GPS nie pozwoli się zgubić

Od chwili umożliwienia cywilom korzystania z globalnego systemu nawigacji satelitarnej (Global Positioning System) minęło już ponad dziesięć lat. Jednak dopiero od niedawna trwa gwałtowny wzrost zainteresowania urządzeniami do odbioru sygnału GPS. Wskutek postępującego spadku cen sprzętu i coraz większej jego funkcjonalności obecnie odbiorniki stały się dostępne dla większości użytkowników.

Od chwili umożliwienia cywilom korzystania z globalnego systemu nawigacji satelitarnej (Global Positioning System) minęło już ponad dziesięć lat. Jednak dopiero od niedawna trwa gwałtowny wzrost zainteresowania urządzeniami do odbioru sygnału GPS. Wskutek postępującego spadku cen sprzętu i coraz większej jego funkcjonalności obecnie odbiorniki stały się dostępne dla większości użytkowników.

Jak to działa?

Projekt systemu GPS (Global Positioning System) opracowano na zlecenie Departamentu Obrony USA jeszcze w latach siedemdziesiątych ubiegłego stulecia. Od początku pomyślany jako rozwiązanie o zastosowaniach czysto militarnych, działające pod kontrolą Dowództwa Sił Powietrznych. Szybko okazało się jednak, że wszechstronność możliwości GPS można w prosty sposób dostosować do potrzeb cywilów. Wydanie odpowiedniego rozporządzenia przez rząd USA pozwoliło na dynamiczny rozwój rynku aplikacji i urządzeń do odbioru sygnałów systemu nawigacji satelitarnej.

Global Positioning System to 24 satelity krążące po orbitach nachylonych względem równika pod kątem 55 stopni

Global Positioning System to 24 satelity krążące po orbitach nachylonych względem równika pod kątem 55 stopni

Global Positioning System składa się z trzech wzajemnie powiązanych części (segment satelitarny, kontroli i użytkownika). Głównym elementem funkcjonalnym systemu są 24 satelity (plus sześć zapasowych) NAVSTAR (Navigation System with Time and Ranging), krążące na sześciu orbitach okołoziemskich - wysokość 20162,61 km. Orbity są nachylone względem równika pod kątem 55 stopni, dzięki czemu z dowolnego miejsca na Ziemi o każdej porze widać co najmniej cztery satelity.

Urządzenia nawigacyjne krążące po orbitach muszą być nieustannie monitorowane. Za ich poprawne działanie odpowiedzialny jest segment kontrolny GPS. Składa się on z Głównej Stacji Nadzoru (MCS - Master Control Station) znajdującej się w Bazie Sił Powietrznych Falcon w Colorado Springs (USA) i ośrodków monitorujących na Hawajach, Wyspie Wniebowstąpienia, Diego Garcia (wyspa) oraz w Kwajalein (atol w archipelagu W. Marshalla - USA). Stacje rozlokowane na wyspach mierzą nadawane przez satelity sygnały będące danymi wejściowymi dla dalszych obliczeń numerycznych. Są one następnie przesyłane do MCS, gdzie sprawdzane są dokładne parametry orbit (efemerydy) i ustalane ewentualne poprawki zegara dla każdego satelity.

Trzecią częścią składową systemu GPS są naziemne odbiorniki sygnałów satelitarnych. Wyznaczają one aktualną pozycję i prędkość poruszania się użytkownika. Lokalizacja w odbiornikach systemu GPS dokonywana jest za pomocą triangulacji. Każdy satelita nieustannie wysyła informacje o swojej pozycji i aktualnym czasie (dokładne zegary atomowe). Urządzenie, które widzi co najmniej cztery z nich, potrafi podać własną lokalizację, wytyczoną dzięki znajomości położenia trzech satelitów (x,y,z) i różnicy czasowej (t) wysyłanego sygnału. Dokładność określenia swojej pozycji jest uzależniona od rodzaju odbiornika oraz jego zastosowania (cywilny, wojskowy) - dostępne na rynku urządzenia dla zwykłych użytkowników zapewniają precyzję wynoszącą od kilku do kilkunastu metrów. W przeszłości, w początkowej fazie udostępniania GPS dla celów cywilnych, Departament Obrony USA dodawał do sygnałów satelitarnych specjalne kody zakłócające (tzw. Selective Availability - wybiórcza dostępność), ograniczające precyzję pomiaru do 100 m. W 2000 r. funkcję tę wyłączono.

Typowe odbiorniki sygnałów GPS mogą wyznaczać pozycje, korzystając z dwóch sposobów: SPS (Standard Positioning Service) lub PPS (Precise Positioning Service). Usługa precyzyjnego pomiaru (PPS) jest dostępna wyłącznie dla posiadających licencję agencji rządowych, wojskowych czy instytucji specjalistycznych (pomiary geodezyjne, topograficzne).

Satelity GPS 50 razy na sekundę transmitują dwa sygnały na częstotliwościach 1575,42 MHz (L1) oraz 1227,60 MHz (L2). Nadawanie odbywa się z wykorzystaniem bezpośredniego rozpraszania widma (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum), co umożliwia wykorzystanie tych samych częstotliwości przez wszystkie satelity (różne ortogonalne kody rozpraszające). Sygnał L1 niesie ze sobą informacje nawigacyjne i dane dla usługi SPS. L2 używany jest zaś do pomiaru opóźnienia w jonosferze i troposferze (istotne dla odbiorników PPS), przez co możliwe jest bardzo dokładne określenie pozycji. Oba sygnały są modulowane przez odpowiednie kody binarne, identyfikujące konkretnego satelitę. C/A

(Course Acquisition), będący powtarzaną co 1 ms sekwencją pseudolosową, jest podstawowym kodem dla usługi SPS (1575,42 MHz). Kod P (Precise) moduluje sygnały L1 i L2 (bardzo długa sekwencja, powtarzana co 267 dni) i jest wykorzystywany w usłudze PPS.

