GPS-NAVSTAR (Global Positioning System - NAVigation Signal Timing And Ranging) jest systemem nawigacji satelitarnej stworzonym przez Amerykański Departament Obrony (U.S. Department of Defense), który obejmuje swoim zasięgiem niemal całą kulę ziemską.
GPS-NAVSTAR daje możliwość wyznaczania pozycji, a także dostarcza bardzo precyzyjnych informacji na temat aktualnego czasu (dzięki zegarom atomowym, które posiada każdy z satelitów).
Nawigacja GPS (tak powszechnie nazywany jest system GPS-NAVSTAR) początkowo wykorzystywana była tylko przez amerykańskie wojsko. Obecnie dostęp do niej mają również cywile (dostęp jest bezpłatny).
GPS-NAVSTAR mógł zostać opracowany dzięki doświadczeniu jakie zebrano podczas tworzenia systemu Transit. Transit wykorzystywała Marynarka Wojenna USA do lokalizowania okrętów podwodnych z pociskami balistycznymi. Później Transit wykorzystywano również do celów hydrograficznych i geodezyjnych.
Nawigację GPS tworzą trzy segmenty:
- KOSMICZNY
- UŻYTKOWNIKA
- KONTROLI
Struktura nawigacji satelitarnej
Segment kosmiczny
Tworzy go 31 satelitów (stan na 1 stycznia 2016) znajdujących się na orbitach o nachyleniu 55° (bloki IIA, IIR oraz IIR-M) lub 63° (blok I). Przeważnie tylko 28 z nich jest czynna. Reszta nie działa z przyczyn technicznych bądź jest testowana.
Dla osiągnięcia pełnej operacyjności nawigacja GPS wymaga 24 sprawne satelity. Taka ilość sprawia, iż co najmniej 5 z nich, z prawdopodobieństwem 0.9996, jest widocznych z każdego miejsca na Ziemi.
Satelity nawigacyjne krążą po orbitach na wysokości około 20183 km, a ich czas pełnego obiegu Ziemi wynosi pół doby gwiazdowej (11 godz. 58 min.). 
Blok IIR
Zdjęcie: Lockheed Martin
Odbiornik nawigacyjny może zidentyfikować poszczególne satelity dzięki metodzie podziału kodu CDMA (Code Division Multiple Access). Chodzi tutaj o to, że wszystkie satelity emitują sygnał w tej samej częstotliwości, ale sygnał ten modulowany jest różnymi kodami.
Każdy satelita posiada zegar atomowy, dzięki czemu jego sygnał jest bardzo dokładnie zsynchronizowany z całą strukturą nawigacji. Elementy kosmiczne oraz stacje naziemne tworzą swego rodzaju sieć współzależności czasu. Dzięki temu odbiornik nawigacyjny nie tylko pokazuje aktualną pozycję, ale również bardzo precyzyjny czas.
Pewnego rodzaju ciekawostką związaną z nawigacją GPS jest to, że każdy satelita nawigacyjny posiada zainstalowany system szpiegowski NUDET (Nuclear Detection). Aparatura ta umożliwia natychmiastowe wykrycie wybuchów atomowych na Ziemi.
Sygnał między segmentem kosmicznym, a segmentem użytkownika przesyłany jest tylko w jednym kierunku (z satelitów do odbiornika).
