Systemy GPS - Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej

SYSTEM GPS
Globalny System Nawigacyjny (GPS, NavStar) jest satelitarnym systemem nawigacyjnym o zasięgu globalnym.
SłuŜy do wyznaczania pozycji punktu, w którym znajduje się przyrząd nawigacyjny - odbiornik. Pozycja
oznacza współrzędne punktu. W układzie współrzędnych geograficznych są to długość geograficzna - λ,
szerokość geograficzna - φ oraz wysokość H.
Budowa i zasada działania systemu
System składa się z trzech części: satelitarnej, naziemnej i uŜytkownika.
Część pierwsza to zespół 21 satelitów rozmieszczonych równomiernie na 6
kołowych orbitach na wysokości ok. 20200 km. Na kaŜdej orbicie nachylonej
do równika pod kątem 55º znajduje się co najmniej 6 satelitów.
Podstawowym wyposaŜeniem kaŜdego satelity jest najwyŜszej klasy zegar
atomowy oraz zespół urządzeń elektronicznych dla odbioru i nadawania
sygnału nawigacyjnego w postaci zakodowanej depeszy. Depesza zawiera
podstawowe dane dotyczące czasu, połoŜenia satelity w przestrzeni oraz
Źródło: www.rockwellcollins.com
dodatkowe informacje nawigacyjne. System jest zaprojektowany w ten
sposób, Ŝe w kaŜdym punkcie na powierzchni Ziemi widoczne są w kaŜdej
chwili przynajmniej 4 satelity. Część naziemna systemu składa się z kilku
bazowych stacji, wyposaŜonych w odpowiednią aparaturę, które kierują
całym systemem. Do ich zadań naleŜy stałe śledzenie zespołu satelitów i
wyznaczanie ich pozycji oraz kontrola stanu technicznego. Ponadto na
pokład kaŜdego satelity wysyłane są dane korekcyjne dotyczące pozycji oraz
wskazań zegara pokładowego. Segment trzeci to wszyscy uŜytkownicy na
powierzchni Ziemi, w powietrzu i na wodzie. KaŜdy uŜytkownik
wyposaŜony w odbiornik sygnału GPS moŜe wyznaczyć swoją pozycję z
dokładnością 2 do 10 m zaleŜnie od klasy odbiornika, chwilowej
konfiguracji satelitów a takŜe warunków lokalnych. Odbiornik zawiera:
wysokiej klasy zegar, urządzenia elektroniczne dla odbioru i przetwarzania
sygnałów oraz wykonywania obliczeń.
Konstelacja satelitów GPS. Źródło:
http://gps.faa.gov
Zasada pomiaru polega na równoczesnym pomiarze odległości do będących
w polu widzenia satelitów. Notując moment emisji sygnału z satelity oraz
moment odbioru w urządzeniu uŜytkownika wyznaczymy czas przelotu sygnału na trasie satelita-odbiornik,
mnoŜąc tę wielkość przez prędkość światła otrzymamy poszukiwaną odległość. Wskazania zegarów na satelicie
i w odbiorniku uŜytkownika róŜnią się nieznacznie stąd potrzeba obserwacji przynajmniej 4 satelitów.
Rozwiązanie czterech równań, zawierających współrzędne X Y Z oraz poprawkę ∆t wynikającą ze wspomnianej
róŜnicy wskazań zegarów, pozwala uzyskać pozycję stacji uŜytkownika w układzie współrzędnych X Y Z, które
mogą być następnie przeliczone na współrzędne geograficzne.
Istnieje teŜ drugi sposób wykorzystania sygnałów nawigacyjnych, w którym zamiast pomiaru odległości
wykorzystuje się pomiar róŜnicy fazy odbieranych sygnałów. Sposób ten stosuje się przewaŜnie do wyznaczania
współrzędnych punktów nieruchomych. ChociaŜ trudniejszy w realizacji, moŜe zapewnić znacznie wyŜszą
dokładność rzędu centymetrów.
Zastosowania systemu GPS
System nawigacyjny ma liczne zastosowania, warto tu wymienić:
a. Nawigację lądową, morską, powietrzną
b. Ratownictwo lądowe i morskie
c. Nadzór nad ruchem w transporcie lądowym morskim i powietrznym
d. Tyczenie tras w budownictwie drogowym
e. Pomiary geodezyjne
f. Pomiary geologiczne i geofizyczne
g. Ogromny obszar zastosowań militarnych
Wymienione tu pozycje nie wyczerpują wszystkich obecnych zastosowań systemu. A wiele pomysłów na jego
wykorzystanie ciągle powstaje.
