GPS – jak działa. Cz. 2

Poprzedni opis przedstawiał sytuację idealną, gdzie położenie wszystkich satelitów jest precyzyjnie określone, gdzie nie przeszkadzają nam żadne zjawiska fizyczne i niedoskonałości sprzętu. W rzeczywistości, aby dokonać dokładnego pomiaru, trzeba brać pod uwagę pewne przedstawione poniżej czynniki, na przykład:

  • błąd efemeryd – jest to różnica między rzeczywistym położeniem satelity, a jego teoretyczną drogą, jaka została zaprogramowana. Błąd ten powodują grawitacja Słońca, Księżyca oraz wiatr słoneczny

  • opóźnienia wynikające z propagacji fal radiowych w troposferze i jonosferze, dają się przewidzieć, więc oprogramowanie dzisiejszych odbiorników niweluje je całkowicie

  • sygnały odbite – odbiornik może w ten sposób „niechcący” odebrać kilkukrotnie ten sam zakodowany sygnał, jednak z pewnym bardzo niewielkim przesunięciem w czasie, zakłóca to jego pracę, dlatego czasami może pojawić się problem z uzyskaniem namiaru w wysokich górach lub wśród ciasnej, wysokiej zabudowy (np. w dzielnicy biurowców), jest to tzw wielotorowość sygnału

  • dylatacja czasu, opisana w Szczególnej Teorii Względności, polega na tym, że czas na obiekcie poruszającym się względem nieruchomego układu odniesienia biegnie wolniej, niż czas w tym układzie odniesienia. Przy typowych prędkościach samochodu, pociągu, samolotu etc czynnik ten nie ma znaczenia, jednak satelity poruszają się z prędkościami kilkunastu km/s, dlatego w pomiarach czasu na pokładzie satelity niezbędne jest stosowanie poprawek

Dokładność kilku-kilkunastu metrów jest w większości wypadków wystarczająca, może jednak pojawić się potrzeba uzyskania jeszcze bardziej precyzyjnych namiarów, np. w celach naukowych, geodezji, budownictwie, manewrowania statkiem na trudnym akwenie w czasie braku widoczności etc.

W tym celu stosuje się stacje referencyjne, są to naziemne odbiorniki sygnału GPS umieszczone w pozycji bardzo dokładnie określonej w trzech wymiarach.

Idea jest następująca, zauważono, że zestaw i wartości błędów, które wymieniłem powyżej, będą takie same dla pewnego obszaru dookoła pozycji odniesienia, tak więc wszystkie odbiorniki znajdujące się niedaleko siebie będą wykazywały wyniki „popsute” przez te błędy w ten sam sposób i w takim samym stopniu.

Jeden z odbiorników, czyli właśnie stacja referencyjna będzie mierzył wartości tych błędów i przekazywał je pozostałym odbiornikom. Pomiar prowadzony będzie na podstawie teoretycznie wyliczonych położeń satelitów oraz samej stacji (które były znane już na etapie jej budowy) i porównywany następnie z bieżącym pomiarem pseudoodległości od wybranych satelitów (obarczonym błędami właściwymi dla danego obszaru), różnica w wynikach stanowi poprawkę różnicową. Stacja komunikuje się z innymi odbiornikami, a one korygują swoje wyliczenia właśnie o tę poprawkę. Istnieją dwie metody wyliczania poprawki, pierwsza to metoda 3D, druga polega na poprawianiu indywidualnych odległości od satelitów; dają one różne rezultaty, dlatego w praktyce stosuje się metodę drugą, która nie wymaga, by pomiar przez stację i inne odbiorniki był prowadzony na podstawie identycznej konfiguracji tych samych satelitów (każdy odbiornik może przecież przechwytywać sygnały od różnych widocznych nad horyzontem satelitów). Same poprawki mogą być przekazywane etapami (po zakończeniu sesji pomiarowej) lub w czasie rzeczywistym, drugi sposób będzie wymagał łącza o lepszej jakości, będzie jednak bardziej przydatny, gdy określamy swoje położenie będąc w ruchu. Przeważnie stacje referencyjne są stacjonarnymi instalacjami naziemnymi, mają jednak wtedy zasięg ograniczony przez horyzont, dlatego stosuje się też systemy różnicowe oparte o satelity geostacjonarne, czyli SBAS (Satellite Based Augmentation System).

Warto wspomnieć, że dwie stacje referencyjne pracują w Polsce, w nadmorskich miejscowościach Dziwnów oraz Rozewie.

Organizacja całego systemu Navstar wygląda następująco. Obecnie wokół Ziemi, na wysokości ok. 20200 km, krąży 31 satelitów, choć w równoczesnym użyciu są tylko 24 operacyjne, pozostałe to rezerwa albo uszkodzone lub stale wycofane z użycia, satelity są rozmieszczone w równych sześciu grupach krążących każda po tej samej orbicie, płaszczyzna, którą wyznacza wspólna dla tej grupy orbita określana jest mianem planu. Jest to segment satelitarny.

Segment kontrolny to naziemne stacje kontrolne i telemetryczne, jego zadaniem jest komunikacja z satelitami, korygowanie ich pozycji i aktualizowanie ich pozycji względem układu odniesienia.

Ostatnim jest segment użytkownika, czyli wszystkie odbiorniki, którymi posługują się armatorzy flot, siły zbrojne, linie lotnicze, przeróżne inne przedsiębiorstwa, prywatni użytkownicy etc.

System GPS Navstar nie jest jedynym, choć jest oczywiście najpopularniejszy, poza nim w użyciu jest też rosyjski ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система), działa na tej samej zasadzie, choć posługuje się innym wzorcem czasu, dopiero od niedawna jest dopuszczony do zastosowań cywilnych. Pełna konfiguracja jego satelitów funkcjonuje od niedawna, sam system nie jest jeszcze oficjalnie odebrany przez rosyjskie Ministerstwo Obrony, a biorąc pod uwagę nieprzewidywalną sytuację budżetową Rosji nie wiadomo, czy uda się Rosjanom przez dłuższy czas utrzymywać go jako w pełni funkcjonalny, stąd też w najbliższym czasie podstawą w nawigacji będzie wciąż GPS Navstar.

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s