| Blok | Ilość | Wystrzelono | Sprawnych | Charakterystyka |
|---|---|---|---|---|
| I (SVN1 - SVN11) |
10 | 1978 - 1985 | 0 |
Pierwszy satelita został wyniesiony na orbitę 22 lutego 1978 roku. Ostatni 9 października 1985 roku. Elementy tego bloku zostały wystrzelone z amerykańskiej bazy Sił Powietrznych Vandenberg, przy użyciu rakiet nośnych z rodziny Atlas. Komponenty Bloku I zostały zbudowane przez Rockwell International - w tych samych zakładach przemysłowych, w których skonstruowano drugi stopień (S-II) rakiety Saturn V. Blok I został wycofany z eksploatacji 18 listopada 1995. |
| II (SVN13 - SVN21) |
9 | 1989 - 1990 | 0 |
Pierwszego satelitę umieszczono na orbicie 14 lutego 1989. Ostatniego 1 października 1990. Elementy Bloku II zostały wystrzelone przy wykorzystaniu rakiet Delta II. Głównym konstruktorem Bloku II była firma Rockwell International. Każdy satelita dysponował podwójną baterią słoneczną zdolną wytworzyć 710 Wat mocy. Na pokładzie znajdowały się 4 zegary atomowe - 2 cezowe oraz 2 rubidowe. Blok II przestał być używany 15 marca 2007 roku. |
| IIA (SVN22 - SVN40) |
19 | 1990 - 1997 | 0 |
Pierwszego satelitę wystrzelono 26 listopada 1990, a ostatniego 6 listopada 1997. Były one wyposażone w 4 zegary atomowe: 2 cezowe i 2 rubidowe. Były wstanie działać do 180 dni bez potrzeby kontaktu ze stacjami kontrolnymi. Miały możliwość transmisji sygnału przekształconego przez degradację SA i AS. Dwie satelity (numer 35 oraz 36) wyposażono w zwierciadła laserowe, co umożliwiało ich śledzenie niezależnie od ich sygnału radiowego. Konstruktore Bloku IIA był Rockwell. Blok IIA został wyniesiony na orbitę za pomocą rakiet Delta II. Blok IIA został wycofany 25 stycznia 2016. |
| IIR (SVN41 - SVN62) |
12 | 1997 - 2004 | 12 | Za stworzenie Bloku IIR odpowiadał Lockheed Martin. Pierwszy satelita został umieszczony w kosmosie 23 lipca 1997 roku (pierwsza próba z 17 stycznia 1997 zakończyła się eksplozją rakiety Delta II 12 sekund po starcie). Każdy z satelitów dysponował 3 zegarami rubidowymi. W przypadku używania mechanizmu autonomicznej nawigacji możliwość działania przez 14 dni bez kontaktu ze stacjami kontrolnymi. Ponadto zdolność transmisji sygnału zdegradowanego przez degradację SA i AS. Dodatkowo możliwość łączności między sobą i możliwy pomiar odległości między satelitami. |
| IIR-M | 8 | 2005 - 2009 | 7 | Wyniesienie pierwszego ładunku na orbitę miało miejsce 26 września 2005. Ostatni satelita został umieszczony 17 października 2009. Możliwa wzajemna łączność i wzajemny pomiar odległości, integracja z innymi technikami (inercjalnymi), lustra laserowe, drugi sygnał cywilny L2C (na częstotliwości L2) oraz nowy sygnał wojskowy zwany M-code (na częstotliwościach L1 i L2). |
| IIF | 12 | 2010 - 2016 | 12 |
Głównym konstruktorem jest firma Boeinga. Blok IIF jest zarządzany przez Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych. Pierwszą satelitę wystrzelono 28 maja 2010. Ostatnią 5 lutego 2016. Nowa częstotliwość L5 (1176 MHz) oraz kolejny sygnał cywilny nadawany na tej częstotliwości. Przewidywane podwojenie dokładności, lepsza odporność na zakłócenia radiowe, reprogramowalne procesory, brak sprzętowo zainstalowanego mechanizmu Selective Availability. |
| IIIA | - | 2017 - ? | - | Będzie zaprojektowany przez firmę Lockheed Martin. Mają być dostępne nowe częstotliwości, a sam sygnał ma być nadawany z wyższą mocą. |
| IIIB | 8 | ? | - | - |
| IIIC | 16 | ? | - | - |
Segment użytkownika
Tworzą go wszelkiego rodzaju odbiorniki GPS - zarówno cywilne jak i wojskowe. Odbiorniki różnią się między sobą kształtem, posiadanym oprogramowaniem (dostosowane do konkretnych zastosowań) oraz poziomem dokładności. Nie zmienia to jednak faktu, że każdy z nich posiada bardzo zbliżony schemat budowy.