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
GPS - zaawansowane zastosowania nowej technologii satelitarnej
System GPS był zasadniczo przygotowany dla celów militarnych, skąd wynikają jego cechy charakterystyczne
oraz ograniczenia. Ze względów wojskowych przewidziano moŜliwość wprowadzania niewielkich zakłóceń
ograniczających dokładność. Przewidziano takŜe wyłączanie systemu w przypadku zagroŜeń militarnych.
Wreszcie niektóre właściwości systemu są zakodowane i niedostępne dla uŜytkowników cywilnych. Władze
wojskowe kierujące systemem nie gwarantują takŜe niezawodności systemu i nie ponoszą z tego powodu
odpowiedzialności. Te czynniki spowodowały ewolucję systemów nawigacji.
Rozwiązaniem doraźnym było wprowadzenie tzw. GPS róŜnicowego (DGPS). Zasada jego działania polega na
wyborze stacji bazowych o dobrze wyznaczonych współrzędnych. Na tych stacjach prowadzi się ciągłe pomiary
współrzędnych przy pomocy systemu GPS. Na podstawie porównania wyznaczonych i znanych współrzędnych
stacji oblicza się poprawki, które trzeba dodać do pomiarów, aby otrzymać poprawne współrzędne na nowych
punktach. W ten sposób udaje się podnieść dokładność wyznaczania pozycji do decymetra a nawet lepiej przy
dłuŜszym pomiarze. Niestety najlepsze wyniki otrzymuje się w ograniczonej odległości od stacji bazowych.
Bardziej radykalne rozwiązania bazują na systemach satelitarnych. W ten sposób powstał np. europejski system
EGNOS oraz jego odpowiedniki na innych kontynentach. Zasada działania jest podobna jak w DGPS jednak
stacje bazowe są rozłoŜone na znacznie większym terytorium, w przypadku EGNOS na obszarze Europy.
System opiera się na GPS a w jego skład wchodzi dodatkowo satelita geostacjonarny umieszczony nad
obsługiwanym obszarem. Poprawki wyznaczone na stacjach bazowych są transmitowane do satelity
geostacjonarnego a stamtąd rozsiewane na cały obszar działania. Poprawki są dodatkowo zróŜnicowane dla
róŜnych rejonów obszaru, poniewaŜ ich wielkość jest róŜna dla poszczególnych rejonów. PowyŜsze rozwiązanie
pozwala podnieść dokładność wyznaczenia współrzędnych, nie zapobiega jednak innym opisanym brakom
systemu. Zawodzi takŜe w sytuacjach, gdy konfiguracja widzianych na danym punkcie satelitów jest
niewystarczająca. Taki przypadek zdarza się na przykład w miastach czy w lesie lub w górach. Metodą
rozwiązania tych problemów jest budowa nowych systemów.
W Europie prowadzone są prace nad zbudowaniem niezaleŜnego systemu pod nazwą GALILEO. Zasadnicze
charakterystyki systemu są zbliŜone do systemu GPS, chociaŜ przewiduje się nieco większą dokładność
wyznaczeń. Zasadnicza róŜnica polega na tym, Ŝe system będzie całkowicie cywilny i jawny a administrator
będzie ponosił odpowiedzialność za jego: niezawodność, dostępność, dokładność itd. Otworzy to automatycznie
nowe pola zastosowań, w których wymagany jest zwiększony poziom bezpieczeństwa. Przewiduje się, Ŝe nowy
system będzie technicznie i operacyjnie spójny z systemem GPS. UmoŜliwi to budowę uniwersalnych
odbiorników na obydwa systemy. W ten sposób nastąpi znaczne zagęszczenie konfiguracji satelitów i w związku
z tym pewność działania nawigacji. Obecnie dostępny jest juŜ EGNOS, który przeszedł juŜ procedurę testowania
a obecnie podlega jeszcze niezbędnym korektom, typowym dla okresu ostatecznego uruchamiania. Głównym
problemem jest obecnie brak dostatecznej liczby odbiorników zdolnych do korzystania z sygnałów satelity
geostacjonarnego. Rozwiązaniem przyszłościowym jest system GALILEO, którego pełne uruchomienie
przewidziane jest na okres po roku 2010. Według obecnych zamierzeń EGNOS będzie funkcjonował równieŜ po
uruchomieniu GALILEO i włączy te satelity do swojego programu. RozwaŜa się takŜe włączenie do niego
satelitów rosyjskiego systemu nawigacyjnego GLONASS.
