System nawigacji satelitarnej znany pod skrótem GPS na dobre zadomowił się w naszych samochodach czy telefonach komórkowych (wróć! w smartfonach 😀 ). Choć zastosowanie systemu GPS nie ogranicza się do dwóch przykładów wymienionych w poprzednim zdaniu, to dobrze obrazuje to jak bardzo zakorzenił się on w naszym codziennym życiu. I chyba je ułatwił. Choć i tu można dyskutować. Jest to kolejny artykuł poruszający nieco luźniejsze tematy (a jeśli nie „luźniejsze”, to na pewno w nieco luźniejszy sposób). Dla zainteresowanych: w poprzednim wpisie zająłem się tematyką systemu synchronizacji czasu DCF77. Dziś postaram się wytłumaczyć Ci w prostych słowach jak działa i gdzie – poza nawigacją samochodową czy smartfonami – stosowany jest system GPS. Zapraszam do lektury tego, jak i pozostałych artykułów na moim blogu.
Co właściwie oznacza skrót GPS?
GPS, to po prostu Global Positioning System, czyli Globalny System Pozycjonowania (albo „Pozycyjny”). GPS jest systemem nawigacji satelitarnej, który w pewnym sensie zastąpił kompas i mapę. Nie jest to jedyny tego typu system, ale w tym artykule zajmiemy się właśnie nim (zainteresowanym polecam poszukać informacji na temat systemów „Galileo” oraz „GLONASS”). Globalny System Pozycjonowania został stworzony przez USA w latach 70. Jego zastosowanie nie kończy się na samym określaniu naszej pozycji w terenie. Ba! Nie tylko „w terenie”, ale również „w przestrzeni”! Wszędzie tam, gdzie dociera sygnał z jego satelitów – korzysta się z niego również w samolotach. Oprócz określania położenia system pomaga w precyzyjnym ustalaniu czasu czy prędkości. Wszystko odbywa się dzięki satelitom znajdującym się w przestrzeni okołoziemskiej. Nadają one sygnały, które następnie są odbierane i analizowane przez urządzenia, takie jak np. nawigacja samochodowa, by w efekcie ustalić nasze położenie. Wydaje się, że nawigacja to główne, najpoważniejsze rzec można zastosowanie systemu. Jak się niebawem przekonasz, GPS jest również wykorzystywany jako wzorzec czasu o bardzo dużej dokładności. Gdzie? To pytanie pozostawiam chwilowo otwarte, ale nie martw się, odpowiedź znajduje się w dalszej części artykułu. Poniższa ilustracja jest nieprzypadkowa i stanowi małą – choć niedosłowną – podpowiedź 😉
Jak powstał system GPS?
Początkowo GPS był tworzony jedynie dla celów militarnych przez rząd Stanów Zjednoczonych Ameryki, stopniowo jednak zaczął on wkraczać do życia zwykłych obywateli. Za jego protoplastę można uznać system Transit, który działał latach 60. ubiegłego stulecia. Składał się z pięciu satelitów umieszczonych na orbitach okołoziemskich. Służył rzecz jasna – podobnie jak GPS – do ustalania pozycji. Konkretnie, chodziło o ustalanie pozycji okrętów znajdujących się na morzu. W kolejnych latach system rozwijano, jednakże był on dostępny jedynie do zastosowań wojskowych. Za początek istnienia systemu GPS można uznać lata 70., kiedy to system znalazł się w fazie testowej. Pod koniec dekady na orbitę wystrzelono pierwszy z satelitów, a w 1979 r. zapadła decyzja o budowie systemu GPS. Jednak dopiero w 1983 r. został on udostępniony użytkownikom cywilnym. Powodem takiej decyzji był incydent do jakiego doszło w rejonie Morza Japońskiego (terytorium ZSRR). 1 września 1983 r. zestrzelony został tam samolot pasażerski koreańskich linii lotniczych Korean Air, który z nieznanych przyczyn zmienił kurs i wleciał w głąb przestrzeni powietrznej ówczesnego Związku Radzieckiego. Możliwość dokładnego śledzenia statków powietrznych miała pozwolić na uniknięcie tego typu incydentów w przyszłości. W latach 90. USA wystrzeliły 24. satelitę systemu – wówczas czynnych było 21 spośród wszystkich, natomiast pozostałe 3 miały charakter pomocniczy, zapasowy.