Dane emitowane przez satelity składają się z 25 ramek, zawierających po 1500 bitów każda. Z tej struktury wydzielonych zostało 5 podramek, pełniących określone funkcje. Poprawki zegara przesyłane są w pierwszej podramce, kolejne dwie zawierają dane orbitalne, pozostałe zaś przenoszą informacje systemowe. Transmisja odbywa się z szybkością 50 b/s (przesłanie podramki zajmuje 6 s, ramki 30 s, a całego sygnału 12,5 min).

Europejski system nawigacji satelitarnej Galileo będzie dysponował wysoką precyzją pomiaru (kilkadziesiąt centymetrów), docelowo po orbicie ma krążyć 30 satelitów

Europejski system nawigacji satelitarnej Galileo będzie dysponował wysoką precyzją pomiaru (kilkadziesiąt centymetrów), docelowo po orbicie ma krążyć 30 satelitów

Moc sygnałów docierających do powierzchni Ziemi jest niewielka. Jej średnie wartości osiągają ok. -127 dBm (0,2 fW), a często poziom sygnału jest jeszcze mniejszy (-140 dBm). W tej sytuacji odbiorniki GPS nie mogą brać pod uwagę kryterium mocy sygnału - jego rozpoznawanie dokonywane jest na drodze korelacji. Urządzenie wytwarza repliki kodów binarnych (C/A, P) z każdego widzianego satelity i próbuje je dopasować (przesuwając w czasie). Gdy kody się na siebie nałożą, wówczas proces korelacji zostaje zakończony, a odbiornik może zdemodulować sygnał i pobrać potrzebne dane. Jeśli urządzenie było już wcześniej uruchomione i zawiera w pamięci aktualny almanach (zbiór przybliżonych danych wszystkich satelitów systemu GPS), to proces akwizycji informacji może ulec skróceniu. W odbiorniku dokonywany jest pomiar odległości między nim a satelitami (tzw. pseudoodległość) oraz przeprowadzone są operacje kompensujące ewentualne błędy (poprawki czasowe, właściwości jonosfery, troposfery). Wszystkie dane są następnie używane do numerycznego określenia własnej pozycji. Należy pamiętać, że dokładność podawanej przez urządzenie lokalizacji może być pogorszona przez błędy występujące zarówno po stronie satelitów (błędy efemeryd, zegarów), jak i odbiornika (szumy, odbicia sygnału).

Konkurencja nie śpi

Global Positioning System jest uznanym i rozpoznawalnym praktycznie na całym świecie systemem nawigacyjnym. Należy jednak pamiętać, że całkowitą kontrolę nad nim sprawują Stany Zjednoczone Ameryki Północnej, co w sposób jednoznaczny uzależnia wszystkich jego użytkowników od stanowiska Departamentu Obrony USA (teoretycznie w każdej chwili może nastąpić wyłączenie całego systemu).

Aby zdetronizować dominującą pozycję USA na rynku usług nawigacji satelitarnej, Europejska Agencja Kosmiczna (ESA - European Space Agency), we współpracy z Komisją Europejską oraz organizacją Eurocontrol, opracowała system EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service). Podstawą jego pracy jest odbiór sygnałów z satelitów GPS oraz GLONASS (rosyjski system lokalizacji satelitarnej, który w założeniu miał stać się konkurencją dla swojego amerykańskiego odpowiednika) przez naziemne stacje o znanej lokalizacji, rozmieszczone w różnych częściach Europy. Wyznaczana jest w nich różnica pomiędzy prawdziwą pozycją stacji a tą obliczoną na podstawie odebranych sygnałów. Poprawka jest następnie wysyłana w przestrzeń kosmiczną do trzech satelitów serwisu EGNOS, które nadają go w kierunku Ziemi. Według ESA system EGNOS pozwala na wyznaczenie pozycji z błędem mniejszym niż 5 m. Istotny jest także fakt, że sygnał nie jest tłumiony przez naziemne przeszkody terenowe.

EGNOS nie jest jednak najważniejszym projektem, realizowanym przez ESA. W grudniu ub.r. z Kosmodromu Bajkonur (Kazachstan) został wysłany w przestrzeń testowy satelita europejskiego systemu nawigacyjnego Galileo. Satelita wyposażony został w jeden z najbardziej precyzyjnych układów zliczających, jakiego kiedykolwiek użyto w przestrzeni kosmicznej. Rubidowy zegar atomowy, dzieło Szwajcarów, ma udoskonalić pomiary, identyfikację i pozycjonowanie obiektów. Specjaliści uważają, że dzięki Galileo będzie można określać położenia obiektów z błędem sięgającym jedynie kilkudziesięciu centymetrów. Galileo jest największym tego typu przedsięwzięciem w Europie. Koszt wdrożenia projektu szacowany jest na ponad 3 mld euro. Docelowo po orbicie ma krążyć 30 satelitów. Charakter systemu Galileo ma pozostać całkowicie cywilny (w odróżnieniu od GPS), a nadzór nad jego funkcjonowaniem mają sprawować prywatne spółki. Ukończenie projektu oraz jego komercyjne wykorzystanie przewidywane jest na 2010 r.


TOP 200