Nawigacja GPS… jak to właściwie działa?

Nawigacja GPS… jak to właściwie działa?

Nawigacja satelitarna, zwana potocznie GPS (ang. Global Positioning System) to dziś urządzenie tak popularne, jak kuchenka mikrofalowa czy smartfon. W zasadzie nikogo już chyba nie zaskakuje, nie zachwyca jak w okresie, gdy zaczęła się pojawiać w powszechnym użyciu – i każdy z nas może bez większego wysiłku stać się posiadaczem własnego urządzenia z mapami, które nie powinno kosztować więcej niż kilkaset złotych. To oczywiście te proste, indywidualne rozwiązania znane nam z codziennego życia. Poza nimi jednak, nawigacja satelitarna przewija się w dziesiątkach, jeśli nie setkach różnych funkcjonalności i urządzeń. Ale jak to właściwie działa?

Powszechny system nawigacji GPS bazuje na satelitach, których na orbicie, około 20 tyś km nad ziemią krąży obecnie 32. Jak większość nowych, rewolucyjnych technologii, i nawigacja miała swoje korzenie wojskowości. GPS został pierwotnie opracowany na potrzeby armii USA, która używa go od połowy lat osiemdziesiątych do określania pozycji i naprowadzania pocisków na cel.
Wyznaczanie pozycji opiera się na pomiarze czasu dotarcia sygnału z satelity do odbiornika, co umożliwia obliczenie odległości pomiędzy odbiornikiem i satelitą. Jak to możliwe? Jeśli wiemy w jakim momencie sygnał został wysłany z satelity a do tego znamy również chwilę dotarcia sygnału do odbiornika – wystarczy je porównać. Niestety zegar znajdujący się w odbiorniku nie jest tak dokładny, jak ten umieszczony w satelicie – to całkowicie inna technologia. Dlatego system nawigacji dokonuje korekty w oparciu o wynik pomiaru czasu sygnału z czterech różnych satelitów. Dlatego do określenia precyzyjnej lokalizacji urządzenia, niezbędne jest obliczenie odległości od co najmniej czterech satelitów. Nie jest to jednak maksymalna możliwość w dążeniu do precyzji – generalnie im więcej satelit w zasięgu, im więcej danych o czasie – tym bardziej precyzyjny będzie pomiar.
Satelita nawigacyjny wysyła dane o własnej pozycji do odbiornika GPS. Odbiornik GPS zaś, oblicza odległość od satelity. Na tej podstawie wie, że znajduje się w dowolnym miejscu planety, do którego satelita ma zasięg (z każdego miejsca tego okręgu odległość do satelity jest taka sama). W przypadku odbioru sygnału z dwóch satelitów, liczba miejsc, w których znajduje się aktualnie odbiornik, zawęża się do dwóch, które leżą w miejscu przecięcia okręgów wyznaczonych dla każdego satelity. Przy trzech sygnałach, nasza nawigacja GPS może obliczyć jeszcze dokładniejszą pozycję, gdyż wszystkie okręgi przecinają się tylko w jednym miejscu. W takim układzie mimo wszystko, wciąż nie będziemy w stanie określić wysokości, na której się znajdujemy (zasada trochę podobna do wymiarów – 3D).
W zasadzie każda nawigacja samochodowa, smartfon czy inny sprzęt wykorzystujący tę technologie działa tak samo: nasz GPS oblicza pozycję opisaną wyżej metodą i zaznacza ją na elektronicznej mapie. Soft urządzenia (w tym wypadku np. mapa) sprawdza tę pozycję i jeśli ustalone przez GPS miejsce nie zgadza się, bo według jego analizy nasz samochód właśnie jedzie po wodzie, skałach czy budynkach, urządzenie nawigacyjne koryguje wskazanie i przenosi je na położoną najbliżej drogę – wyrównując do pasa ruchu. Jak działa wyznaczanie trasy i prowadzenie? To już zadanie naszej mapy, która „wie” gdzie można się poruszać a gdzie nie powinno i koordynując to z siatką współrzędnych i obecną pozycją, zwyczajnie prowadzi nas do celu. Podczas jazdy nawigacja na bieżąco analizuje naszą aktualną pozycję z zaplanowaną przez nas trasą i w przypadku ewentualnych odchyleń oblicza natychmiastowo najkrótszą drogę.

Zatem jak dokładny jest system pozycjonowania GPS?

Istnieją dwie kategorie użytkowe urządzeń GPS:
PPS – (ang. Precise Positioning System) – technologia militarna, niedostępna dla użytkowników cywilnych (szyfrowana). Polega na tym, że satelita wysyła szczegółowe informacje i umożliwia bardzo precyzyjne pozycjonowanie – o wiele bardziej dokładne niż dzieje się to normalnie.
SPS – (ang. Standard Positioning Service) – pracuje na podstawie prostszych sygnałów i nie jest tak dokładna jak PPS. To rozwiązanie masz zastosowane w swojej nawigacji samochodowej i smartfonie.
Dawniej, ze względu na dużo błędów przesyłanych przez SPS, pozycja dawała się określić tylko z dokładnością do około 100 m – jak na urządzenie do nawigacji po mieście czy w trasie, to tolerancja nieco zbyt wysoka. Na szczęście już w maju 2000 roku Ministerstwo Obrony USA zdecydowało się wyłączyć umyślne generowanie zakłóceń, dzięki czemu precyzja w określaniu pozycji poprzez GPS wzrosła do 15 m, co funkcjonuje do dziś i całkowicie wystarcza w codziennym korzystaniu z map i pozycjonowania.
Jeśli jednak 15 metrów by Wam nie wystarczyło, to istnieje metoda poprawy jakości w tej dziedzinie. DGPS (ang. Differential GPS) to nic innego jak wykorzystanie naziemnej stacji referencyjnej (z odbiornikiem GPS i superdokładnym zegarem) umieszczonej w ściśle spozycjonowanym miejscu. To taka naziemna stacja wsparcia całego systemu. DGPS za pomocą systemu GPS określa swoją pozycję i oblicza, o ile różni się ona od pozycji, w której się rzeczywiście znajduje. Różnica w tych obliczeniach (zwana odchyłką) jest przesyłana drogą radiową do Twojego smartfona czy mapy samochodowej.

Czy GPS działa zawsze i wszędzie?

Jak wszyscy zapewne doskonale wiemy z doświadczenia – nie. Sygnał GPS jest relatywnie słaby i nie wszędzie można go odbierać z taką skutecznością, aby pozwoliło nam to na bezproblemową nawigację (np. wewnątrz budynków czy tuneli).
Odbiorniki GPS starszej generacji słabo radzą sobie z odbiorem sygnału na ulicach dużych miast o gęstej i wysokiej zabudowie w deszczu (mokre liście drzew potrafią skutecznie wytłumić sygnał) czy też podczas obfitych opadów śniegu.
Jak widać, dzięki tej technologii możemy nie tylko bezpiecznie i wygodnie podróżować, odnajdywać się w terenie czy zwiedzać – dzięki globalnemu systemowi pozycjonowania, możemy też namierzać ważne dla nas przedmioty, pojazdy, ładunki czy osoby. Zastosowanie nawigacji w XXI wieku jest coraz szersze, a my, na łamach tego bloga postaramy się je przybliżyć jeszcze bardziej.

Post A Comment

*