Historia systemu nawigacji satelitarnej

0
51
Rate this post

 

W 1964 roku Amerykańska Marynarka Wojenna US Navy umieściła na orbitach okołoziemskich pięć satelitów, tworzących pierwszy system o nazwie Transit, posiadający wiele słabych punktów. Przy wykorzystaniu tak małej liczby satelitów nie było mowy o możliwości ciągłego śledzenia pozycji geograficznej, a i odbiorniki nie dysponowały wtedy jeszcze procesorami będącymi w stanie wyliczyć pozycję w czasie rzeczywistym. System taki w zupełności wystarczał dla potrzeb nawigacji pełnomorskiej do uaktualnienia pozycji statku, był jednak zupełnie bezużyteczny jeśli chodzi o dokładną nawigację lądową. Kilkugodzinny okres oczekiwania na pojawienie się satelity był przecież zupełnie nie do przyjęcia w przypadku pojazdu poruszającego się po drogach. System Transit został wycofany z użytku w roku 1996.

Już w roku 1973 rozpoczęły się prace nad obecnie działającym systemem, znacznie bardziej rozbudowanym Globalnym Systemem Pozycjonowania NAVSTAR (GPS – Global Positioning System). Obecnie w skład systemu wchodzą 24 działające satelity, umieszczone po cztery na sześciu orbitach eliptycznych, na wysokości 22 km nad powierzchnią ziemi i nachylonych do powierzchni równika pod kątem 55°, oraz 4 satelity rezerwowe, których zadaniem jest utrzymanie ciągłości działania systemu w przypadku uszkodzenia któregokolwiek z satelitów roboczych.

Każdy satelita transmituje dwa rodzaje sygnałów: L1 (1575.42 MHz) i L2 (1227.60 MHz). Sygnał L1 jest przetwarzany dwoma pseudo-przypadkowymi sygnałami zagłuszającymi: chronionym kodem P i kodem C/A. Sygnał L2 zawiera jedynie kod P. Każdy satelita wysyła inny sygnał, co ułatwia odbiornikom rozpoznanie, z którego satelity pochodzi dany sygnał.

Cywilne odbiorniki do nawigacji wykorzystują jedynie kod C/A na częstotliwości L1. Niemniej jednak niektóre wyspecjalizowane cywilne odbiorniki geodezyjne mogą przetwarzać sygnał o częstotliwości L2 w celu uzyskania dokładnych pomiarów.

Odbiornik na podstawie czasu wysłania sygnału przez satelitę i czasu dotarcia sygnału do odbiornika oblicza czas potrzebny na pokonanie tej drogi. Jeśli odbiornik posiada bardzo dokładny zegar, dobrze zsynchronizowany z zegarem satelity, do określenia trójwymiarowej pozycji wystarczają jedynie pomiary z trzech satelitów. Niestety, zwykłe odbiorniki nawigacyjne ze względu na swoją cenę jak i rozmiary nie są wyposażone w tak dokładne zegary, w związku z tym, do usunięcia błędu zegara potrzebny jest dodatkowy pomiar z czwartego satelity

Wszystkie satelity robocze wykonują w ciągu doby dwa pełne okrążenia Ziemi, dzięki czemu zapewniona jest widoczność minimum trzech satelitów w każdym punkcie Ziemi o każdej porze dnia. Każdy z satelitów wysyła sygnał o bardzo niskim poziomie, który jest wychwytywany przez odbiornik. Warto tutaj wspomnieć że jeszcze do niedawna sygnał GPS był celowo zakłócany przez DOD (Departament Obrony USA) w celu obniżenia dokładności dla użytkowników cywilnych. Obecnie (od maja 2000) błąd pomiaru pozycji geograficznej wyznaczonej za pomocą każdego popularnego odbiornika GPS waha się w przedziale 3-7 metrów (przy dobrej widoczności nieba i konfiguracji satelitów).

