Z pewnością nie raz zetknąłeś się już z systemami pozycjonowania satelitarnego. Być może widziałeś reklamę jakiegoś odbiornika w telewizji, może ktoś z Twoich znajomych dysponuje takim sprzętem, a może Ty sam używasz nawigacji? Jednak jak ścisły nie byłby Twój związek z tą technologii, to pewnie nie znasz zasad jej działania, a jeżeli znasz, to należysz do znacznej mniejszości i nie pozostaje mi nic innego jak pogratulować wiedzy.
Artykuł ten chciałbym skierować zwłaszcza do osób, które posiadają znikomą wiedzę odnośnie tego systemu, a chciałyby ją w jakiś sposób poszerzyć. Znajdziesz w nim podstawową zasadę działania GPS dowiesz się gdzie go możemy wykorzystać oraz z jakich elementów (segmentów) się składa.
Istota segmentów
Systemy nawigacji satelitarnej (nie tylko GPS-Navstar) posiadają trójdzielną strukturę. Podział ten wynika z różnych funkcjonalności poszczególnych segmentów.
Segment użytkownika
Dla użytkownika końcowego widoczny jest tylko jeden element tej technologii, a mianowicie jest to wspomniany już we wstępie odbiornik nawigacyjny. Jednak prawda jest taka, że jest to niejedyny oraz co istotne najmniej skomplikowany element całej technologii. Zwykle różnego rodzaju urządzenia umożliwiające nawigację satelitarną nazywamy po prostu segmentem użytkownika. Najbardziej rozpowszechniony podział tego typu urządzeń, to sprzęt cywilny oraz wojskowy. Armie, a konkretniej te należące do państw NATO, dysponują zdecydowanie bardziej zaawansowanym sprzętem, który operuje na dwóch częstotliwościach L1 oraz L2. Odbiorniki cywilne niestety nie mają takiej możliwości co sprawia, że precyzja wyznaczania pozycji jest zdecydowanie mniejsza. Jednak warto wspomnieć, że istnieją pewne metody, która dają możliwość poprawienia precyzji wyznaczania pozycji również w przypadku urządzeń cywilnych. Po pierwsze pewne informacje przesyłane są w depeszy nawigacyjnej. Po drugie istnieje również możliwość wykorzystania baz referencyjnych, np. DGPS. Ponadto istnieją również lokalne systemy lokalizacji, które w połączeniu z GPS umożliwiają określenie pozycji nawet z dokładnością sięgającą 1 – 5 milimetrów!
Segment kosmiczny
Można śmiało powiedzieć, że ten element jest fundamentem całej technologii pozycjonowania satelitarnego. Opiera się on na kilkudziesięciu satelitach. Okrążają one Zmienię w niecałe 24 godziny nadając przy tym fale radiowe o z góry ustalonej częstotliwości (wspomniane już L1 oraz L2). W przypadku GPS-Navstar na orbicie znajdują się 32 satelity. Jest to ilość znacząco większa od minimalnej, która zapewnia pełną sprawność systemu. Otóż aby pokryć całą Ziemię zasięgiem tej technologii wymagane są 24 satelity. Jednak większa ich ilość to oczywiście większa precyzja.
Segment naziemny
Ostatnim elementem funkcjonalnym systemu GPS jest segment naziemny. Umiejscowiony jest on – jak sama nazwa wskazuje – na powierzchni Ziemi. Co istotne, poszczególne stacje monitorujące muszą znajdować się możliwie blisko równika. Jest to konieczne, gdyż z tej lokalizacji widoczna jest maksymalna ilość satelitów przez jedną stację. Jakie zadania stoją przed tym segmentem? Monitoruje on poszczególne satelity nawigacyjne, a dokładniej sprawdzają ich trajektorię, wykrywają potencjalne usterki, a także podejmują decyzję co do wymiany sprzętu orbitującego wokół Ziemi.
Jak działa system pozycjonowania satelitarnego?
Kluczowa jest tutaj wiedza o odległości dzielącej obserwatora (odbiornik nawigacyjny) oraz poszczególne satelity. Być może pamiętasz z lekcji fizyki, że prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni jest stała i wynosi około 300 tys. km/s. W ośrodku innym niż próżnia, np. w atmosferze ziemskiej, prędkość na jest mniejsza. Jednak z punktu widzenia wyznaczania pozycji wiedza o tym jak duże występują rozbieżności jest bardzo istotna. Dlatego informacje te przesyłane są wraz sygnałem radiowym w postaci tzw. depeszy nawigacyjnej. Dlaczego jednak jest to takie ważne? Wyobraź sobie, że znasz położenie dowolnego obiektu w przestrzeni, a także wiesz jaka dzieli Cię odległość od tego właśnie obiektu. W takim razie możesz umiejscowić siebie na powierzchni sfery, w której środku znajduje się ten obiektu. Z kolei wiedza o położeniu oraz odległości od dwóch obiektów sprawia, że będziesz „gdzieś” w miejscu przecięcia tych dwóch sfer. Jednak to jeszcze za mało. Widza o położeniu oraz odległości od trzech obiektów powoduje, że możesz określić, iż znajdujesz się w miejscu przecięcia tych trzech sfer, a takie punktu są tylko dwa. Jeden z nich będzie z pewnością w nienaturalnym położeniu. Teraz zastąp owe obiekty satelitami i będziesz miał przedstawione ogólne zasady działania GPS.
Gdzie wykorzystywany jest GPS-Navstar?
Tak naprawdę, to bardzo trudno jest zaprezentować wszystkie obszary, gdzie technologia ta znalazła swoje zastosowania. Najbardziej popularnym zastosowaniem jest chyba nawigacja w samochodach. Jednak nie tylko prywatne osoby korzystają z tego systemu na drogach, bo również firmy spedycyjne z powodzeniem zaadoptowały tę technologię. Warto tutaj również wspomnieć o lotnictwie. Nie wiem czy słyszałeś, ale to właśnie katastrofa lotnicza, która miała miejsce nad ZSRR sprawiła, że rząd amerykański zadecydował o udostępnieniu cywilom swojego systemu. Ponadto można tutaj również wspomnieć o nowoczesnym rolnictwie, a także żegludze, batymetrii, kartografii oraz archeologii. Zupełnie odrębnym, ale bardzo ciekawym zagadnieniem są różnego rodzaju zastosowania wojskowe. Armia wykorzystuje GPS w pociskach samonaprowadzających, lokalizacji żołnierzu na polu bitwy oraz podczas tworzenia specjalistycznych map wosjkowych.