Czym jest lokalizator GPS

GPS - Global Positioning System

Wielu z nas na pewno w swoim życiu choć raz słyszało pojęcie GPS, najczęściej w kontekście nawigacji samochodowej i ustalania miejsca położenia auta lub osoby. Czym właściwie jest osławione GPS?

Pojęcie GPS w praktyce

GPS najłatwiej tłumaczyć z języka angielskiego jako Globalny system lokalizacyjny. Sam skrót został zaczerpnięty od zwrotu Global Positioning System. NAVSAT-GPS to obejmujący cały świat system nawigacyjny, czyli system radionawigacyjny, który dotyczy globu ziemskiego. Wykorzystuje on w swoim funkcjonowaniu sztuczne satelity i umożliwia wyznaczenie współrzędnych geograficznych oraz wysokości nad poziomem morza w zasadzie dowolnego obiektu, o ile wyposażony jest on w odpowiednie urządzenie odbiorcze. Może to być osoba, pojazd, jak i każdy inny przedmiot, w którym możemy umieścić lokalizator GPS.

Historia systemu GPS

Pierwsze przesłanki budowy nawigacji satelitarnej GPS pojawiły się w 1956 roku, kiedy to Friedwardr Winterberg zaproponował wykorzystanie zegarów atomowych umieszczonych w sztucznych satelitach na orbitach okołoziemskich. Ich rozlokowanie miało służyć weryfikacji ogólnej teorii względności autorstwa Alberta Einsteina. Rok później grupa naukowców pod kierunkiem dr Richarda B. Kershner`a z John Hopkins University w Baltimore w Stanach Zjednoczonych podjęła próbę monitorowania sygnału radiowego nadawanego przez radzieckiego satelitę Sputnik 1. Dążono do złamania kodu sygnału telemetrycznego sputnika. Nie emitował on żadnych sygnałów, ale zauważono, że aktualny przelot satelity da się wyliczyć z wykorzystaniem tzw. efektu Dopplera. Wnioski naukowców pokazały, że można wykorzystywać sztuczne satelity do dokładnej lokalizacji pozycji ludzi i rzeczy.

Wspominany NAVSAT, nazywany również w skrócie NNS oraz TRANSIT, to amerykański system pozycjonowania satelitarnego z dostępem globalnym, nad którym prace trwały w latach 1958-1962, ale zdolność operacyjna została wykorzystana w 1964 roku. Warto podkreślić, że systemy GPS od samego początku miały służyć działaniom wojska. Dlatego system TRANSIT tworzono z myślą o Marynarce Wojennej Stanów Zjednoczonych, choć stwierdzono w 1967 roku, że korzyści z jego zastosowania w praktyce mogą odnieść również cywile, dlatego postanowiono go im udostępnić.

System NAVSAT do wyznaczania pozycji stosował efekt Dopplera, przez co pomiar dokonywany był z poślizgiem czasowym, dlatego trudno było go wykorzystywać choćby w transporcie czy w działaniach wojska. Znalazł jednak swoje zastosowanie w żegludze, geodezji i hydrografii. Niedoskonałość systemu wynikała również z faktu, że jego satelity były umieszczone na niskich orbitach, w odległości zaledwie 1100 km nad Ziemią, przez co emitowały sygnał na dwóch falach nośnych o częstotliwości 150 oraz 400 MHz.

Kolejny krok na przód w budowie systemu lokalizacyjnego GPS podjęto w 1968 roku. Otwarto wówczas prace nad programem TIMATION przeznaczonym dla Marynarki Wojennej oraz programem 621 B dla Wojska Powietrznego Stanów Zjednoczonych.

Przełomem stał się rok 1973, kiedy podjęto decyzję o zaprojektowaniu satelitarnego systemu pozycjonowania w oparciu o dotychczasowe doświadczenia. Miał on pozwalać na sprawną, szybką i dokładną lokalizację, z której mogłyby korzystać wszystkie rodzaje sił zbrojnych Stanów Zjednoczonych. Testy systemu trwały w latach 1974-1979. Cel militarny tworzenia systemu GPS przyświecał jego twórcom od samego początku, choć jak wiemy, został on rozpowszechniony również wśród użytkowników cywilnych.