System GPS został udostępniony dla użytkowników cywilnych w 1983 roku, choć planowano to znacznie wcześniej. Aby jednak nie doszło do wykorzystania systemu przeciwko jego twórcom wprowadzono dwa różne stopnie dokładności: Standard Positioning Service – dostępny dla wszystkich oraz Precision Positioning Service zarezerwowany jedynie dla zadań specjalnych.

Jako ciekawostkę dodam jeszcze, że obecne cywilne 12 kanałowe odbiorniki (odbierające sygnały nawet z 12 satelitów jednocześnie) są w stanie poprawnie pracować do prędkości przemieszczania się 1665 km/h i wysokości do 18 km.

Istnieje sposób amatorskiego pomiaru pozycji z bardzo dużą dokładnością. Odbiornik GPS umieszcza się w szukanej pozycji na pewien okres czasu (nawet do 1 godziny) i rejestruje niesformatowane dane pseudoodległościowe. Tak zarejestrowane dane można następnie poddać procesowi post-processingu, który wykorzystuje je jako punkt odniesienia dla ustalenia np. odległości i azymutu. Tak wyznaczona pozycja może osiągać dokładność rzędu 1 mm, ale w przypadku asymetrycznego rozmieszczenia satelitów może być znacznie mniej dokładna. Metoda ta może zostać wykorzystana do wyznaczania bardzo dokładnych współrzędnych danego punktu (np. punktu triangulacyjnego).

GPS w praktyce

Od ponad roku jestem posiadaczem najprostszego odbiornika z rodziny Garmina, a mianowicie Garmin eTrex’a, którego używam zarówno podczas wycieczek pieszych jak i rowerowych. Podczas jazdy na rowerze dokładność pomiaru pozycji jest na poziomie 6-10 m, a w przypadku, gdy dostępne jest niewiele satelitów lub sygnał jest słaby, dokładność spada nawet do 30-40 m, ale taka kiepska dokładność pomiaru zdarza się raczej rzadko, zwykle tylko podczas jazdy w głębokich dolinach i wąwozach oraz w lecie podczas jazdy w gęstym lesie liściastym. Co do dokładności odczytu wysokości to zwykle jest ona równa +/- 20 metrów – tak wynika z moich obserwacji.

Przy wyborze odbiornika należałoby zastanowić się jakie funkcje chcemy mieć w GPS. Warto zastanowić się czy inwestować w odbiornik GPS bez mapy, gdyż od maja 2002 roku dostępna na rynku jest mapa GPS Nawigator. Drugim niezwykle ważnym parametrem jest czas działania urządzenia na jednym komplecie baterii oraz wodoszczelność obudowy. Mój GPS przeżył już nie jedne oberwanie chmury w górach i mogę zapewnić, że zachowywał pełną wodoszczelność. Konstrukcja serii eTrex dopuszcza jedynie dostanie się wody poprzez uszczelkę do przedziału z bateriami, lecz cała elektronika jest dla wody po prostu niedostępna.

Do przymocowania odbiornika do roweru służą uchwyty, będące w ofercie wszystkich opisanych przeze mnie producentów. Uchwyt w odbiornikach serii eTrex składa się z części mocowanej do kierownicy oraz z „klapki” zastępującej seryjna pokrywę baterii. Takie połączenie zapewnia pewne mocowanie odbiornika, jak również i korzystanie z klawiszy podczas jazdy w niezbyt trudnym terenie. Niestety po około 2000 km przejechanych przeze mnie, nastąpiło wyrobienie się uszczelki, co powoduje wibracje odbiornika podczas jazdy po nierównej nawierzchni i jest źródłem hałasu.

