Global Positioning System (GPS) - tai pasaulinė padėties nustatymo sistema, leidžianti nustatyti objekto koordinates bet kurioje pasaulio vietoje, nepriklausomai nuo oro sąlygų, jei yra galimybė gauti signalus iš keturių ar daugiau palydovų. Šios sistemos pagrindą sudaro informacinių technologijų sąveika su planetą gaubiančiu GPS palydovų tinklu.
Idėja sukurti GPS kilo 1973 metais Jungtinėse Amerikos Valstijose, siekiant įveikti ankstesnių navigacinių sistemų trūkumus. Sparti technologijų kaita ir nauji poreikiai paskatino GPS sistemos modernizavimą ir naujos kartos GPS III palydovų panaudojimą, kurio pradžia sietina su 1998 metais JAV viceprezidento Al Goro pareiškimais.
Šiuo metu naudojamos ir tobulinamos kitos padėties nustatymo sistemos. GPS sistemoje naudojami 24 palydovai, priklausantys JAV palydovinės navigacijos sistemai NAVSTAR (Navigation Satellite Time and Ranging). Pirmasis GPS palydovas buvo paleistas 1978 m., o visa 24 palydovų sistema pradėjo veikti 1994 metais. GPS palydovai skrieja 6 orbitinėmis trajektorijomis, po 4 palydovus kiekvienoje.
Kaip veikia GPS?
Pagrindinis GPS veikimo principas yra trilateracijos principas (kartais neteisingai vadinamas trianguliacija). GPS prietaisas, vadinamas GPS imtuvu, gauna signalus iš palydovų. Kiekvienas palydovas siunčia informaciją apie savo tikslią padėtį kosmose ir tikslų signalo išsiuntimo laiką. GPS imtuvas, gavęs šiuos signalus, apskaičiuoja, kiek laiko užtruko signalui pasiekti jį. Žinant signalo kelionės laiką ir jo greitį (šviesos greitį), galima nustatyti atstumą nuo kiekvieno palydovo. Kad būtų galima tiksliai nustatyti buvimo vietą, GPS imtuvas turi „matyti“ bent tris palydovus. Kai gaunami signalai iš trijų palydovų, sudaromas trikampis (arba tiksliau, susikertančios sferos), kurio viršūnės yra palydovai, o GPS imtuvas yra tame taške, kur šios figūros susikerta. Tačiau, siekiant kompensuoti galimus laiko matavimo netikslumus pačiame imtuve (kadangi jo laikrodžiai nėra atominiu tikslumu), reikalingas ketvirtas palydovas. Tai leidžia atlikti tikslesnius skaičiavimus ir kompensuoti galimas klaidas.
Informacija (grafinė ir tekstinė) yra išvedama vartotojui į ekraną. GPS imtuvus naudoja vartotojai, esantys žemės paviršiuje ir aviacijai tinkamame atmosferos sluoksnyje, savo buvimo koordinatėms nustatyti. Šiuo metu GPS imtuvo vietos nustatymo tikslumas gali siekti nuo 100 metrų iki 1 cm, priklausomai nuo naudojamo imtuvo sudėtingumo bei metodų.
Paprasti, civilinės paskirties arba buitiniai GPS imtuvai paprastai nustato koordinates su maždaug 3-5 metrų tikslumu. Kai reikalingas didesnis tikslumas, prie GPS imtuvo naudojamas papildomas diferencinis GPS imtuvas (Differential GPS, DGPS). DGPS imtuvas gerina koordinačių tikslumą, pasinaudodamas antžemine stotimi. Antžeminė stotis, priėmusi palydovo signalą, apskaičiuoja jo paklaidą ir kitu radijo dažniu siunčia „patikslintą“ signalą DGPS imtuvui.
GPS sistemos komponentai ir veikimas
Palydovinė GPS radionavigacinė sistema susideda iš trijų pagrindinių komponentų:
- Palydovai: Cirkuliuoja Žemės orbitoje ir nuolat siunčia signalus į žemę.
- Kontrolės stotys (arba valdymo stotys): Seka palydovus Žemėje, stebi jų būklę ir veikia kaip tarpininkai tarp palydovų ir GPS prietaisų. Jos užtikrina, kad palydovai veiktų tinkamai ir siųstų tikslius duomenis.
- GPS prietaisai (imtuvas): Vartotojų naudojami įrenginiai (pvz., išmanieji telefonai, automobiliniai navigatoriai, specializuoti įrenginiai), kurie priima palydovų signalus ir apskaičiuoja jų buvimo vietą.
Palydovai siunčia signalus, kurių impostas (laikas ir pozicija) yra keičiamas priklausomai nuo laiko ir atstumo iki palydovo. Įrenginys priima šiuos signalus, apskaičiuoja, kiek laiko užtruko signalui keliauti, ir pagal tai nustato atstumą nuo kiekvieno palydovo. Taip susidaro geometrinė figūra (sferos), kurios pagrindu ir nustatomos koordinatės.
Tikslumas ir trukdžiai
GPS tikslumas gali būti paveiktas įvairių veiksnių:
Tyčinis signalo pabloginimas (SA - Selective Availability)
Iki 2000 m. gegužės mėn. GPS sistemos kūrėjai ir savininkai naudojo selekyvų priėjimą (SA) - tyčinį GPS signalo pabloginimą, įvedant pseudoatsitiktines paklaidas. Tai sąmoningai sumažindavo GPS tikslumą iki maždaug 100 metrų atstumui ir 5 km/h greičiui. Vartotojams atblokavus trukdžių kodus, šis apribojimas buvo panaikintas.