W 1977 roku wykonano pierwsze próby odbiorników, ale jeszcze zanim satelity umieszczono na orbitach. Sygnał przekazywały rozmieszczone na powierzchni Ziemi tzw. pseudosatelity. Właściwe trafiły na orbitę w latach 1978-1985. Pierwszą satelitę z czujnikiem rejestrującym wybuchy atomowe, tzw. system NUDET, wystrzelono w 1980 roku. Zmagania z problemami finansowymi na parę lat zawiesiły realizację projektu systemu GPS, ale już 1 września 1983 roku USA podjęło decyzję o udostępnieniu systemu GPS także w zastosowaniach cywilnych. Impulsem do tej decyzji była katastrofa samolotu koreańskich linii lotniczych. Kiedy zboczył on z kursu i znalazł się nad terytorium ZSRR, został zestrzelony przez radzieckiego myśliwca. Tragedii można było uniknąć, gdyby system lokalizacji GPS był powszechnie wykorzystywany.

W latach 1989-1990 wystrzelono 9 satelitów bloku II. Na czas wojny w Zatoce Perskiej wyłączono mechanizm Selective Availability, czyli mechanizm zmniejszający precyzję cywilnych odbiorników do około 100 m. Uruchomiono go ponownie 1 lipca 1991 roku. Do 1997 roku wystrzelono 19 kolejnych satelitów bloku IIA.

Dokładnie 17 lipca 1995 roku osiągnięto pełną operatywność systemu GPS. Technologia lokalizacji satelitarnej cały czas się rozwija, a na orbitę okołoziemską wysyłane są kolejne, coraz to nowsze satelity.

Kodowanie w systemie GPS

W zależności od tego, czy system GPS ma zastosowanie dla wojska i celów militarnych czy też dla ludności cywilnej, inny system kodowania się stosuje:

  • kody precyzyjne P, zastrzeżone głównie dla wojska, pozwalający na dokładne wyznaczenie pozycji do 16 metrów przy prędkości do 0,2 m/s,
  • kody standardowe (C/A), dla innych użytkowników systemu, z dokładnością do 100 metrów.

Co ciekawe, jeśli GPS stosowany jest przy pomiarach geodezyjnych, z wykorzystaniem 2 lub więcej stacji naraz, można osiągnąć dokładność do kilku cm.

Nawigacja GPS jest obecnie stosowana dla:

  • służb lotniczych, morskich i lądowych,
  • geodezji,
  • nawigacji samochodowej,
  • turystyki.

Jak to w praktyce działa?

Każdy lokalizator GPS zawiera zegar o wysokiej precyzji działania oraz komputer, który oblicza odległość od 3 satelitów, posiadających znane położenie. Na podstawie pomiaru czasu dojścia sygnału do każdego z satelitów, wyznacza się punkt przecięcia 3 sfer zatoczonych z punktów położenia satelitów promieniami równymi odpowiednim odległościom. Odbiór sygnału czwartego satelity zwiększa dokładność pomiaru i daje możliwość wyznaczenia prędkości, z jaką porusza się obiekt lub czasu.

Najważniejszym elementem systemu GPS, bez którego nie mógłby on funkcjonować, są satelity - docelowo w liczbie 21 plus 3 zapasowe. Umieszcza się je równomiernie na wysokości około 20 200 km na 6 kołowych orbitach, nachylonych w stosunku do równika pod kątem 55 stopni. Z każdego punktu na Ziemi można w danej chwili obserwować minimum 5 satelitów.

W Colorado Springs w USA znajduje się stacja naziemna w Falcon, która odpowiada za kierowanie, obsługę i kontrolę nad systemem. Dodatkowo wspomagana jest ona przez 4 stacje pomocnicze, które zlokalizowane są na wyspach w pobliżu równika:

  • Hawaje,
  • Kwajalein,
  • Diego Garcia,
  • W. Wniebowstąpienia.

W stacji głównej w Falcon dokonuje się analizy sygnałów satelitów i tworzy na ich podstawie depesze nawigacyjne, przekazywane przez satelity użytkownikom. Zawierają one skorygowane dane.