Przydatnym dodatkiem do odbiornika jest kabel do komputera, umożliwiający transfer danych z i do odbiornika, tym samym umożliwiając naniesienie przejechanej trasy na mapę, jak i również zaprojektowanie własnej trasy, a następnie przesłanie jej do odbiornika. Występujące przy niektórych opisach tras profile terenowe były wygenerowane z danych pobranych z GPS-u. Co do anteny zewnętrznej to do samej jazdy na rowerze ten gadżet jest całkowicie nieprzydatny. W samochodzie ma to większy sens, ale bez zewnętrznej anteny GPS odbiera bez problemu właściwie w każdej sytuacji (chyba, że mamy szyby atermiczne). Niektóre produkowane współcześnie GPS posiadają dodatkowe możliwości np. elektroniczny kompas (przydatne, gdy prędkość podróży jest niewielka lub na postoju) lub altimetr barometryczny kalibrowany oczywiście poprzez satelitarny pomiar wysokości, a umożliwiający np. pomiary głębokości jaskiń. Funkcja pomiaru ciśnienia atmosferycznego umożliwia proste prognozowanie pogody. Zwykle wybór modelu podyktowany jest ilością gotówki, ale nawet najtańszy odbiornik GPS spokojnie spełnia wymagania stawiane przez rowerzystę. A jak chcemy więcej „bajerów” to trzeba za to niestety płacić. Najtańsze odbiorniki GPS można sprowadzić z USA, ale w przypadku odbiorników posiadających wbudowane mapy, należy się liczyć z brakiem możliwości podmienienia mapy Stanów Zjednoczonych na mapę Europy. Oczywiście mapy dogrywalne (umieszczane w oddzielnej pamięci), wraz z mapą Polski, będą pracować prawidłowo niezależnie od zasięgu mapy bazowej odbiornika.

GPS Nawigator

GPS Nawigator to pierwsze oprogramowanie do obsługi odbiorników GARMIN zawierające cyfrową mapę drogową Polski wraz z planami większych miast. Zobacz więcej >>>

QuoVadis

Oprogramowanie pracujące w oparciu o kalibrowane mapy rastrowe. Wbudowany moduł kalibracji umożliwia przygotowanie mapy z plików graficznych. Przygotowaną bibliotekę map można wzbogacać o własne dane: załadowane z GPS oraz tworzone w QuoVadis informacje typu punkty, ślady i trasy. Istnieje możliwość eksportu tak przygotowanej mapy jako pliku .BMP, np. do późniejszego wykorzystania jako szczegółowa mapa. Oprogramowanie może automatycznie przeładowywać mapy ze względu na obszar ich pokrycia oraz skalę.

QuoVadis umożliwia tworzenie, ściąganie, edycję, składowanie na dysku komputera i wysyłanie danych typu ślady, punkty i trasy. Istnieje możliwość transferu zarówno danych pochodzących z GPS jak i tworzonych w oprogramowaniu. W czasie pracy bezpośredniej oprogramowanie może zapisywać ślad (zwalnia to odbiornik z konieczności zapisu). Możliwa jest nawigacja w oparciu wyłącznie o dane pojawiające się na ekranie komputera.

Fugawi

Oprogramowanie pracuje w oparciu o mapy skanowane. Wbudowany moduł kalibracji pozwala na skalowanie mapy za pomocą trzech dowolnych punktów. Istnieje możliwość określenia obszaru aktywnego mapy.

Program umożliwia tworzenie, edycję, archiwizację na dysku, ściąganie i ładowanie do GPS danych typu waypoints, tracks, routes. Współpraca w trybie bezpośrednim z możliwością zapamiętywania danych bezpośrednio w oprogramowaniu. Wszystkie dane znajdują się w bibliotekach dzięki czemu użytkownik ma bezpośredni dostęp do np. wszystkich swoich śladów bez potrzeby przeładowywania plików. Mapy mogą być rozszerzone o informacje tekstowe oraz pliki graficzne dowiązane do zaznaczonych miejsc. Oprogramowanie potrafi automatycznie określać i ładować mapę (z biblioteki przygotowanych map) o największej szczegółowości dla rejonu w którym obecnie się znajdujemy.