Atmosferos įtaka
Signalo priėmimo sąlygas gali gadinti ir atmosfera. Pavyzdžiui, kai erdvėje tarp imtuvo ir GPS palydovo lyja ar sninga, tai neturi juntamos įtakos priimamam GPS signalui. Tačiau radijo signalai, keliaudami per jonosferą ir troposferą, šiek tiek sulėtėja ir nukrypsta nuo tiesiojo kelio. GPS sistema bando kompensuoti šiuos iškraipymus, tačiau tai nėra tobula.
Fizinės kliūtys
Aukšti objektai šalia imtuvo, tokie kaip kalnai, tankus miškas, pastatai, tuneliai, taip pat gali trukdyti signalo priėmimui. Miestų „kanjonuose“, apsuptiems aukštų pastatų, GPS signalai gali atsimušti nuo sienų ir pasiekti įrenginį netiesioginiu keliu (daugiakelio sklidimas - multipath). GPS signalai yra gana silpni ir negali prasiskverbti pro storus objektus.
Normaliam darbui GPS imtuvas turi „matyti“ bent 3 palydovus. Pastatui užstojus kelis palydovus iš vienos pusės, darbas nesutriks, jei aparatas tuo metu „matys“ daugiau palydovų. Automobiliniuose GPS navigacijos aparatuose būna ne mažiau 12 GPS imtuvo kanalų. Atviroje Lietuvos teritorijoje portatyviniai aparatai su SIRF-III „mato“ iki 20 palydovų, o naujesni modeliai - iki 30 palydovų.
Kitos pasaulinės navigacijos sistemos (GNSS)
Be JAV GPS sistemos, egzistuoja ir kitos pasaulinės navigacijos sistemos, bendrai vadinamos GNSS (Global Navigation Satellite System):
GLONASS
GLONASS (Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) - Rusijos sukurta GNSS sistema. Jos pagrindą sudaro 24 palydovai, orbituojantys 19 100 km aukštyje virš Žemės trijose plokštumose 64,8° kampu su pusiauju. Sistemos veikimas analogiškas JAV GPS.
Galileo
Galileo - Europos Sąjungos sukurta GNSS sistema, kurios paskirtis pirmiausia yra civilinė. Ji naudoja 24 darbiniais ir 6 atsarginiais palydovais, orbituojančiais 23 222 km aukštyje. Civiliams koordinatės pateikiamos 1 metro tikslumu, kariškiams ir komerciniams klientams - 0.1 metro tikslumu.
BeiDou
BeiDou (Navigation Satellite System arba BDS) - Kinijos GNSS sistema. Ji naudoja palydovus geostacionarinėse, geosinchroninėse ir kitose orbitose. BeiDou tikslumo padidinimui naudoja sekimo stotis tiek Kinijoje, tiek užsienyje.
Daugumos GNSS sistemų trūkumas yra prastas veikimas Žemės poliariniuose rajonuose, tačiau GLONASS, dėl palydovų orbitos kampo su pusiauju (64.8°), šio trūkumo išvengia.
GPS navigacija ir jos pritaikymas
GPS sistema su papildoma įranga plačiai pritaikoma navigacijoje:
- Apskaičiuojamas maršrutas tarp pasirinktų taškų.
- Redomas objekto judėjimas detaliame žemėlapyje.
- Pateikiami grafiniai nurodymai, kaip įveikti artėjančias kryžkeles, sankryžas ar posūkius.
- Nukrypus nuo maršruto, sistema padeda grįžti atgal.
GPS navigacija masiškai taikoma transporto, turizmo, žemės ūkio, geodezijos, statybos ir kitose srityse. Ji tapo nepakeičiama priemone, kai reikia tiksliai žinoti savo vietą arba rasti tinkamą kelią.
GPS tipai ir tobulinimas
Atsiradus poreikiui technologiją tobulinti ir pritaikyti skirtingoms situacijoms, atsirado skirtingi GPS tipai:
- Pagalbinė GPS (A-GPS): Naudojama vietovėse, kur signalai pasiekiami sunkiau. Ji plačiai naudojama išmaniuosiuose telefonuose, leidžia įrenginiams prisijungti prie sistemos net ir esant silpnam signalui, pasinaudodama mobiliojo ryšio tinklo duomenimis.
- S-GPS: Leidžia vienu metu perduoti ir balso duomenis, ir GPS signalus, ypač naudinga ekstremaliose situacijose.
- D-GPS (Diferencinis GPS): GPS patobulinimas, leidžiantis geriau nustatyti tikrąją objekto ar asmens buvimo vietą, pasinaudojant antžeminėmis stotimis.
- RTK (Real-Time Kinematic): Sistema, leidžianti pasiekti centimetrų tikslumą, naudojant stacionarias bazines stotis.
Naujesni telefonai taip pat naudoja GLONASS, Galileo ir BeiDou palydovus papildomai prie amerikiečių GPS, taip užtikrinant dar didesnį tikslumą ir patikimumą.
GPS sistema gimė kaip karinė technologija 1970-aisiais. JAV kariuomenė norėjo tiksliai nukreipti raketas ir žinoti savo pajėgų buvimo vietą bet kuriame pasaulio taške. Nors civiliai vartotojai ilgą laiką gaudavo tyčia iškraipytą signalą (Selective Availability), šis apribojimas buvo panaikintas, o GPS tapo neatsiejama kasdienybės dalimi.
Kaip sumontuoti MIO vaizdo registratorių automobilyje?
tags: #navigacija #pameta #palydovus