Global Positioning System

Laboratorium Bezprzewodowych Sieci Komputerowych
Global Positioning System
Ćwiczenie ma na celu zaprezentowanie zasady działania systemu GPS oraz poznanie możliwości
oprogramowania użytkowego do obsługi odbiorników GPS.
Działanie systemu GPS jest oparte o satelity krążące wokół Ziemi. System jest tak zaprojektowany,
że z każdego punktu Ziemi widoczne są co najmniej 4 satelity. Wyznaczanie pozycji geograficznej
polega na pomiarze różnic czasu dotarcia sygnału z widocznych satelitów z sygnałem
generowanym lokalnie w odbiorniku. Wyznaczenie różnic w czasie pozwala na wyznaczenie
pseudoodległości, czyli różnic w odległości odbiornika od widocznych przynajmniej trzech
satelitów. Znając pseudoodległości oraz aktualną pozycję satelitów (jest ona wysyłana przez
satelity) metodą trilateracji można wyznaczyć pozycję geograficzną. Do wyznaczenia pozycji
wystarczy sygnał z trzech satelitów, a wyznaczenie wysokości nad poziomem morza wymaga
sygnału z minimum czterech satelitów. Komercyjne odbiorniki korzystają z sygnałów wysyłanych
na częstotliwości nośnej L1 = 1575,42 MHz, odbiorniki wojskowe i od niedawna także
zaawansowane odbiorniki profesjonalne korzystają równeż z częstotliwości L2 = 1227,6 MHz.
Zaawansowane odbiorniki wykorzystują technikę zwana kinematyczną, w której porównuje się
różnicę w fazie fali nośnej sygnałów pozwalając na dokładniejsze wyznaczenie czasu propagacji.
Rys 1. Ilustracja działania trilateracji
Największe znaczenie w systemie GPS ma dokładny pomiar czasu. Synchronizacja wszystkich
elementów systemu ma kluczowe znaczenie dla jego poprawnego funkcjonowania, dlatego też
każdy satelita wyposażony jest w zegar atomowy. Niestabilność częstotliwości generatorów
zegarowych jest jedną z przyczyn niedokładności niedrogich komercyjnych odbiorników.
Dodatkowo na czas propagacji mają wpływ warunki panujące w jonosferze i troposferze. Na
dokładność wyznaczania pozycji ma wpływ szum zakłócający w odbiorniku a także propagacja
wielodrogowa sygnału, który dociera do anteny odbiorczej nie tylko bezpośrednio, ale także odbity
od powierzchni Ziemi oraz innych obiektów w otoczeniu odbiornika.
Część błędów można wyeliminować stosując technikę DGPS – różnicowy GPS. Polega ona na tym,
że odbiornik podczas obliczeń uwzględnia poprawkę wysyłaną przez system wyliczania poprawek.
Poprawka jest wyznaczana na podstawie pomiarów wykonywanych przez stacjonarny odbiornik o
znanej pozycji geograficznej. Poprawki mogą być wysyłane lokalnie np. drogą radiową, do obliczeń
wykonywanych w trybie postprocessing przez Internet, lub przez dodatkowy system satelitarny.
Przykłady takich systemów to europejski EGNOS i amerykański WAAS. Rozsyłają one poprawki
przez geostacjonarne satelity. Część niedrogich odbiorników komercyjnych ma możliwość
odbierania poprawek różnych systemów.
Szacunkowy wpływ różnych czynników na błąd wyznaczania pozycji jest przedstawiony w
poniższej tabeli.
Źródło błędu
Wartość błędu (m)
Niestabilność zegara satelity
2m
Niestabilność zegara odbiornika
3m
Niestabilność orbit satelitarnych
2,5 m
Wpływ jonosfery
5m
Wpływ troposfery
0,5 m
Szum w obiorniku
0,3 m
Propagacja wielodrogowa
1m
Odbiorniki GPS komunikują się z komputerami łączem szeregowym. Większość odbiorników
używa domyślnie tekstowego protokołu zgodnego z NMEA, część można przełączyć na
opracowany przez producenta protokół binarny. Protokoły binarne mają większe mozliwości
informacyjne, jednak są różne dla różnych producentów. Jeśli urządzenie GPS łączy się z
komputerem poprzez USB lub Bluetooth, dane można odbierać przez wirtualny port COM.
Ćwiczenie laboratoryjne polega na dokonaniu odczytu pozycji geograficznej budynku wydziału i
porównanie jej z pozycją w wybranym internetowym systemie map (np. GoogleMap). Należy także
programem VisualGPS określić liczbę aktualnie widocznych satelit oraz zaobserwować ich pozycje
na niebie.
Sprawozdanie z laboratorium powinno zawierać krótki opis przebiegu ćwiczenia, zrzut z ekranu
programu terminalowego z przesłanym ciągiem znaków oraz wnioski.