Schemat odbiornika do nawigacji
Dzięki odbiornikowi nawigacyjnemu użytkownik może odbierać sygnał z segmentu kosmicznego, który następnie wykorzystywany jest do wyznaczania pozycji w każdym miejscu na świecie.
Ważnym parametrem charakteryzującym odbiornik jest ilość posiadanych kanałów. Każdy z nich umożliwia śledzenie jednego, niezależnego sygnału. Ilość kanałów określa więc maksymalną liczbę satelitów, od których urządzenie może w tym samym czasie odbierać sygnały. Już w 2007 roku zaczęły pojawiać się urządzenia 12 - kanałowe. Obecnie standardem są już urządzenia 64 kanałowe. Jednak na chwilę obecną taka ilość kanałów nie zostanie wykorzystana. Odbiornik po prostu "nie zobaczy" takiej ilości satelitów GPS (maksymalnie 12). Związane jest to z ich ograniczoną ilością oraz kulistością Ziemi.
Aby można było określić pozycję w 3 wymiarach oraz czas, wymagana jest widoczność przynajmniej czterech satelitów przez odbiornik. Widoczność trzech umożliwia pomiar pozycji w dwóch wymiarach (długość i szerokość geograficzna bez informacji o wysokości nad poziomem morza).
Wiodącymi producentami urządzeń do nawigacji GPS są firmy TomTom, Garmin, Mio oraz Navroad.
Ogólnie dostępne urządzenia nawigacji satelitarnej dzielimy na:
- Dedykowane nawigacje GPS
- Moduły GPS
- Urządzenia typu Datalogger GPS
- Urządzenia z wbudowanymi odbiornikami
Dedykowane nawigacje GPS
Posiadają różny stopień mobilności. Możemy wymienić tutaj np. odbiorniki ręczne. Idealnie pasują one na piesze wędrówki czy jazdę rowerem. Dobrze sprawdzają się podczas wszelkiego rodzaju aktywności, np. podczas uprawiania sportu. Ich ekrany są zdecydowanie mniejsze niż innych urządzeń tego typu. Mapy w takich nawigacjach są zwykle mniej rozbudowane. Takim urządzeniem jest np. Garmin eTrex H.
Szeroką grupę stanowią nawigacje wykorzystywane w samochodach. Są to urządzenia o dużych 5 i 7 calowych ekranach. Charakteryzują się one dużym poziomem multimedialności. Oprócz nawigowania zapewniają także możliwość oglądania filmów, słuchania muzyki, a niektóre modele wyposażone są także w dostęp do Internetu. Za przykład może nam tutaj posłużyć model TomTom Start 25 M EU Europa.
Nawigacje dedykowane mogą być także przystosowane do jazdy motocyklem. Posiadają one zwykle ekrany 4,7 cali, są odporne na wibrację oraz posiadają obudowy przystosowane do zamontowania na przykład na kierownicy pojazdu.
Inną grupę dedykowanych urządzeń GPS stanowią chociażby nawigacje wykorzystywane na statkach oraz w samolotach.
Moduły GPS
Umożliwiają korzystanie z nawigacji w komputerach PC, laptopach, urządzeniach PDA czy telefonach komórkowych. Moduł taki może być podłączony za pomocą portu USB, Bluetooth, PCMCIA lub ExpressCard. Moduł GPS odpowiada za kontakt z segmentem kosmicznym, przetwarzanie sygnału oraz wyznaczanie pozycji. Prezentacja danych spoczywa po stronie podłączonego urządzenia multimedialnego.
Datalogger GPS (lokalizator, rejestrator trasy)
Zadaniem tego urządzenia jest rejestracja przebytej trasy, którą następnie możemy odtworzyć w laptopie czy komputerze PC. Urządzenie to ma również możliwość zapamiętania określonej pozycji, np. miejsce, w którym zrobiliśmy ciekawe zdjęcie, albo spotkaliśmy coś interesującego.
