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.