Omawiając zastosowania systemu nawigacyjnego wprowadza się często podziały na zastosowania cywilne
wojskowe czy naukowe. Taki podział jest często „nieostry”, poniewaŜ na przykład nawigacja wojskowa i
cywilna, co do zasady, niewiele się róŜni. W związku z tym równieŜ podział stosowany w tym przeglądzie musi
być traktowany z pewną tolerancją.
Obecnie najbardziej rozpowszechnione jest zastosowanie nawigacji satelitarnej w transporcie. Kierowcy
pojazdów wyposaŜonych w odpowiednie odbiorniki mogą w ułatwiony sposób poruszać się po zaplanowanych
trasach kontrolując swoje połoŜenie. Bardziej zaawansowane rozwiązania umoŜliwiają juŜ odszukanie
wybranego adresu i doprowadzenie do niego pojazdu. W najbliŜszej przyszłości zintegrowane systemy nawigacji
i telekomunikacji umoŜliwią kontrolę ruchu pojazdów a w konsekwencji optymalizację transportu. Wymiana
informacji między pojazdami i ośrodkami zarządzającymi usprawni kierowanie ruchem podróŜnych a takŜe
kierowanie masowym transportem towarów. WaŜnym elementem są tu zagadnienia bezpieczeństwa ruchu oraz
organizowanie akcji ratunkowych w razie wypadków czy katastrof drogowych. W dalszej przyszłości systemy
nawigacyjne wejdą w skład automatycznego sterowania a nawet prowadzenia pojazdów. Podobne zastosowania
dotyczą transportu kolejowego, oczywiście przy uwzględnieniu specyfiki tego środka transportu.
Transport morski jest dziedziną, w której nawigacja była od zawsze podstawą działania. Skomplikowane i
niezbyt dokładne metody nawigacji astronomicznej były wystarczające na pełnym morzu jednak w pobliŜu lądu
niezbędna była uzupełniająca nawigacja naziemna. Rozbudowywano systemy nawigacji optycznej a w ostatnich
dziesięcioleciach elektronicznej. Wadą tych systemów był ograniczony zasięg, wysoka cena inwestycji i
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
eksploatacji oraz niejednorodność. Nawigacja satelitarna radykalnie rozwiązuje te problemy. Nawigowanie
znacznie się upraszcza a nawet automatyzuje; uniezaleŜnia się takŜe od pogody, co było problemem nawigacji
astronomicznej. Zastosowanie systemów DGPS pozwala zwiększyć dokładność nawigowania w stopniu, który
umoŜliwia kierowanie statkiem przy podejściu do portu a nawet w porcie. Niezwykłe istotne są względy
bezpieczeństwa. Natychmiastowa znajomość dokładnej pozycji statku w razie awarii zwiększa w sposób
zasadniczy szansę powodzenia akcji ratunkowej. Na statkach są równieŜ montowane urządzenia do
automatycznego zapobiegania kolizjom. KaŜdy statek wyposaŜony w te dodatkowe urządzenia wysyła
regularnie sygnał radiowy zawierający informacje o jego: pozycji, kursie, prędkości a takŜe indywidualny
identyfikator statku. W przyszłości będzie moŜliwa nie tylko automatyzacja nawigacji, ale takŜe automatyczne
sterowanie statkami, szczególnie w miejscach o duŜym natęŜeniu ruchu lub w warunkach ograniczonej
widoczności a nawet jej braku. Systemy nawigacyjne typu EGNOS powinny zapewnić wystarczającą
dokładność a w szczególności pewność wiarygodność czy dostępność.
W lotnictwie cywilnym zastosowanie nawigacji GPS jest dopiero w fazie początkowej. Spowodowane jest to
koniecznością zapewnienia skrajnie wysokich warunków bezpieczeństwa lotu a szczególnie fazy startu i
lądowania. Dotychczas istniejący system GPS ma ograniczenia dotyczące: dokładności, dostępności czy
wiarygodności. Właściciel systemu nie gwarantuje zapewnienia tych parametrów i nie bierze za nie
odpowiedzialności. Dodatkowo działająca obecnie konstelacja satelitów moŜe być w pewnych okolicznościach
niewystarczająca dla zapewnienia widoczności wymaganej liczby satelitów. Te warunki są krytyczne w fazie
podejścia i lądowania. Niebagatelną rolę odgrywa równieŜ ogromny koszt inwestycji naziemnych i na
samolotach. Sytuację moŜe zmienić powstanie systemów typu EGNOS a w przyszłości GALILEO. Operator
tych systemów gwarantuje utrzymanie parametrów i bierze za nie odpowiedzialność. Ponadto po uruchomieniu
GALILEO znacznie zwiększy się łączna konstelacja satelitów. Przy zapewnieniu zgodności operacyjnej
systemów GPS i GALILEO pozwoli to na znaczne poprawienie krytycznych parametrów systemu.