Jeżeli Datalogger zintegrowany jest z modułem GSM, to przyjmuje formę tzw. lokalizatora. Dane z takiego urządzenia przesyłane są za pomocą sieci GSM do odbiornika GSM i prezentowane w czasie rzeczywistym np. na ekranie komputera. Takie rozwiązanie pozwala np. na nadzorowanie floty pojazdów. Lokalizator może być także wykorzystany jako system antykradzieżowy (samochód może być bardzo szybko zlokalizowany po jego kradzieży).
Datalogger GPS charakteryzuje się małymi rozmiarami, długim czasem działanie oraz relatywnie niską ceną.
Urządzenia z wbudowanymi odbiornikami GPS
Od kilku lat moduły GPS umieszcza się w smartfonach oraz tabletach. Dzięki temu mogą być one wykorzystywane tak jak zwykłe, dedykowane urządzenia. Wystarczy jedynie zainstalować odpowiednie oprogramowanie, które często możliwe jest do uzyskania bezpłatnie. Moduły montuje się także w niektórych aparatach cyfrowych. Pozwala to na tzw. geotagowanie, czyli przypisywanie współrzędnych geograficznych do zdjęć.
Niektóre telefony wyposażone są w tzw. A-GPS. Umożliwia on skrócenie czasu wyznaczania pozycji poprzez łączenie się z serwerami operatora sieci GSM. Bez A-GPS nawigacja w telefonie również będzie działać, jednak pierwsze połączenie będzie trwało dłużej.
Zadania realizowane przez odbiornik do nawigacji:
- Odbiór sygnału satelitarnego
- Identyfikacja poszczególnych satelitów
- Obliczanie pseudoodległości
Odbiornik nawigacyjny na desce rozdzielczej
Niektóre funkcje odbiornika do pozycjonowania:
- Określanie pozycji według różnych układów współrzędnych
Elipsoida WGS-84 jest podstawowym układem odniesienia w nawigacji satelitarnej. Przy korzystaniu z map, które oparte są na innym układzie należy uwzględnić poprawki. Mimo, że większość odbiorników posiada możliwość wyświetlania pozycji w różnych układach, to dąży się do upowszechnienia map działających w oparciu o WGS-84 - Pomiar odległości
- Rejestrowanie śladu
- Track back (powrót do miejsca wyjścia "tą samą trasą")
- Wyznaczenie pola powierzchni (szczególnie ważne w rolnictwie)
- Nawigacja "do punktu" oraz "po trasie”
a ponadto
- Nawigowanie na mapach warstwowych
- Komunikacja z innymi urządzeniami elektronicznymi, np. z wykorzystaniem portu USB, lub Bluetooth
- Autorouting - wyznaczanie automatycznie przez urządzenie nawigacyjne trasy
Zalety pozycjonowania z wykorzystaniem odbiornika GPS:
- Z nawigacją satelitarną możemy wyznaczać pozycję w każdym miejscu na świecie (z prawdopodobieństwem 0.9996)
- Nieprzerwane całodobowe działanie
- Bierny odbiór sygnału przez odbiornik (sygnał emitowany tylko przez satelitę)
- Odporność na celowe zniekształcenia i zakłócenia
- Parametry pracy prawie niezależne od warunków atmosferycznych
Segment kontroli (naziemny)
Nawigacja GPS nie działałaby prawidłowo bez istnienia naziemnej struktury koordynującej oraz wspierającej pozycjonowanie nawigowanie. Segment naziemny składa się z kilkunastu stacji nadzorujących.
Nawigację GPS wspiera wiele instytucji, takich jak:
- Centrum Kontroli Satelitów Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych (AFSCN)
Instytucja ta sprawuje nadzór nad wszystkimi amerykańskimi satelitami. - Narodowa Agencja Wywiadu Satelitarnego (NGA)
Jest to wyspecjalizowana agencja Departamentu Obrony Stanów Zjednoczonych. - Obserwatorium Marynarki Wojennej USA
Instytucja ta wylicza wzorce czasu UTC. - Laboratorium Napędu Odrzutowego (Jet Propulsion Laboratory)
Zadaniem tej instytucji jest obserwacja ciał niebieskich (Słońca, Księżyc), które poprzez swoją grawitację wpływają na położenie satelitów nawigacyjnych GPS.
