadzone w takim wielokanałowym odbiorniku jednocześnie. Obserwacje mogą być wykonywane z częstotliwością sekundową.
• multi plexing - odbiorniki te składają się z jednego lub wielu kanałów, z których każdy może odbierać poszczególne sygnały z satelitów. Obserwacje wykonywane są z częstotliwością milisekundową. Najlepszą jakość sygnału mają odbiorniki typu multichanel correlation type. Odbiorniki squaring type kwadratują zarówno sygnały jak i szumy.

[edytuj] Inne systemy pozycjonowania

Inny pracujący obecnie system pozycjonowania to GLONASS. Jest on zarządzany przez Rosyjskie Siły Kosmiczne. GLONASS dostarcza dwa rodzaje sygnału wojskowy oraz cywilny pracujący z dokładnością 60 m. W skład systemu wchodzą 24 satelity oraz naziemna stacja kontroli. System ten jest jednak niedostatecznie stabilny ze względu na niską żywotność satelitów, ponadto używa innego geodezyjnego układu odniesienia i odmiennego wzorca czasu (UTC) niż GPS (UTC USNO, gdzie nie wprowadza się sekund przestępnych). W wyniku tego jest mało popularny.

Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) jest w trakcie budowy własnego systemu nawigacji. Nosi on nazwę Galileo i składać się będzie z 30 satelitów. Zegary zastosowane w europejskich satelitach mają umożliwić osiągnięcie dokładności pozycjonowania w granicach 50 cm (dla użytkowników komercyjnych). Pierwsze testy Galileo rozpoczeły się w 2005 roku, a system ma być w pełni sprawny do roku 2012.

Beidou Chiński projekt, pierwszy satelita został wystrzelony w 2000 roku. Mimo przystąpienia Chin do projektu Galileo w 2003 roku, prace są nadal kontynuowane i zapowiadane jest uruchomienie systemu w 2008 roku. Dokładność publicznej usługi jest rzędu 10 metrów. Jest to jeden z niewielu systemów, który zakłada dwustronną transmisję informacji (także od urządzenia do satelity). Docelowo projekt ma obejmować cały świat Beidou 2.

Indian Regional Navigational Satellite System (IRNSS) Projekt Indyjski, ma obejmować Indie i obszar 1000-2000km wokół. Finansowanie projektu zostało zatwierdzone w 2006 roku, zakładany czas ukończenia projektu to 6-7 lat.

[edytuj] Zobacz też

• Centrum fazowe anten GPS

[edytuj] Linki zewnętrzne

• (en) system GPS
• (en) Galileo
• (en) GLONASS