GPS

Znany pod nazwą GPS (Global Positioning System) satelitarny system nawigacyjny Navstar (Navigational Satellite Time and Ranging) został zaprojektowany jako precyzyjny system określania położenia o zasięgu globalnym. Jest on najnowocześniejszym z satelitarnych systemów nawigacyjnych. Jest niewątpliwie największym dotąd osiągnięciem w dziedzinie wyznaczania pozycji, chociaż próba odpowiedzi człowiekowi "z ulicy" na pytanie o jego rzeczywiste znaczenie dla nawigacji może być przyczyną wielu groźnych chorób. Winna temu jest bezpłatna reklama, przypisująca GPSowi cudowne właściwości: od automatycznego fruwania samolotów do zapobiegania ciemnieniu chrzanu. Chyba przesadziłem, ale od pisania o GPS powstrzymują się chyba już tylko analfabeci.

GPS Navstar oparty jest na zespole satelitów, krążących na orbitach 20200 km (11 tys. NM) nad Ziemią (dwukrotne okrążenie Ziemi w ciągu doby). Pierwszy satelita systemu został umieszczony na orbicie w styczniu 1978 r., a w lipcu 1995 r. system uzyskał pełną sprawność operacyjną. Decyzją Kongresu USA, GPS został dopuszczony do zastosowań cywilnych. Obecnie system jest zarządzany przez dowództwo sił powietrznych USA, a konkretnie połączone biuro Navstar (GPS JPO - Navstar GPS Joint Program Office), złożone z przedstawicieli sił powietrznych, marynarki, sił lądowych, piechoty morskiej, straży przybrzeżnej, US Defence Mapping Agency, kwatery głównej NATO i Australii.
Rosyjskim odpowiednikiem GPS Navstar jest system GLONASS.

Na system GPS Navstar składają się trzy segmenty, wyróżniane według funkcji: segment satelitarny, segment kontroli i segment użytkownika.
Segment satelitarny tworzą 24 satelity. Satelity są rozmieszczone na sześciu planach, czyli płaszczyznach orbitalnych (cztery satelity na każdym), co pozwala na odbiór sygnału od pięciu do dwunastu satelitów z każdego punktu globu.
Segment kontroli tworzy system pięciu stacji monitorujących z głównym centrum kontroli w bazie lotniczej Falcon w stanie Kolorado. Stacje odbierają sygnały kontrolne i telemetryczne satelitów i w razie potrzeby dokonują zdalnej korekty.
Segment użytkownika tworzą odbiorniki GPS. Odbiorniki GPS przetwarzają sygnały z satelity na współrzędne położenia (trójwymiarowe), prędkość, czas itp. Ilość, dokładność oraz postać prezentowanych danych zależą od przeznaczenia i rodzaju odbiornika.

Działanie systemu jest oparte na wyznaczaniu odległości między punktem pomiaru a satelitami. Wyznaczenie położenia odbiornika na pokładzie SP w przestrzeni wymaga więc odbioru z minimum trzech satelitów (wymagane są cztery). Pomiaru odległości dokonuje się poprzez dokładny pomiar czasu, w którym sygnał radiowy dociera z satelity do odbiornika.
System GPS przewiduje dwa poziomy dokładności systemu: PPS (Precise Positioning System) - Dokładny System Nawigacji i SPS (Standard Positioning System) - Standardowy System Nawigacji.
PPS jest przeznaczony głównie dla armii USA i państw NATO oraz niektórych agencji rządowych i autoryzowanych użytkowników cywilnych. Dokładność przy pomiarach dwuwymiarowych wynosi co najmniej 10 m i 27.7 m przy pomiarach trójwymiarowych. a dokładność pomiaru czasu 100 nanosekund.
SPS jest przeznaczony dla użytkowników na całym świecie bez żadnych ograniczeń i opłat. Dokładność SPS wynosi co najmniej 100 m przy pomiarach dwuwymiarowych (w praktyce osiągalna jest powtarzalna dokładność rzędu 40 m) i 156 m przy pomiarach trójwymiarowych. Dokładność pomiaru czasu wynosi 340 nanosekund.

Błędy GPS mogą być rozmaitej natury. Ogólnie można je podzielić na te z przyczyn technicznych i te z przyczyn naturalnych.