Jak działa system GPS?
Nie będziemy zagłębiać się w techniczne niuanse, postaram się natomiast jak najprościej wytłumaczyć Ci „jak to wszystko działa?”. Wokół Ziemi krąży 27 satelitów wchodzących w skład systemu. Nadają one sygnały, niosące ze sobą pewne informacje, które są odbierane przez urządzenia takie jak np. smartfony z odbiornikiem GPS. W odbiorniku obliczany jest czas pomiędzy wysłaniem sygnału przez satelitę a jego dotarciem do anteny urządzenia. Wyznaczane jest także położenie satelity. Co ważne – jest to położenie satelity w chwili nadania sygnału. Na tej podstawie wyznacza się nasze położenie. Oczywiście nie wystarczy sygnał z jednego satelity! Teoretycznie wystarczy sygnał z czterech, by można było poznać współrzędne (długość i szerokość geograficzną) oraz wysokość nad poziomem morza. Ba! Jeśli potrzebujemy znać tylko współrzędne geograficzne miejsca, w którym aktualnie się znajdujemy, wystarczy nam sygnał (innymi słowy – widoczność) z trzech satelitów. W praktyce jednak często mamy do czynienia z wielokanałowymi (np. 12-kanałowymi) odbiornikami GPS, które są w stanie wykorzystać większą ilość widocznych satelitów do określania naszej pozycji. Należy również zwrócić uwagę na fakt, że zazwyczaj widocznych jest przynajmniej 5 satelitów systemu. Podsumowując – odbieramy sygnał z kilku satelitów, sygnały te niosą pewne informacje, które analizowane są w odbiorniku, a na ich podstawie określane jest nasze położenie. Warto dodać, że wyznaczane jest położenie anteny, nie samego urządzenia (antena może być oddalona np. o metr). Może to mieć znaczenie w bardziej precyzyjnych pomiarach.
Wspomnę o jeszcze jednej kwestii. Niejednokrotnie spotkałem się z mylącymi, wprowadzającymi w błąd nazwami odnoszącymi się do urządzeń korzystających z GPS. Świetnym przykładem są tu „nadajniki GPS”. My nic nie nadajemy do satelitów. Odbieramy jedynie sygnały, na podstawie których sprzęt (np. nawigacja samochodowa) określa naszą aktualną pozycję czy prędkość. Jeśli mowa o różnego rodzaju systemach lokalizacji pojazdów, czy to służących do zarządzania flotą, czy po prostu pozwalających na lokalizację samochodu w razie kradzieży, to chodzi o urządzenia działające na zasadzie: „sygnał z satelitów jest odbierany przez odbiornik GPS, urządzenie określa aktualną lokalizację pojazdu, a następnie przesyła tę informację dalej, np. za pośrednictwem sieci GSM”. To tak gwoli wyjaśnienia.
Ok, wiemy jak mniej więcej wygląda proces pozycjonowania z zastosowaniem Globalnego Systemu Pozycjonowania. Jadąc samochodem i korzystając z nawigacji, zazwyczaj podaje ona również informację o prędkości pojazdu. W jaki sposób? Można powiedzieć, że są dwie metody. Pierwsza polega po prostu na wykorzystaniu informacji o położeniu. Z określoną częstotliwością urządzenie zapisuje sobie nasze położenie i na tej podstawie – znając odległości i czas pomiędzy pomiarami – wyznacza prędkość. Jest to metoda prostsza, mniej dokładna. Ale skuteczna 😉 Drugi sposób wykorzystuje tzw. „Efekt Dopplera”, czyli fakt, że przemieszczamy się względem satelitów (zbliżamy, albo oddalamy). Jest to metoda dokładniejsza, ale jednocześnie bardziej zaawansowana.
