Jak działa GPS? Nawigacja satelitarna pokrywająca swoim zasięgiem całą kulę ziemską znajduje zastosowanie nie tylko w awiacji czy żegludze, ale też w szeroko zakrojonych badaniach naukowych, czy procesach monitorowania ziemskich zjawisk fizycznych.
GPS – podstawowe informacje
Co to jest GPS – i jak to działa? Pod tym akronimem kryje się globalny system nawigacji satelitarnej oparty przede wszystkim o amerykańską technologię. Jego pełna nazwa brzmi Global Positioning System NAVigation Signal Timing And Ranging (GPS NAVSTAR). Przełomowym odkryciem dla techniki satelitarnej był eksperyment Williama Guiera oraz George’a Weiffenbacha z Laboratorium Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa. Dzięki obserwacji sygnałów radiowych wysyłanych przez radziecką satelitę Sputnik 1 naukowcy wykazali zdolność fal satelitarnych do precyzyjnego lokalizowania obiektów w przestrzeni.
Na podstawie tych badań w 1964 roku powstał TRANSIT – pierwszy działający system nawigacyjny, początkowo przeznaczony wyłącznie do celów militarnych. Dogłębna analiza funkcjonowania TRANSIT-a pozwoliła udoskonalić technologię – efektem było uruchomienie kontynuowanego do dziś programu GPS NAVSTAR w roku 1973. Aktualnie na średniej orbicie okołoziemskiej znajdują się nie tylko satelity obsługujące amerykański GPS, ale też urządzenia rosyjskie (system GLONASS), chińskie (Beidou) i kontrolowane przez instytucje Unii Europejskiej (Galileo).
Zasada działania systemu GPS
Transmisja sygnału w systemach nawigacyjnych wymaga nadajnika (satelity) oraz odbiornika (każde urządzenie wyposażone w lokalizator – np. smartfon). Odbiornik otrzymuje od satelity informacje o znacznikach czasu, na podstawie których wylicza się w czasie rzeczywistym jego pozycję.
System GPS dzieli się na trzy segmenty:
- kosmiczny – tworzy go 31 (24 operacyjnych i pozostałych rezerwowych) satelit obiegających Ziemię na trasie sześciu orbit (stan na 15 czerwca 2021 r.) W zakresie segmentu kosmicznego nie uwzględnia się satelitów w stanie spoczynku lub będących w trakcie czynności rotacyjnych;
- naziemny – składają się nań wszystkie stacje nadzoru i kontroli elementów segmentu kosmicznego oraz instytucje badawcze i wspierające;
- użytkownika – zbiór wszystkich urządzeń wyposażonych w odbiorniki sygnałów satelitarnych.
Zobacz: Radar – co to jest i jak działa? Rodzaje radarów oraz najważniejsze informacje
Dzięki nadajnikom naukowcy są w stanie przeprowadzać badania dotyczące ukształtowania terenu i migracji gatunkowych, a także analizy wulkanów, mas powietrznych i wodnych (w tym również śniegu). Zbierane na bieżąco dane mogą posłużyć w systemach wczesnego ostrzegania przed zagrożeniami i katastrofami pokroju trzęsień ziemi czy powodzi.
GPS a GLONASS – porównanie
GLONASS (ros. ГЛОНАСС – „Globalnaja Nawigacionnaja Sputnikowaja Sistiema”) to bliźniacza względem GPS nawigacja satelitarna opracowana w Rosji. Początki prac nad systemem sięgają jeszcze czasów ZSRR, zaś od tamtej pory ukazały się jego cztery wersje:
- GLONASS – lata 1982-2005,
- GLONASS-M – 2003 r.,
- GLONASS-K1 – 2011 r.,
- GLONASS-K2 – 2015 r.,
Oprócz tego aktualnie projektowany jest także system GLONASS-V, którego start planuje się na lata 2023-2025. W fazie badań znajduje się jeszcze GLONASS-KM, który Rosjanie zamierzają uruchomić w latach trzydziestych XXI w.
Zasadniczą różnicą pomiędzy systemami GPS a GLONASS jest zależność kodowania i częstotliwości sygnałów, na jakich operują. Satelity GPS nadają na tych samych częstotliwościach, lecz stosują różne kodowanie, natomiast GLONASS robi rzecz dokładnie odwrotną: satelity rosyjskiego systemu korzystają z ujednoliconego kodowania o odmiennych częstotliwościach. Dzięki tym rozwiązaniom satelity znajdujące się na tej samej płaszczyźnie orbity są w stanie komunikować się między sobą.
Oprócz tej zasady i drobnych różnic w marginesach błędu dokładności określania położenia, GPS pomimo minimalnie lepszej zdolności do namierzania, radzi sobie ze skrajnymi szerokościami geograficznymi gorzej niż GLONASS. Dane z GLONASS stanowią tym samym solidne uzupełnienie systemu GPS w warunkach, w których dokładne określenie położenia obiektu jest utrudnione (np. pomiędzy wysokimi budynkami).
Sposoby na poprawienie jakości sygnału GPS
Sygnał GPS funkcjonuje najlepiej w warunkach zewnętrznych i w miarę możliwości pozbawionych wysokich przeszkód terenowych. Ewentualne testy urządzenia najwydajniej jest przeprowadzić właśnie na dworze przy jak najlepszej widoczności i czystym niebie. Czynnikami negatywnie wpływającymi na jakość i prędkość przesyłu danych w przypadku urządzeń i aplikacji GPS są inne usługi korzystające symultanicznie z procesora lub sieci: np. łączność Bluetooth czy telefony. W celu usprawnienia zasięgu GPS warto uruchomić obsługę sieci Wi-Fi – współczesna technologia WPS (lokalizowanie sieciowe Wi-Fi) umożliwia precyzyjne wyszukiwanie urządzeń na podstawie obecności hotspotów oraz bezprzewodowych punktów dostępu.
System nawigacji satelitarnej GPS stanowi jedno z najważniejszych osiągnięć współczesnej telekomunikacji. Sieć orbitalnych nadajników jest nieoceniona, zarówno w szeroko rozumianym transporcie, jak i w związku z różnorodnymi badaniami naukowymi. Ponadto współpraca amerykańskiego systemu z uruchomionym w 2016 roku europejskim odpowiednikiem GPS (systemem Galileo) sprawia, że dane nawigacyjne mogą być jeszcze bardziej dokładne. Kto wie, czy wraz z rozwojem tych technologii jakikolwiek margines błędu satelitów nie stanie się pieśnią przeszłości?
