GPS - Globalny System Nawigacji

GPS - Globalny System Nawigacji

GPS (Global Positioning System) to amarykański system nawigacji satelitarnej obejmujący swym zasięgiem całą kulę ziemską. Służy m.in. do wyznaczania pozycji geograficznej (długość, szerokość geograficzną oraz wysokość elipsoidalną). System jest ogólnodostępny, z jego usług może korzystać każdy - wystarczy tylko posiadać odpowiedni odbiornik GPS.

Początki GPS

Zbudowany przez Departament Obrony USA system GPS (Global Positioning System)powstał w wyniku doświadczeń zebranych podczas tworzenia i użytkowania systemu nawigacji satelitarnej TRANSIT, a w szczególnie satelitów serii TIMATION. TRANSIT był z sukcesem testowany przez Departament Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych (U.S. Navy) od 1960 r. Testy nowego systemu GPS rozpoczęto w 1972 r., a pierwszy satelita bloku I, SVN 1 został wystrzelony 22 lutego 1978 r. Służący pierwotnie jedynie do celów militarnych system miał spełniać szereg założeń, w tym: możliwość wyznaczenia położenia w czasie rzeczywistym, niezależność od warunków, w których system jest wykorzystywany i odporność na zakłócenia zarówno przypadkowe jak i celowe, dokładność naprowadzania pocisków do celu 5 m, niska cena odbiornika, dostępność na całej kuli ziemskiej, synchronizacja czasu na poziomie 1 mikrosekundy, nielimitowana liczba użytkowników, niewykrywalność odbiornika.

Generacje satelitów

Do dzisiaj powstało 6 generacji satelitów umieszczanych sukcesywnie na orbicie. Były to kolejno satelity bloku I (SVN1 - SVN11), satelity bloku II (SVN13 - SVN21) - już nie pracujące, satelity bloku IIA (SVN22 - SVN40), satelity bloku IIR (SVN41 - SVN62), satelity bloku IIR-M oraz najnowsze satelity generacji bloku II F (pierwszy wystrzelony 28 maja 2010 r.)  Czas pracy ostatniej generacji satelitów szacowany jest na  około 12 lat. Satelity, tworzące tzw. segment kosmiczny systemu umieszczone są na orbitach kołowych o nachyleniu 55° (Block IIA, IIR, IIR-M) lub 63° (Block I) względem płaszczyzny równika na wysokości 20183 km. Obieg Ziemi przez satelitę trwa 11h 58 min (pół doby gwiazdowej). Obenice na orbitach znajduje się 30 sprawnych satelitów (stan na maj 2010). Ich pracę kontroluje tzw. segment naziemny systemu, czyli 12 stacji rozmieszczonych możliwie równomiernie na równiku w sposób, aby każdy z satelitów był stale widoczny z co najmniej dwóch stacji przez całą dobę. Główna stacja nadzoru mieści się w bazie sił lotniczych Shriever AFB (poprzednio Falcon) w Colorado Springs (USA). Pozostałe stacje nadzoru prowadzone przez Siły Lotnicze USA ulokowane są na Hawajach, Cape Canaveral, Wyspie Wniebowstąpienia, wyspie Diego Garcia oraz na Atolu Kwajalein. Sześć stacji zarządzanych jest przez NGA (National Geospatial-Intelligence Agency), są to stacje w Waszyngtonie, Ekwadorze, Argentynie, Londynie, Bahrajnie i Australii. Na podstawie prowadzonych przez nie obserwacji wylicza się nowe parametry orbit satelitów. Prognozowane efemerydy, czyli dane o pozornym położeniu satelitów na nieboskłonie są wysyłane do satelitów nie rzadziej niż co 48 godzin i przez nie retransmitowane.

 

Zasady działania

Istotą działania systemu GPS jest dokładny pomiar czasu oraz odczyt położenia satelitów na orbicie. Każdy z satelitów wyposażony jest w zegar atomowy. Wysyła on sygnał na dwóch częstotliwościach nośnych f1 = 1575,42 MHz (długość fali 19,029 cm) i f2 = 1227,6 MHz (długość fali 24,421 cm). Umożliwia to pomiar odległości między satelitami a odbiornikiem dwiema metodami: kodową i fazową. W praktyce do określenia pozycji w trójwymiarowej przestrzeni i czasu systemu konieczny jest jednoczesny odbiór sygnału z przynajmniej czterech satelitów. Odbiornik użytkownika oblicza trzy pseudoodległości 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 sygnału jedynie z trzech satelitów, niektóre odbiorniki mogą pracować w trybie 2D, czyli bez odczytu wysokości.