Jak dokładny jest GPS? To zależy w dużej mierze nie tylko od samego systemu, ale również od wykorzystywanych urządzeń, których „precyzja” jest determinowana przez zastosowanie. Jak wiadomo kilka metrów nie robi dużej różnicy, gdy jedziemy autostradą, ale gdy wykonujemy precyzyjne pomiary, np. w geodezji? Wtedy nawet pojedyncze centymetry, a nawet milimetry, mają znaczenie. Początkowo dokładność udostępniana użytkownikom cywilnym była stosunkowo mała – ok. 100 m. Było to spowodowane faktem celowego wprowadzania zakłóceń do sygnału dla tej części użytkowników. Sytuacja zmieniła się na przełomie wieków, gdy w maju 2000 r. amerykańskie Ministerstwo Obrony zrezygnowało z wprowadzania zakłóceń. Dzięki temu dokładność wzrosła do ok. 15 m, co brzmi już lepiej. Warto wspomnieć, że precyzja pomiaru jest zwiększana dzięki tzw. DGPS, czyli metodzie polegającej na wykorzystaniu dodatkowych stacji naziemnych do pozycjonowania. Są to „stacje referencyjne” o bardzo dokładnie wyznaczonej lokalizacji, które również nadają odpowiednie sygnały (podobnie jak satelity) i pozwalają na znaczną poprawę dokładności (precyzja rzędu 1 m lub lepsza). Sam skrót DGPS oznacza „Differential Global Positioning System”, co można rozumieć jako „różnicowy GPS”.
Nie tylko nawigacja…
Nawigacja w samochodzie, samolocie czy na morzu. Nawet spacerując po jednej z europejskich metropolii możemy skorzystać z dobrodziejstw systemu GPS – w końcu prawie każdy z nas jest dziś w posiadaniu smartfona z odbiornikiem GPS. Znalezienie restauracji, bankomatu w pobliżu czy po prostu ciekawego miejsca to nie problem. Gdzie jeszcze znajduje zastosowanie GPS? Czy na samym „wskazywaniu drogi” się kończy? Otóż nie.
Pisałem już, że GPS umożliwia korzystanie z bardzo dokładnego zegara. Innymi słowy, może być bardzo dokładnym wzorcem czasu. Gdzie znajduje zastosowanie? W zegarkach? Tam przecież można skorzystać z DCF77, który w większości zastosowań będzie wystarczający… GPS wykorzystywany w charakterze „wzorca czasu” jest z powodzeniem używany do synchronizacji czasu m.in. w systemach bankowych (pamiętasz tę ilustrację na początku?). W końcu zależy nam, by przelew wysłany o godz. 12:56 został odnotowany dokładnie o 12:56. Wszędzie tam, gdzie potrzebny jest precyzyjnie podany czas, można wykorzystać właśnie GPS w charakterze wzorca. Skąd bierze czas sam system? Jest to czas podawany na podstawie wskazań zegara atomowego znajdującego się w USNO, czyli United States Naval Observatory (Obserwatorium Astronomicznym Marynarki Wojennej USA).
A może tak coś zmierzyć? Kolejną dziedziną, której dziś trudno obejść się bez GPS jest geodezja. Powstał nowy obiekt, który trzeba dodać do dokładnej, elektronicznej mapy? Żaden problem. Wystarczy odpowiednie urządzenie z precyzyjnym odbiornikiem GPS (może wykorzystujące DGPS). Wracając do korzeni systemu, czyli wojska… GPS może być również wykorzystywany m.in. do precyzyjnego naprowadzania rakiet na cele.
Ciekawostka na koniec, czyli „Geocaching”
Globalny System Pozycjonowania ma również nieco luźniejsze zastosowania. Jednym z nich jest tytułowy „Geocaching”. Jest to swego rodzaju gra terenowa polegająca na szukaniu skrytek chowanych przez innych uczestników tej zabawy. Podaje się współrzędne geograficzne miejsc ukrycia skrytek i właśnie tu znajduje zastosowanie GPS. W skrytkach umieszcza się zazwyczaj tzw. „dziennik odwiedzin” i jakieś drobne upominki. Zainteresowanym polecam zajrzeć na stronę Geocaching Polska.
Podsumowanie
To by było na tyle. Dziś zająłem się tematem GPS, mam nadzieję, że przynajmniej kilka rzeczy Ci rozjaśniłem. Oczywiście bez wnikania w zawiłe, stricte techniczne (może te „szczegóły” to temat na osobny artykuł?). Jeśli wpis Ci się spodobał napisz o tym w komentarzu. Masz jakieś uwagi, albo sugestie? Również możesz o tym napisać 🙂 Jednocześnie zachęcam do śledzenia profilu elektroniczny.eu na Facebooku.
Zdjęcia: nagłówkowe, 1, 2, 3