W najbliŜszym czasie będzie się upowszechniać nawigacja lotnicza GPS nad obszarami oceanów oraz
kontynentami o słabym rozwoju infrastruktury gdzie mapy geograficzne nie są wystarczające. System GPS
umoŜliwi tutaj dokładne nawigowanie, ale równieŜ zapewni zachowanie właściwej separacji pionowej kanałów
lotniczych. Ma to istotne znaczenie na trasach lotniczych, które juŜ obecnie są bardzo mocno obciąŜone. Na
przykład na trasie Europa – Ameryka. W dalszej przyszłości rozwaŜa się nawet rezygnację z kanałów lotniczych
na rzecz indywidualnego kierowania i kontroli lotu samolotów. W rezultacie nastąpiłoby znaczne rozgęszczenie
ruchu, skupionego obecnie w kanałach przelotowych.
W fazie podejścia i lądowania zastosowanie systemów satelitarnych będzie rozwijało się wolniej. Krytyczne
warunki bezpieczeństwa w tej fazie lotu, rozbudowana dotychczas klasyczna aparatura nawigacyjna oraz koszt
nowych inwestycji nie skłaniają administracji lotniczej do podejmowania ryzyka. Mimo to przyszłość naleŜy
niewątpliwie do nawigacji satelitarnej. Specjalnie zbudowane lokalne systemy typu DGPS zapewnią nawigację z
dokładnością decymetrową, która umoŜliwi bezpieczne lądowanie nawet przy bardzo ograniczonej widoczności.
W dalszej przyszłości otwiera to drogę do całkowitej automatyzacji lądowania z dokładnością i
bezpieczeństwem większym niŜ moŜe to zapewnić pilot, ze względu na dość długi czas reakcji człowieka na
szybko zmieniające się warunki. Odrębnym zagadnieniem jest nawigacja w lotnictwie wojskowym. Ma ona
podstawowe znaczenie w warunkach bojowych, jednak ze względu na specyfikę zastosowań wojskowych oraz
ograniczone rozpowszechnienie informacji, ten temat nie będzie tu szerzej omawiany.
Niezwykle waŜnym jest zastosowanie GPS dla celów
geodezyjnych i kartograficznych. System nawigacji
satelitarnej umoŜliwił utworzenie globalnego układu
współrzędnych odniesienia. Po raz pierwszy w dziejach
pozwoliło to opracować mapy we wspólnym, jednorodnym
układzie. Radykalnej zmianie uległy pomiary niezbędne dla
krajowych czy kontynentalnych sieci geodezyjnych. Dawne
sieci triangulacji państwowej zostały zastąpione sieciami
punktów GPS. Nowe sieci powstają znacznie szybciej są
tańsze i dokładniejsze. Powiązanie pomiarów współrzędnych
ze zdjęciami lotniczymi oraz satelitarnymi pozwala tworzyć
Źródło: www.nasm.si.edu
dokładne mapy topograficzne oraz tematyczne. MoŜna na
przykład śledzić stan upraw w rolnictwie, monitorować katastrofy naturalne, np. powodzie czy poŜary lasów.
Przyszłością są niewątpliwie tzw. cyfrowe mapy terenu. Polega to na zamianie mapy analogowej na cyfrową.
Oznacza to, Ŝe kaŜdemu punktowi w terenie odpowiada informacja cyfrowa dotycząca pozycji oraz danych
geograficznych. Informacje zapisane w pamięci komputera mogą być w dowolnym momencie wyświetlone na
ekranie z wybraną dokładnością a takŜe wybrana treścią. MoŜna na przykład wybrać tylko drogi czy linie
kolejowe, uŜytki rolne lub lasy, zbiorniki wodne i rzeki itd. W przyszłości systemy satelitarne łącznie z mapami
staną się podstawą zautomatyzowanych systemów kierowania i nadzoru ruchu drogowego, prac rolniczych itp.
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
Inną waŜna grupą są zastosowania naukowe. Bardzo często mają one równieŜ waŜne zastosowania praktyczne.
Wymienić tu moŜna sprawę skali czasu. Jak juŜ wspomniano cały system GPS opiera się na zespołach zegarów
atomowych najwyŜszej klasy. Są one rozmieszczone w naziemnych stacjach sterujących oraz na satelitach.