W systemie GPS zastosowano dwa poziomy dostępu. Dostęp precyzyjny przeznaczony jest dla sił zbrojnych USA oraz wojsk sprzymierzonych. Dostęp standardowy o mniejszej dokładności wykorzystywany jest przez odbiorców cywilnych. Pierwotnie był on celowo zakłócany pseudolosowym błędem, który uniemożliwiał uzyskanie odczytu precyzyjniejszego niż ok. 100 m, chyba że stosowało się uśrednianie wskazania, prowadząc długotrwały, stacjonarny odczyt. Mechanizm zakłócający odbiór sygnału został wyłączony 1 V 2000 r. za prezydentury Billa Clintona, dzięki czemu dokładność określania pozycji dla użytkowników cywilnych wzrosła do ok. 4-12 metrów.

Sposobem na ustalenie dokładniejszej pozycji dzięki systemowi GPS jest stosowanie pomiaru różnicowego DGPS (ang. Differential Global Positioning System). W metodzie tej wykorzystuje się tzw. stację bazową (referencyjną), czyli odbiornika ustawionego w dokładnie wyznaczonym punkcie, który wyznacza na bieżąco poprawki różnicowe dla poszczególnych satelitów, eliminując błędy zegara satelity, efemeryd i opóźnień sygnału wynikających z oddziaływania jonosfery i troposfery. Do działania systemu różnicowego DGPS niezbędna jest możliwość przesyłania do drugiego odbiornika ruchomego wyznaczonych poprawek, np. przez łącze VHF (ang. Very High Frequency, czyli fale radiowe UKF o częstotliwości od 30 do 300 MHz) lub GPRS (ang. General Packet Radio Service - pakietowe przesyłanie danych w technologii komunikacyjnej operatorów sieci komórkowej GSM). Procedurę tę można stosować zarówno w czasie rzeczywistym podczas pomiarów, jak i przez późniejsze przetworzenie zbieranych danych, tzw. postprocessing. Zastosowanie metody DGPS pozwala na osiągnięcie dokładności 0,5-2 m i większej.

Systemy wspomagania satelitarnego

Do przesyłania poprawek umożliwiających pomiary GPS ze zwiększoną dokładnością służą również systemy różnicowe o dużym zasięgu oparte o działanie satelitów geostacjonarnych. Zaliczają się do nich amerykański system 2 satelitów WAAS (ang. Wide Area Augmentation System) oraz europejski EGNOS (ang. European Geostationary Navigation Overlay Service). EGNOS składa się z 3 satelitów obejmujących swym zasięgiem Europę oraz z segmentu naziemnego, w tym 34 stacji pomiarowo-obserwacyjnych m.in. w Warszawie (odczytywanie depesz nawigacyjnych z satelitów GPS), 4 stacji kontrolnych (przetwarzanie danych i obliczanie poprawek różnicowych) i 6 stacji transmitujących (wysyłanie poprawek do satelitów, które przekazują je do użytkowników). Pobieranie poprawek do odbiorników GPS umożliwiają także komercyjne naziemne stacje referencyjne tworzone na potrzeby dystrybutorów sprzętu geodezyjnego. Więcej na temat systemów wspomagania satelitarnego.

Segmenty GPS

Kosmiczny

Składa się z 24 satelitów (plus kilku rezerwowych) typu Navstar poruszających się po sześciu równomiernie rozmieszczonych orbitach kołowych, po cztery na każdej w równych odległościach, o czasie obiegu 12 godzin, na wysokości 20 200 km, nachyleniu 55° względem równika. Zawsze widocznych pozostaje od 5 do 12 satelitów.

Kontroli

Na segment kontroli składa się Główna Stacja Nadzoru MCS (Master Control Station) znajdujaca się w Bazie Sił Powietrznych w Colorado Springs w USA. Stacje monitorujące (Monitoring Station) ulokowane są m.in. na Hawajach, Cape Canaveral, Wyspie Wniebowstąpienia. Anteny Naziemne.

 Stacje kontroli GPS
 

Użytkowników

Technologia GPS znajduje coraz więcej zastosowań, stąd segment użytkownika tego systemu - odbiorniki użytkowników znacznie różnią się od siebie zarówno pod względem zaawansowania technicznego jak i oferowanych funkcji. Nowoczesne odbiorniki GPS operują zazwyczaj na trzydziestu niezależnych kanałach, z których każdy jest przystosowany do odbierania i przetwarzania sygnałów z jednego satelity a procesy odbioru i przetwarzania sygnałów są prowadzone w takim wielokanałowym odbiorniku jednocześnie. Starsze odbiorniki operują na 8 lub 12 kanałach, co jednak jest wystarczające - w Polsce z reguły jednocześnie widocznych jest ok. 10-12 satelitów.