GPS – Geneza oraz działanie najpopularniejszego systemu geolokalizacji

Korzystamy z niego niemalże codziennie, często nawet nieświadomie. Wyszukujemy restaurację w okolicy, gdzie wyjdziemy na obiad ze znajomymi, sprawdzamy rozkład jazdy autobusu na pobliskim przystanku czy rejestrujemy trasę naszego treningu. System GPS wykorzystywany jest w całej masie urządzeń, aby ułatwić nam życie i robi to od prawie 30 lat. Jak jednak działa, jak zwiększyć jego dokładność oraz na jakie problemy możemy natrafić podczas użytkowania? Odpowiedzi na te oraz wiele więcej pytań znajdziecie w kolejnych akapitach.

Geneza systemu GPS

Systemu GPS (a konkretnie NAVISTAR Global Positioning System) powstał na bazie innego systemu – Transit (NAVSAT), który był pierwszym systemem lokalizacji o zasięgu globalnym (GNSS). Ze względu na ograniczenia systemu Transit, m.in. dokładność do 200 m oraz brak możliwości ciągłego i dynamicznego określania pozycji (przerwy w odbiorze sygnału mogły trwać nawet kilka godzin) w 1973 roku zdecydowano się na stworzenie udoskonalonego systemu, który w swoich założeniach miał charakteryzować się wyznaczaniem pozycji w czasie rzeczywistym bez przerw, niewykrywalnością odbiornika, dostępnością na całej kuli ziemskiej oraz synchronizacją czasu na poziomie 1μs. Decyzja o budowie zapadła w 1979 roku, a rok później wystrzelono na orbitę pierwszego satelitę GPS. W początkowej fazie projektu system ten miał być używany jedynie do celów militarnych. Dopiero w 1983 roku po nieumyślnym zestrzeleniu samolotu pasażerskiego koreańskich linii lotniczych KAL 007 (samolot z nieznanych przyczyn zboczył z kursu, naruszając przestrzeń powietrzną ZSRR i został zestrzelony nad morzem japońskim) uznano, że system powinien być dostępny także dla zastosowań cywilnych. Zaczął on pracować (a przynajmniej wtedy zostało to ogłoszone) 8 grudnia 1993 roku, a 17 lipca 1995 roku zyskał pełną operacyjność (FOC). Od tego czasu moduły odbierające sygnał z GPS trafiły do dziesiątek milionów urządzeń na całym świecie – od komputerów nawigacji lotniczych do zegarków sportowych.

Elementy składowe systemu GPS

1) Satelity GPS – znajdują się na orbitach zlokalizowanych około 20 187 km nad poziomem morza (dla zobrazowania to jest 2 281 razy wysokość Mount Everestu – całkiem wysoko). Satelity w ciągu doby okrążają ziemię 2 razy. Każda z satelit jest wyposażona w zegar atomowy, którego dokładność synchronizacji wynosi ok. 1μs. Orbity satelitów są stale monitorowane przez stacje naziemne. Aktywnych jest obecnie 31 satelitów.

2) Stacje naziemne – znajdują się w okolicy równika, tak aby móc na bieżąco lokalizować satelity i obserwować ich ruch na orbitach. Stacji jest 12 i rozmieszczone są tak, żeby każda działająca satelita systemu była ciągle widoczna w minimum dwóch stacjach naziemnych jednocześnie. Główna stacja nadzoru znajduje się w bazie sił lotniczych Schriever AFB w stanie Kolorado i to w niej wyliczane są nowe parametry orbit satelitów (efemerydy), które wysyłane są nie rzadziej niż co 48 godzin.

3) Odbiornik – jest to np. nasz zegarek sportowy. Co ważne urządzenie jest tylko odbiornikiem sygnału. Nie można więc tego odbiornika "śledzić przez GPS". Do czasu kiedy samo urządzenie nie ma dostępu do nadajnika, który informacje z GPS może przekazać dalej.

Odbiornik odbiera sygnał z satelit GPS, z którego wylicza naszą odległość od nich.

