Skąd wiem, gdzie jestem? Działanie GPS

Z nawigacji GPS korzystamy na co dzień. Podróżując samochodem, pomaga nam trafić pod konkretny adres. Korzystamy z niej także na smartfonach, gdy chcemy odnaleźć nową restaurację lub na szlakach turystycznych. Technologia ta pomaga w śledzeniu naszych sportowych postępów. Czy zastanawiałeś się kiedyś jak to działa?

Czym jest system GPS?

Global Positioning System, nazywany także NavStar to system nawigacji satelitarnej, stworzony przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych w latach 70. XX wieku. Swoim zasięgiem obejmuje całą planetę, a poprawne działanie zapewnia podział na 3 segmenty:

• segment kosmiczny – czyli 31 satelitów orbitujących wokół Ziemi na średnich orbitach na wysokości około 20 000 km. System został zaprojektowany tak, aby z każdego miejsca na Ziemi było widocznych przynajmniej 6 satelitów.
• segment naziemny – czyli stacje kontrolne i monitorujące umieszczone na powierzchni Ziemi. Zadaniem stacji referencyjnych jest odbieranie sygnałów z satelitów i obliczanie poprawek. Następnie poprawki wysyłane są do satelitów, co znacznie zwiększa dokładność lokalizacji.
• segment użytkownika – czyli odbiorniki sygnałów w postaci nawigacji samochodowych, turystycznych, morskich i lotniczych lub telefonów komórkowych.

Jak działa system GPS?

Zasada działania lokalizacji satelitarnej wykorzystuje trilaterację, odmianę triangulacji, której założenia są bardzo proste. Swoją pozycję możemy określić, wybierając 3 punkty kontrolne i ustalając przypuszczalną odległość od nich. Gdyby na mapie narysować okręgi równe przypuszczanej odległości od punktów orientacyjnych, nasza pozycja będzie na przecięciu tych 3 okręgów.

Analogicznie odbiornik GPS otrzymuje sygnał z satelity, który przekazuje dokładny czas wysłania sygnału. Odejmując czas nadania sygnału od czasu, w którym został odebrany przez odbiornik system GPS, może określić odległość od każdego satelity. Uwzględniając czas podróży z trzech satelitów i ich dokładną pozycję na niebie odbiornik GPS może ustalić naszą pozycję w 3 wymiarach – na wschód, na północ oraz wysokość.

Do ustalenia naszej pozycji wystarczy sygnał z 4 satelitów, jednak dla zwiększenia dokładności odbiornik GPS śledzi przynajmniej 5 satelitów. Jeżeli jest problem z sygnałem i odbieramy sygnał tylko z 3 satelitów, ustalenie naszej pozycji jest nadal możliwe, ale z mniejszą dokładnością. Gdy znajdujemy się na średnim poziomie morza, pomiar będzie w miarę dokładny, jeżeli jesteśmy w górach – różnice mogą sięgać setek metrów.

Teoria Einsteina i atomowe zegary

Prosta w teorii zasada działania wykorzystuje bardzo zaawansowaną technologię i skomplikowane obliczenia matematyczne. Satelity krążące po orbicie wyposażone są w 4 zegary atomowe (2 cezowe i 2 rubidowe), które odliczają czas z dokładnością 1 sekundy na 100 000 lat oraz nadajniki i odbiorniki. Stacje naziemne obliczają poprawki efemeryd (pozycji satelitów na orbicie), korygują opóźnienia jonosferyczne fal radiowych oraz wprowadzają korektę różnicy czasu spowodowanej dylatacją czasu.

Teoria względności Alberta Einsteina w uproszczeniu mówi, że w każdym punkcie w czasoprzestrzeni czas płynie inaczej. Czas w satelitach upływa wolniej niż na powierzchni Ziemi przez słabsze oddziaływanie siły grawitacyjnej. Gdyby różnice te nie były korygowane, dokładność systemu GPS spadłaby z kilku metrów do kilku kilometrów.

Historia i przyszłość GPS

Pierwotnie system GPS został stworzony do celów wojskowych i wykorzystywany był przez amerykańską armię. W roku 1983 został udostępniony także do zastosowań cywilnych. Początkowo ze względów strategicznych cywilny GPS był specjalnie zakłócany, aby zmniejszyć jego dokładność (do około 100 metrów). Od roku 2000 na stałe wyłączono zakłócanie sygnału. Także możemy korzystać z nawigacji satelitarnej dzięki „uprzejmości” Departamentu Obrony Stanów Zjednoczonych. Co, jeśli USA zdecyduje się wyłączyć lub przestanie udostępniać system GPS?

Na szczęście nie zostaniemy bez nawigacji satelitarnej! Istnieją inne systemy: rosyjski GLONASS, chiński BeiDou oraz europejski system GALILEO, który będzie w pełni cywilny. Niektóre odbiorniki, w tym smartfony są przystosowane do korzystania z wielu systemów nawigacyjnych, co pozytywnie wpływa na dokładność lokalizacji. Nowoczesne urządzenia i aplikacje prowadzą nas do celu, pomagają omijać korki i informują o zdarzeniach na drodze. Dzięki nim możesz znaleźć najtańszą stację benzynową w okolicy lub udać się do najlepszej restauracji, bez sięgania do książkowego przewodnika.

Pamiętaj, że etui na GPS możesz zakupić w naszym sklepie!

Autor: Paweł Zarzycki