  • Ograniczony dostęp - SA. Na SA składają się dwa procesy: epsilon (amplituda do 100 m) i delta (amplituda do 50 m). Wpływ SA na pomiar pseudoodległości jest identyczny dla każdego użytkownika, więc poprawki różnicowe (o których za chwilę) eliminują SA całkowicie.
  • Opóźnienie jonosferyczne. Błąd odległości wywołany opóźnieniem w propagacji fal radiowych wynosi od 20-30 metrów w dzień do 3-6 metrów w nocy. Zmora tanich odbiorników jednoczęstotliwościowych ( L1, kod C/A ). Odbiorniki dwuczęstotliwościowe potrafią zniwelować opóźnienie (w stopniu zależnym od odległości).
  • Opóźnienie troposferyczne. Opóźnienie to powstaje w dolnych warstwach atmosfery i jest zależne od temperatury, ciśnienia i wilgotności. Może wynosić do 3 metrów. Lepsze odbiorniki kompensują je prawie całkowicie.
  • Błąd efemeryd. Polega na różnicy między położeniem satelity, wyliczonym z danych orbitalnych a rzeczywistym. Powodowany jest przez grawitację Słońca i Księżyca, a także wiatr słoneczny. Poprawki różnicowe eliminują ten błąd prawie całkowicie.
  • Błąd zegara satelity. Różnica pomiędzy idealnym czasem GPS a wskazaniem zegara satelity. Z błędów satelitarnych stosunkowo częsty jest tzw. pseudorange step, który polega na gwałtownym skoku pseudoodległości, co powoduje "zgubienie" satelity przez odbiornik na czas potrzebny do odtworzenia almanachu i efemeryd.
  • Odbiór sygnałów odbitych. Praktycznie niemożliwy do skompensowania. Ogranicza się go przez odpowiednią konstrukcję anten.
  • Błędy odbiornika, czyli błędy pomiaru jakie wystąpią na etapie obliczania pozycji już w samym odbiorniku GPS, które mogą być spowodowane szumem, dokładnością oprogramowania oraz zakłóceniami. Poziom sygnału odbieranego przy powierzchni Ziemi jest niższy od poziomu wszechobecnego tła radiowego (szumu). Stwierdzono, że niekiedy przyczyną błędów odbioru mogą być rzeczy z pozoru nieszkodliwe: telefony komórkowe lub komputery przenośne ze źle ekranowanymi układami elektronicznymi. Źródłem zakłóceń są także duże instalacje przemysłowe.

    Wpływ czynników na błąd pomiaru - L1 (C/A) SA, wyłączone.

    Źródło błęduWpływ [m]
    Błąd efemeryd2.1
    Błąd zegara2.1
    Opóźnienie jonosferyczne4.0
    Opóźnienie troposferyczne0.7
    Odbicia1.4
    Błąd odbiornika0.5

    Niedokładność samego wyznaczania pozycji względem położenia satelitów nazzywa się rozmyciem dokładności (Dilution of Precision - DOP). Rozmycie może dotyczyć:
    - pomiarów poziomych (Horizontal DOP - HDOP) - długość i szerokość geograficzna,
    - pomiarów pionowych (Vertical DOP - VDOP) - wysokość,
    - pozycji (Position DOP - PDOP) - stosunek pomiędzy błędem w obliczeniu pozycji użytkownika a błędem w obliczeniu pozycji satelity. Informuje ona o tym, kiedy rozmieszczenie satelitów pozwoli uzyskać najdokładniejszy wynik. Pożądana jest wartość PDOP mniejsza od 3.
    - pomiarów geometrycznych (Geometrical DOP - GDOP) - dotyczy pomiarów współrzędnych przestrzennych.
    - czasu (Time DOP - TDOP) - dotyczy błędu czasu systemowego,

    Dla wyeliminowania błędów satelitarnych i wpływu zakłóceń, a także w celu ominięcia ograniczeń dokładności w sygnałach GPS dostępnych dla lotnictwa cywilnego, stworzono system korekcji, określany jako różnicowy GPS (DGPS - Differential GPS). System różnicowy pozwala na zastosowanie pozycjonowania satelitarnego w dziedzinach wymagających największej precyzji nawigacyjnej: geodezja, budownictwo (pomiary przemieszczeń budowli, montaż platform wiertniczych na morzu), lotnictwo (podejście do lądowania bez widoczności), żegluga.

    Pod koniec roku 1999 w ramach Unii Europejskiej podpisano porozumienie o budowie nowego satelitarnego systemu nawigacyjnego. Program o nazwie Galileo ma być realizowany przez Niemcy, Francję, Włochy i Wielką Brytanię, finansowany będzie przez Unię i Europejską Agencję Kosmiczną ESA. Segment satelitarny systemu, realizowany przy współpracy USA i Rosji, ma obejmować właściwe satelity nawigacyjne i geostacjonarne satelity różnicowe.


    Segment satelitarny GPS

    Segment użytkownika GPS

    Segment kontroli GPS

    Działanie systemu GPS Navstar

    Różnicowy GPS



    Jacek Tomczak - Janowski.
    12-Jan-1999
    Akt. 22-11-2000