Zasada działania

Nie będziemy się zagłębiać w szczegóły działań matematycznych oraz praw fizyki, które odpowiadają za dokonywany pomiar, natomiast postaramy się przybliżyć ogólną zasadę działania systemu tak, aby była łatwa do zrozumienia. W momencie kiedy odbiornik uzyska sygnał z minimum trzech satelitów, to może określić naszą pozycję. Nasza pozycja będzie znana dzięki informacji, jak trzy satelity są położone względem siebie (przede wszystkim, w jakiej odległości o siebie się znajdują), oraz jak daleko znajduje się nasz odbiornik od każdej konkretnej satelity. Możemy to sobie wyobrazić jako wyliczenie miejsca wierzchołka ostrosłupa o podstawie trójkąta. Znając długości krawędzi podstawy (bo znamy odległości wzajemne między satelitami na podstawie wyliczonych efemeryd) oraz długość krawędzi (czyli różnicy czasu między naszym odbiornikiem, a nadaniem sygnały z satelity, który to jest przeliczany na odległość), jesteśmy w stanie znaleźć tylko jeden punkt, odpowiadający lokalizacji wierzchołka. Kiedy dotrze sygnał z satelity czwartej, urządzenie będzie w stanie określić także naszą wysokość. Oczywistą sprawą jest, że im więcej złapiemy satelit, tym więcej danych będzie miał odbiornik, tym precyzyjniej określi nasze położenie. W każdym momencie, w każdym miejscu na ziemi znajdujemy się w zasięgu minimum 6 satelitów. Zazwyczaj ta liczba oscyluje w okolicy 8-9 widocznych satelitów.

Selective Availability

Do 1 maja 2000 roku system mógł być uruchomiony w trybie Selective Availability, czyli z ograniczeniem dokładności w wybranych regionach bądź całościowo. Podczas I wojny w Zatoce Perskiej wyłączono ten mechanizm, aby móc korzystać z cywilnych odbiorników, które nie obsługiwały częstotliwości wojskowej. Dopiero w 2000 roku prezydent USA Bill Clinton zdecydował się udostępnić pełnię możliwości systemu GPS dla zastosowań cywilnych. Wtedy zaczęła się ekspansja systemu do całej masy urządzeń cywilnych.

Prędkość łapania sygnału GPS

Standardowo, żeby zegarek połączył się z satelitą, musi pobrać z niej identyfikator. Problem wynika jedynie z tego, że identyfikatorów trzeba pobrać minimum 3 (każda satelita ma własny), a każdorazowe pobieranie pliku może zostać przerwane. W takiej sytuacji urządzenie od nowa musi pobrać całą informację. Stąd często zauważyć można "cofnięcie" na wskaźniku łapania sygnału GPS. Prędkość pobierania informacji też może być różna w zależności od tego czy urządzenie wie gdzie "szukać" satelitów na niebie. Taka informacja (efemerydy satelitów) często przesyłana jest do urządzenia przez aplikacje do synchronizacji danych. Jeśli więc plik jest aktualny, to urządzenie wie gdzie "szukać" satelitów, dzięki czemu zrobi to szybciej. Jeśli tego nie wie, to niestety wyszukiwanie może trwać nawet kilka minut – także w najnowszych sprzętach.

Prędkość łapania sygnału też może być różna w zależności od punktu startowego. Jeśli ostatnio skończyliśmy rejestrację w tym samym miejscu, gdzie kolejną rejestrację zaczynamy (lub chociaż w niedalekiej odległości) to urządzenie wie, gdzie możemy być i szybciej znajdzie naszą pozycję. Jeśli jednak ostatni trening skończyliśmy w Warszawie, a pojechaliśmy do Pragi w Czechach na zawody, to wyszukiwanie sygnału może zająć więcej czasu. Warto wziąć to pod uwagę, ponieważ zrobienie tego na ostatnią chwilę może skutkować brakiem zapisu śladu z GPS do czasu złapania sygnału.

Dokładność pomiaru GPS

W optymalnych warunkach jest to dokładność rzędu 4 metrów. Rzadko jednak mamy optymalne warunki. Przede wszystkim nie zawsze mamy bezpośredni dostęp do sygnału satelitów, które mogą być zasłonięte przez drzewa czy wysokie budynki. Wtedy zazwyczaj urządzenie zbiera sygnał "odbity" od innych obiektów, przez co trafia on z większym opóźnieniem do odbiornika, co z kolei wiąże się z błędem wyliczenia odległości od satelity. Biorąc pod uwagę, że satelita będzie od nas oddalona o ponad 20000 km, powoduje, że drobna różnica w długości odbicia fali sprawia, że cała ta matematyka, która stoi za pomiarem efemeryd, ciągłym ruchu satelit oraz naszego odbiornika może się wiązać z niedokładnością pomiaru.