Microsoft Autoroute Express

Program zawiera zestaw map wektorowych obejmujących obszar Europy (łącznie z Polską). Oprogramowanie umożliwia pracę w trybie bezpośrednim z aktywnym odbiornikiem GPS. AutoRoute Express może przejąć wszystkie funkcje pamięci odbiornika GPS: możliwe jest zapisywanie TrackLogu bezpośrednio na dysku komputera, zaznaczanie punktów na mapie itp. Oprogramowanie jest wyposażone w moduł tzw. Route Planning, dzięki czemu możliwe jest automatyczne wyznaczenie projektowanej trasy. Jako kryterium wyboru przyjęta może być np. najkrótsza lub najszybsza droga (planowanie odbywa się po sieci drogowej istniejącej na mapach AutoRoute).

GPSS

Oprogramowanie pracuje w oparciu o skanowane (i kalibrowane) mapy bitmapowe.

GPSS umożliwia wizualizację w czasie rzeczywistym danych napływających z odbiornika GPS na tle wcześniej przygotowanej mapy. Cała obsługa oprogramowania odbywa się wyłącznie za pomocą skrótów klawiaturowych co nieco utrudnia pracę.

OziExplorer

Oprogramowanie pracujące w oparciu o kalibrowane mapy rastrowe. Wbudowany moduł kalibracji umożliwia przygotowanie mapy z plików w formacie .BMP, .JPG, PNG i .TIFF (wersja demo tylko .BMP). Możliwe jest również importowanie gotowych map BSB i DRG oraz map przeznaczonych dla QuoVadis. Przygotowaną bibliotekę map można wzbogacać o własne dane: załadowane z GPS oraz tworzone w OziExplorer informacje typu punkty, ślady i trasy oraz dodatkowo pola tekstowe opisujące zaznaczone miejsca. Oprogramowanie może automatycznie przeładowywać mapy ze względy na obszar ich pokrycia oraz skali.

Oprogramowanie umożliwia tworzenie, ściąganie, edycję, składowanie na dysku komputera i wysyłanie danych typu ślady, punkty i trasy. Istnieje możliwość transferu zarówno danych pochodzących z GPS jak i tworzonych w oprogramowaniu. W czasie pracy bezpośredniej oprogramowanie może zapisywać ślad (zwalnia to odbiornik z konieczności zapisu). Możliwa jest nawigacja w oparciu wyłącznie o dane pojawiające się na ekranie komputera.

Odbiorniki GPS

Obecnie na rynku dostępnych jest kilkadziesiąt modeli odbiorników GPS, spośród których wybrałem te najbardziej przydatne rowerzyście…

* Garmin

* Magellan

* Pozostałe

GPS a mapy

Poziomy układ odniesienia określa, gdzie na powierzchni Ziemi znajdują się linie południków i równoleżników. Dawniej pomiary kartograficzne bazowały na punktach wyznaczonych podczas obserwacji astronomicznych i fizycznych pomiarów na powierzchni Ziemi. W związku z tym obecnie na świecie istnieje wiele minimalnie różniących się od siebie regionalnych siatek południków i równoleżników. System GPS zmusza natomiast do korzystania z jednej ogólnoświatowej siatki. Pozycje wyznaczane przez system GPS opierają się na poziomym układzie odniesienia zwanym WGS84 („World Geodetic System of 1984”). W niektórych miejscach na świecie lokalny układ odniesienia może różnic się od układu WGS84 o około 1,61 km.

Wiele odbiorników GPS można skonfigurować tak, aby wyświetlały pozycje w lokalnym układzie odniesienia a nie w układzie WGS84. Przykładowo odbiorniki firmy Garmin mogą wyświetlać pozycję w ponad 100 różnych układach. Odbiorniki te przechowują informacje o pozycjach w układzie WGS84 i jeśli jest to potrzebne konwertują te dane do aktualnie wybranego układu. Podczas nawigacji z odbiornikiem GPS i mapą należy zwrócić uwagę na to, aby wybrany układ odniesienia pokrywał się z układem odniesienia mapy. W przeciwnym wypadku współrzędne odbiornika i mapy dla tych samych punktów nie będą ze sobą korespondowały.