Główne Centrum Kontroli (Master Control Station), znajduje się w Bazie Sił Powietrznych Schriever (około 20 km na południe od Colorado Springs, USA).
Kolejnych 5 stacji monitorujących zarządzanych jest przez Siły Lotnicze USA. Znajdują się one na Hawajach, Przylądku Canaveral, Wyspie Wniebowstąpienia, wyspie Diego Garcia oraz Atolu Kwajalein.
Sprawdź stacje monitorujące pracę GPS-NAVSTAR
Od niedawna segment kontroli wspiera dodatkowych 9 stacji. Są one zarządzane przez NGA (National Geospatial-Intelligence Agency). Stacje te znajdują się na: Alasce, w Waszyngtonie, Ekwadorze, Wielkiej Brytanii, Bahrajnie, Korei Południowej, Republice Południowej Afryki, Australii oraz Nowej Zelandii.. Dzięki nim satelity śledzone są przez co najmniej 2 stacje monitorujące.
Większość stacji nadzoru rozmieszczonych jest możliwie blisko równika celem ciągłej obserwacji każdego satelity przez co najmniej dwie stacje przez całą dobę.
| Stacja centralna | Stacja monitorująca |
|---|---|
| Odbiór informacji z satelitów | Ciągły odbiór sygnałów satelitarnych GPS |
| Odbiór danych ze stacji naziemnych | Nadzorowanie poprawności działania segmentu kosmicznego |
| Przekazywanie informacji do stacji naziemnych | Przesyłanie informacji o wynikach nadzoru do Głównego Centrum Kontroli |
| Wysyłanie depeszy nawigacyjnej | Śledzenie oraz telemetryczne sprawdzanie orbit satelitarnych |
| Nadzór pracy stacji naziemnych | Zbieranie danych do poprawek jonosferycznych i pomiaru czas |
| Decyzje o naprawie oraz wymianie elementów nawigacji GPS | - |
| Decyzje o korektach orbit | - |
| Współpraca z instytucjami wspomagającymi nawigację satelitarną | - |
Komentarze
Co do chińskiego systemu, to wystrzelono jak na razie dopiero kilka satelitów. Ponoć działa on obecnie tylko na terenie Azji, a pełną operacyjność ma osiągnąć dopiero w 2020 roku.
Nie mówiąc o oprogramowaniu, które spóźnia się lub przyśpiesza na każdym skrzyżowaniu.
Może jeszcze wypowie się ktoś bardziej kompetentny niż ja.
Ostatnio słyszałem, że trwają zaawansowane prace nad nową technologią pozycjonowania - Galileo. Ponoć ma być zdecydowanie bardziej dokładny niż obecnie wykorzystywany. Ciekawe czy będzie można wykorzystać te same urządzenia do tych dwóch systemów. Porównanie dwóch niezależnych sygnałów na pewno jeszcze bardziej zwiększyłoby dokładność. Jednak na razie trzeba się zadowolić tym co jest. Jeżeli chodzi o mnie to w zupełności wystarczyłoby mi to co jest, jednak dlaczego nie skorzystać z czegoś nowego?
Pozdrawiam wszystkich korzystających z GPS.
Do czego jednak zmierzam. Gdyby opracowano urządzenie, które będzie korzystać z tych 4 technologii jednocześnie, to z pewnością dokładność lokalizacji znacząco by wzrosła. Nie wiem czy są takie plany, ale podejrzewam, że precyzja wynosząca nawet kilka centymetrów byłaby jak najbardziej możliwa. Inną kwestią jest jednak to, czy producenci pozwolą na to, aby cywile dysponowali odbiornikami o aż tak dużej dokładności.
A co do stronki, to bardzo fajnie się ją czyta i nie trzeba mieć żadnej wiedzy, aby zrozumieć o co chodzi.