Dodatkowo system GPS lubi ruch w jednym kierunku, z wysoką prędkością – wtedy błąd dokładności jest mniejszy ze względu na minimalne odchylenia na boki względem wektora, z którym się poruszamy. Gdy staniemy w miejscu, mogą pojawić się drobne wahania w naszej pozycji i rejestracja mikro-ruchów w zakresie dokładności GPS, czyli zazwyczaj 6 m. Takie rejestrowanie postoju skutkować będzie dodatkowym doliczeniem kilku-kilkunastu metrów, a przy bardzo długim postoju nawet setek metrów. Gdy więc połączymy ze sobą takie czynniki jak kręta trasa, którą pokonujemy powoli (spacerując czy biegnąc), dodatkowo w lesie czy między wysokimi budynkami, to nie możemy oczekiwać dokładności co do metra.

Są to też takie detale jak ruch płyt tektonicznych czy przyciąganie grawitacyjne słońca i księżyca, które może wpływać na ruch satelitów. Powinniśmy być więc wyrozumiali, jak następnym razem odbiornik stwierdzi, że gdzieś biegliśmy po drugiej stronie ulicy, bo jak uzmysłowimy sobie wzajemne odległości satelitów między sobą, to, że są w ciągłym ruchu z prędkością ok. 13 932 km/h, to, że moduł GPS jest nie większy niż dwa ziarenka ryżu (różnie jest z antenami zbierającymi sygnał, ale nie są to gigantyczne maszty), a satelity są oddalone od odbiornika o 20 187 km - to trochę dalej niż z Krasnojarska w Rosji do Port Elisabeth w RPA, jadąc przez Hiszpanię – powinniśmy, więc być jednak trochę wyrozumiali :)

Jak zwiększyć dokładność GPS?

Najprościej można to zrobić poprzez wykorzystanie innych systemów, które będą dodatkowo rejestrować naszą pozycję. Może to być np. GLONASS, Galileo lub Beidou. Każdy z tych systemów charakteryzuje się inną dokładnością, natomiast poprzez połączenie sił dwóch systemów można osiągać większą dokładność oraz niwelować część błędów pomiaru pojedynczego..

Powinniśmy też unikać zasłaniania odbiornika np. kurtką w przypadku zegarka sportowego. Będzie to dodatkowa bariera, którą musi pokonać sygnał.

Dlaczego jeden zegarek rejestruje trasę lepiej, a inny gorzej?

Czynników może być bardzo dużo. Żeby zegarki porównywać ze sobą, musimy robić to w tym samym miejscu i czasie, ponieważ obydwa zegarki muszą mieć te same warunki pracy, te same czynniki zaburzające sygnał, tę samą konfigurację satelit, do których mają dostęp. Sami prowadziliśmy dużą liczbę takich testów, ale zazwyczaj różnice są marginalne. Fakt, jedne spisują się trochę lepiej a inne trochę gorzej, natomiast różnica pomiaru rzędu 50 m na dystansie 10 km jest do pominięcia z punktu treningowego. Dodatkowo też ciężko jednoznacznie stwierdzić, który wypada "lepiej" i który dokonał bardziej precyzyjnego pomiaru jeśli nie biega się kilkakrotnie na tej samej trasie i nie zna się dokładnego jej pomiaru. Zazwyczaj w jednym miejscu dokładniejszy będzie jeden sprzęt, a w innym drugi. Jeśli natomiast zależy nam na dokładnym pomiarze odległości, tak żeby ta zgadzała się co do metra, to jest tylko jeden sposób – iść na bieżnię :)

Podsumowanie

System GPS jest bardzo skomplikowaną architekturą. Drobne błędy w kalkulacjach są niczym w porównaniu z tym jak zaawansowany jest to system. Gdy pierwsze urządzenia z GPS trafiły w ręce użytkowników były jak magia – nagle zyskaliśmy dostęp do wiedzy, gdzie się znajdujemy, możliwość wyświetlenia tej pozycji na mapie oraz śledzenia naszych tras. Dodatkowe funkcje wytyczania tras są teraz dla nas czymś normalnym i naturalnym, natomiast ledwie 20 lat temu były technologią przyszłości i niesamowitym skokiem technologicznym, z którego dobrodziejstw obecnie korzystamy każdego dnia, niejednokrotnie nawet nie zdając sobie z tego sprawy.