Razem tworzą atomową skalę czasu GPS. PoniewaŜ informacje o czasie zawarte są w sygnale kaŜdego satelity
systemu, odpowiednio wyposaŜony odbiornik potrafi zdekodować wskazania takiego zegara, który moŜe słuŜyć
jako wysokiej klasy wzorzec. Tak dokładny czas wykorzystywany jest nie tylko w doświadczeniach fizyków czy
astronomów, ale słuŜy równieŜ do synchronizacji sieci telefonów komórkowych. Ostatnio zaczęto nawet
stosować te sygnały do synchronizacji zegarów na giełdach, gdzie czasem ułamek sekundy decyduje o zawarciu
transakcji. Zegary satelitów GPS wykorzystuje się równieŜ do porównań narodowych systemów czasu i
włączania ich do tworzenia światowej skali czasu atomowego.
Z tworzeniem i dystrybucją skali czasu związane jest teŜ badanie nieregularności ruchu obrotowego Ziemi.
Kiedyś ruch obrotowy Ziemi stanowił wzorzec czasu. Jednak obecnie uŜywane zegary atomowe pozwalają
tworzyć i konserwować skalę czasu znacznie dokładniejszą niŜ ta uzyskiwana z ruchu obrotowego Ziemi. Dało
to podstawę do wyznaczania nieregularności w tym ruchu a takŜe badania długości doby. Badania te mają nie
tylko wartość poznawczą, ale słuŜą takŜe do poprawiania samego systemu GPS związanego przecieŜ z Ziemią.
Pomiary GPS są szeroko stosowane w badaniach geofizycznych i geodynamicznych. W szczególności
prowadzone są prace związane z wyznaczeniem dokładnej figury Ziemi zwanej geoidą. Jest to ściśle związane z
badaniem pola grawitacyjnego Ziemi i jego nieregularności. Jak wiadomo przybliŜeniem figury Ziemi jest
elipsoida. Jednak nie jest to powierzchnia ekwipotencjalna Ziemskiego pola grawitacyjnego, które jest
nieregularne i dla którego powierzchnią ekwipotencjalną jest geoida. Figura ta jest nieregularna i nie moŜna jej
przedstawić przy pomocy prostego wzoru matematycznego jak na przykład dla elipsoidy. Informacje o
dokładnym kształcie geoidy moŜna uzyskać z badań globalnego pola grawitacyjnego. SłuŜą do tego specjalne
satelity wyposaŜone w odpowiednią aparaturę. WaŜnym składnikiem ich wyposaŜenia są odbiorniki GPS
dostarczające informacji o pozycji satelity w momencie pomiaru parametrów pola grawitacyjnego. Znajomość
dokładnego kształtu geoidy jest niezbędna dla dokładnego wyznaczenia, z pomiaru GPS, wysokości punktu na
powierzchni Ziemi.
Innym waŜnym polem badań naukowych są ruchy kontynentów i deformacje powierzchni Ziemi. Zjawiska na
granicach płyt kontynentalnych są niezwykle waŜne zarówno z powodów poznawczych jak i ze względu na
wpływ, jaki wywierają na Ŝycie mieszkańców tych rejonów np. przez trzęsienia ziemi.
Z tego krótkiego przeglądu widać, Ŝe zastosowania naukowe GPS są przewaŜnie bardzo blisko potrzeb
praktycznych. Dotyczy to nawet tak, z pozoru, egzotycznych badań jak wpływ teorii względności Einsteina na
GPS, poniewaŜ wynikające z tego wpływu poprawki SA są niezbędne dla zapewnienia poprawności działania
systemu.
Konkluzja
Dokonany powyŜej, z konieczności bardzo skrótowy, przegląd spraw związanych z systemem nawigacji GPS
pokazuje ogromne i stale wzrastające pole zastosowań. W przyszłości moŜe zająć miejsce równorzędne z
telekomunikacją mobilną a moŜe nawet ją wyprzedzić. Niewątpliwie systemy nawigacyjne staną się waŜnym
czynnikiem złoŜonych kompleksów niezbędnych dla automatyzacji nie tylko transportu czy nawigacji, ale i
innych licznych dziedzin Ŝycia i procesów gospodarczych, technicznych czy obronnych. Liczba zastosowań stale
rośnie i obecnie trudno nawet wyobrazić sobie wszystkie obszary zastosowań. Ponadto trzeba wziąć pod uwagę
moŜliwą ewolucję systemów nawigacyjnych i powstawanie nowych metod pomiarowych, co będzie w
konsekwencji zwiększać znaczenie tych technologii w Ŝyciu społeczeństw.
Opracowanie: Jan K. Łatka
© Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl