GPS - z czym to się je?
Część 1
Wstęp
System GPS zna już chyba każdy. Towarzyszy nam w bardzo wielu dziedzinach życia, znacząco wychodząc poza rolę nawigacji samochodowej w której został początkowo spopularyzowany. W erze smartfonów coraz więcej aplikacji używa systemu GPS do wyszukiwania interesujących nas miejsc znajdujących się najbliżej nas, do rejestrowania trasy w czasie porannego biegania czy nawet do niektórych gier terenowych, rozgrywanych przy pomocy smartfona. Niemniej jednak mało kto ma o nim jakiekolwiek pojęcie i istota jego działania dla wielu okryta jest aurą tajemniczości. Dlatego postaram się przybliżyć dla Was ten system, przedstawię jego ograniczenia i możliwości.
Odbiornik GPS. Źródło: Wikipedia
Krótka historia
Zanim jeszcze w kosmos wystrzelono Sputnika i Ziemię zaczęły okrążać stworzone przez nas satelity, ludzie musieli nawigować za pomocą bardzo prymitywnych środków. Na lądzie nie było z tym dużego problemu - charakterystyczne góry, rzeki, doliny, a później także sztucznie wykonane kamienie milowe i drogowskazy, pozwalały na orientowanie się podróżnym i ustalanie pozycji. Gorzej rzecz miała się na pełnym morzu - gdy tylko ląd znikał za horyzontem, jedynymi wskazówkami były gwiazdy i słońce, jednak gdy te skrywały się za chmurami, człowiek pozostawał praktycznie na łasce żywiołów. Właśnie dlatego nawigacja najsilniej związana jest z morzem.
Przodkiem systemu GPS był LORAN - naziemny system latarni nadających sygnały drogą radiową. Został wdrożony przez aliantów w trakcie II Wojny Światowej, a później dostosowany do rynku cywilnego w nawigacji statków handlowych.
Na statku wymagane było specjalne urządzenie, które po odebranie sygnału z 2 lub więcej takich stacji pozwalało na przybliżone ustalenie pozycji statku. Nie było to szczególnie precyzyjne, ponieważ odchyłka mogła sięgnąć nawet powyżej 450 metrów. Z drugiej strony zasięg systemu LORAN mógł wynosić powyżej 1900 km, dzięki czemu działał skutecznie nawet po oddaleniu się od brzegu. Chociaż w ciągu ostatnich lat wyłącza się kolejne stacje LORAN, część osprzętu pozostaje w gotowości w razie poważnej awarii systemu GPS.
Maszt systemu LORAN. Źródło: Wikipedia
Wykorzystanie nadajników na ziemi miało jednak swoje wady. W trakcie zimnej wojny Amerykanie potrzebowali skutecznego systemu do ustalania pozycji łodzi podwodnych przenoszących rakiety balistyczne Polaris. Nie można było polegać też na systemie LORAN, ponieważ jednostki operujące w regionach podbiegunowych nie mogły liczyć na systemy naziemne. Chodziło także o uniezależnienie się od infrastruktury, która mogła zostać zniszczona w konwencjonalny sposób. Dlatego po intensywnych pracach, na początku lat 60, udało się uruchomić system Transit, który wszedł do służby w 1964 roku. Po 3 latach został udostępniony na rynku cywilnym i służył aż do 1991 roku (ostatecznie wyłączono go w 1996 roku). Transit składał się z 5 satelitów, przez co pozycja mogła być ustalona raz na godzinę. Dokładność była na tyle zadowalająca, że wielokrotnie powtarzany i uśredniony pomiar pozwalał osiągnąć błąd poniżej 1 metra!
Satelita systemu Transit. Źródło: Wikipedia
Problemem pozostawała jednak częstotliwość uzyskiwania pomiaru. Wyścig zbrojeń sprawił, że Amerykanie nie szczędzili funduszy na rozwój lepszego systemu nawigacji satelitarnej. Efektem ich działań było powstanie pierwszej wersji systemu GPS-NAVSTAR (Global Positioning System – NAVigation Signal Timing And Ranging).
Fakty i mity
Zanim przejdę do szczegółowego omówienia systemu GPS, czego niektórzy czytający mogą nie przetrwać ;), chcę obalić kilka krążących o nim mitów:
Nadajnik GPS
Mit, a właściwie przejęzyczenie, jeśli użyte w określeniu do przenośnego urządzenia. Niezależnie czy jest to ręczna nawigacja, smartfon, nawigacja samochodowa czy morska, żadne z nich nie wysyła niczego do satelitów. Nie mniej jednak urządzenie może posiadać także nadajnik, np. działający w oparciu o transmisję danych w GSM lub inne częstotliwości radiowe, na których przesyła się informacje o położeniu danego urządzenia.
GPS jest płatny
Mit! GPS jest systemem darmowym i takim pozostanie. Koszty jego utrzymania spoczywają na barkach rządu Stanów Zjednoczonych. Nie istnieje abonament, kaucja lub inna opłata, wystarczy zakupić odbiornik (lub zbudować go samemu) i można korzystać z dobrodziejstw systemu za darmo. Płatne mogą być jednak dane przesyłane przy wykorzystaniu A-GPS (Assisted GPS), o tym jednak w dalszej części.
Można namierzyć odbiornik GPS
Mit. System GPS był projektowany z myślą o tym, żeby uniknąć wykrycia przez siły nieprzyjaciela, dlatego działa w sposób całkowicie pasywny.
GPS namierza użytkownika i wysyła jego pozycję
Kolejny mit. Oczywiście wizja z filmów czy gier, kiedy satelity na orbicie skanują teren i odnajdują nas, jest pociągająca. Odpalając zwykłe mapy na telefonie czujemy się jak żywcem przeniesieni w świat Call of Duty. Rzeczywistość jest jednak inna - to nasz odbiornik zajmuje się ustaleniem pozycji, analizując czas wysłany z każdego z satelitów.
Jeśli macie jeszcze jakieś pytania czy inne mity dotyczące GPS, prześlijcie mi je - spróbuję uzupełnić powyższą listę.
Struktura systemu GPS
System GPS możemy podzielić na 3 segmenty:
<ul style="margin-top: 0pt; margin-bottom: 0pt;"><li dir="ltr" style="list-style-type: disc; font-size: 15px; font-family: Arial; color: #000000; background-color: transparent; font-weight: normal; font-style: normal; font-variant: normal; text-decoration: none; vertical-align: baseline;">segment naziemny - nadzoruje pracę satelitów, bada i koryguje ich orbity, dba i zarządza całym systemem.</li><li dir="ltr" style="list-style-type: disc; font-size: 15px; font-family: Arial; color: #000000; background-color: transparent; font-weight: normal; font-style: normal; font-variant: normal; text-decoration: none; vertical-align: baseline;">
segment kosmiczny - satelity GPS na orbitach kołowych 20 183 km nad ziemią.</li><li dir="ltr" style="list-style-type: disc; font-size: 15px; font-family: Arial; color: #000000; background-color: transparent; font-weight: normal; font-style: normal; font-variant: normal; text-decoration: none; vertical-align: baseline;">
segment użytkownika - wszelakiej maści odbiorniki, nawigacje i inne urządzenia odbierające sygnał z satelitów</li></ul>
Pozwolę sobie pominąć opis segmentu naziemnego, ponieważ dla nas, jako użytkowników, ma najmniejsze znaczenie. Warto po prostu wiedzieć, że ktoś czuwa nad działaniem tego wszystkiego ;)
Segment kosmiczny
W przestrzeni kosmicznej znajduje się 32 satelitów (28 jest aktywnych, pozostałe służą do testów, mają zastosowanie techniczne lub są wyłączone i utrzymywane jako rezerwowe w przypadku awarii któregoś z aktywnych satelitów).
źródło: Wikipedia
Od momentu rozpoczęcia wystrzeliwywania satelitów w 1978 roku powstało już 6 generacji tych urządzeń, a dodatkowo stworzono specyfikację kolejnych 2.
<ul style="margin-top: 0pt; margin-bottom: 0pt;"><li dir="ltr" style="list-style-type: disc; font-size: 15px; font-family: Arial; color: #000000; background-color: transparent; font-weight: normal; font-style: normal; font-variant: normal; text-decoration: none; vertical-align: baseline;">
generacja I i II - umieszczane w latach 1979 - 1990, używane do 2007 roku.</li></ul>
obecnie wycofano już wszystkie 20 satelitów
<ul style="margin-top: 0pt; margin-bottom: 0pt;"><li dir="ltr" style="list-style-type: disc; font-size: 15px; font-family: Arial; color: #000000; background-color: transparent; font-weight: normal; font-style: normal; font-variant: normal; text-decoration: none; vertical-align: baseline;">generacja IIA - umieszczane w latach 1990 - 1997, używane do dzisiaj</li><li dir="ltr" style="list-style-type: disc; font-size: 15px; font-family: Arial; color: #000000; background-color: transparent; font-weight: normal; font-style: normal; font-variant: normal; text-decoration: none; vertical-align: baseline;">
generacja IIR - umieszczane w latach 1997 - 2004, używane do dzisiaj</li><li dir="ltr" style="list-style-type: disc; font-size: 15px; font-family: Arial; color: #000000; background-color: transparent; font-weight: normal; font-style: normal; font-variant: normal; text-decoration: none; vertical-align: baseline;">
generacja IIR-M - umieszczane w latach 2005 - 2009, używane do dzisiaj</li><li dir="ltr" style="list-style-type: disc; font-size: 15px; font-family: Arial; color: #000000; background-color: transparent; font-weight: normal; font-style: normal; font-variant: normal; text-decoration: none; vertical-align: baseline;">
generacja IIF - umieszczane od roku 2010, użytkowane do dzisiaj</li></ul>
Satelity, jak już wspominałem wcześniej, krążą po 6 równomiernie rozłożonych orbitach kołowych na wysokości 20 183 km i są nachylone do równika pod kątem 63o (generacja I i II) lub 55o (pozostałe generacje).
Ich obieg wokół Ziemi zajmuje im pół doby gwiazdowej (11 godzin i 58 minut).
Segment użytkownika
Wszystkie urządzenia które odbierają sygnał z satelitów (poza tymi należącymi do kontroli orbit z systemu naziemnego) należą do segmentu użytkownika. Są to odbiorniki ręczne (samodzielne urządzenia lub smartfony), wbudowane w samochody, statki lub samoloty, dedykowane do nawigacji lub przynajmniej ustalenia pozycji. Co ciekawe, również satelity niskich orbit (LEO) znajdujących się na wysokości do kilkuset kilometrów, korzystają z GPS do ustalenia własnej pozycji (przykładowo satelita GeoEye-1 z którego pochodzą zdjęcia w Google Maps, korzysta z 2 takich odbiorników). Jednak jak sama (pełna) nazwa wskazuje, GPS pozwala także na precyzyjny pomiar czasu - i jest to właściwie rzecz, na której opiera się cała idea systemu. Dokładność jest na tyle duża, że wiele ośrodków naukowych używa sygnału GPS do synchronizacji czasu, ponieważ “na pokładzie” satelity znajdują się precyzyjne zegary atomowe, co pozwala na dokładne zmierzenie czasu.
Źródło: http://fdra.blogspot.com/2012/08/comunicaciones-gps-comerciales-sobre.html
Zasada działania systemu GPS
Ideą do zrozumienia działania nawigacji satelitarnej jest uświadomienie sobie nieco odmiennego podejścia. Doświadczenie z podstaw kartografii jest dla nas niestety nieco mylące. W wyznaczaniu pozycji na mapie korzystamy bowiem z dalmierza do określenia odległości do charakterystycznych punktów, ustalamy swoją pozycję w odniesieniu do namiarów kompasowych na budynki, wieże radiowe czy inne widoczne punkty, albo porównujemy mapę z tym, co aktualnie widzimy.
Tymczasem satelity GPS przesyłają do nas… godzinę.
I to nie byle jaką, bo bardzo, bardzo dokładną - na tyle dokładną, na ile pozwalają ich zegary atomowe. Czas ten jest synchronizowany z zegarem kwarcowym w naszym odbiorniku GPS.
Żeby lepiej zobrazować przykład, spróbujmy wyobrazić sobie to w następujący sposób:
Spotykamy się w 4 osoby na ogromnej łące. Każdy ma zegarek. Dodatkowo 3 osoby mają gwizdki (o różnym dźwięku), a my - użytkownik systemu - stoper. Synchronizujemy godziny we wszystkich zegarkach, a następnie osoby z gwizdkami oddalają się w losowym kierunku na identyczny dystans. Na umówiony znak, np. o pełnej minucie, każda z osób gwiżdże. Jeśli osoby oddalą się na znaczną odległość, od momentu wybicia pełnej minuty do usłyszenia przez nas gwizdu, upłynie jakiś czas (ponieważ sygnał z gwizdka porusza się z prędkością dźwięku).
Zapisujemy ten czas. Jeśli staliśmy na środku, w równej odległości od gwiżdżących, usłyszymy wszystkie dźwięki w tym samym momencie.
Spróbujmy jednak poruszyć się w stronę jednego z gwiżdżących. Na wybicie kolejnej minuty usłyszymy najpierw gwizd osoby najbliżej nas, a potem kolejnych. Rozróżniając dźwięki każdej z osób, jesteśmy w stanie obliczyć w jakiej odległości znajdujemy się od każdej z nich. Znamy czas (od wybicia pełnej minuty do dotarcia do nas dźwięku) i prędkość dźwięku. Przekształcając wzór na prędkość (prędkość = droga / czas) do postaci (droga = prędkość / czas) (albo dla zwyrodniałych studentów, licząc całkę 
Ten sam mechanizm, tylko:
1. z pobraniem parametrów orbit po których poruszają się satelity bezpośrednio od satelitów, jeszcze przed określeniem naszej pozycji,
2. prędkością sygnału równą prędkości światła
3. i synchronizacją zegarów odbywającą się również z sygnału z satelitów
pozwala na obliczenie naszej pozycji w systemie GPS.
Jednak to, co w przypadku przykładu na ziemi wydaje się być proste (synchronizacja zegarków czy obliczenie pozycji) w przypadku oddalonych od nas o ponad 200 tys. km satelitów jest odrobinę bardziej skomplikowane.
Identyfikacja satelitów
Pierwszym dość istotnym pytaniem które należy sobie zadać, jest - jak rozróżnić konkretne satelity?
Sygnał nadawany jest na kilku częstotliwościach, do celów nawigacji cywilnej używa się jednak dwóch z nich:
1575,42 Mhz (sygnał L1)
1227,60 Mhz (sygnał L2 - dostępny od generacji IIR-M)
Większość odbiorników korzysta tylko z L1, jednak przy odbiornikach wykorzystujących obie częstotliwości możliwe jest obliczenie dodatkowych poprawek jonosferycznych zmniejszających dodatkowo błąd określanej pozycji.
Wszystkie satelity nadają jednocześnie, tak więc przyjmując, że dociera do nas sygnał z 10 z nich, jest porównywalne ze słuchaniem 10 stacji radiowych jednocześnie.
Aby rozróżnić satelity, stosowane jest kodowanie CDMA (Code Division Multiple Access), czyli identyfikację po kodach. Kodem tym (czyli kodem C/A - Coarse Acquisition) moduluje się nadawany sygnał z depeszą nawigacyjną. Dzięki temu nie ma potrzeby stosowania odbiorników na kilka częstotliwości jednocześnie, jak miało to miejsce w pierwszej generacji systemu GLONASS (więcej informacji w dalszej części artykułu). Urządzenia są tańsze, tak jak i utrzymanie satelitów. Łatwo jest zastąpić uszkodzone urządzenie jednym z awaryjnych, znajdujących się już na orbicie, ponieważ mają tą samą częstotliwość nadawania.
Przechodzimy więc do sedna wysyłania informacji przez system GPS.
Każdy satelita nadaje “w kółko” depeszę nawigacyjną, składającą się z 25 ramek. Ramka to inaczej fragment (pakiet) transmisji danych. Nadanie każdej ramki trwa 30 sekund. Zawartość depeszy jest aktualizowana ze stacji naziemnych, aby wprowadzić poprawki w ewentualnych niezgodnościach z początkowymi parametrami każdego z satelitów (np. drobne odchylenia od założonych orbit).
W skład każdej z ramek wchodzą m.in następujące dane:
<ul style="margin-top: 0pt; margin-bottom: 0pt;"><li dir="ltr" style="list-style-type: disc; font-size: 15px; font-family: Arial; color: #000000; background-color: transparent; font-weight: normal; font-style: normal; font-variant: normal; text-decoration: none; vertical-align: baseline;">
poprawki zegara satelity, stan jego pracy i dokładności pomiaru, </li><li dir="ltr" style="list-style-type: disc; font-size: 15px; font-family: Arial; color: #000000; background-color: transparent; font-weight: normal; font-style: normal; font-variant: normal; text-decoration: none; vertical-align: baseline;">
dane efemerydalne transmitującego satelity (czyli parametry orbity po jakiej się porusza), </li><li dir="ltr" style="list-style-type: disc; font-size: 15px; font-family: Arial; color: #000000; background-color: transparent; font-weight: normal; font-style: normal; font-variant: normal; text-decoration: none; vertical-align: baseline;">
almanach (czyli przeglądową informację) o konstelacji pozostałych satelitów, dzięki czemu można łatwiej odebrać od nich sygnał, a także aktualne poprawki do osiągnięcia lepszej dokładności pozycji</li></ul>
W momencie włączenia odbiornika GPS, rozpoczyna się odbiór sygnału i próba dopasowania go do kodów C/A zapisanych lub wygenerowanych przez odbiornik. Gdy to się uda, odczytywana jest niesiona przez niego informacja i następuje dalsze śledzenie przychodzących sygnałów z satelity. Odbierane są kolejne fragmenty almanachu, którego przesłanie zajmuje 12.5 minuty.
Hot start, cold start i łapanie fixa
Dla nas, jako użytkowników, istotne jest szybkie ustalenie pozycji. Nie ma nic bardziej irytującego, jak oczekiwanie. Jest to ważne zwłaszcza w sytuacjach gdy trzeba reagować szybko i precyzyjnie - np. w trakcie milsimów, czy nawigowania w samochodzie w obcym mieście.
Gdy jest to pierwsze włączenie naszego odbiornika (od nowości lub od długiego czasu), prawdopodobnie będziemy musieli trochę poczekać. Jeśli mamy idealne warunki, brak przeszkód, gór, budynków czy drzew, stoimy w miejscu na otwartej przestrzeni, ustalenie pozycji nie powinno zająć więcej niż 12.5 minuty - czyli czas przesłania całości depeszy nawigacyjnej. Wówczas jest to tzw. autonomous start lub Search the Sky. Może się jednak zdarzyć, że będzie krócej - na przykład jeśli odczytamy wystarczającą część almanachu by namierzyć satelity znajdujące się nad nami. Bywa jednak, że przeszkody lub zakłócenia (np. słaby sygnał z powodu zachmurzenia albo kiepskiej jakości odbiornika) wydłużą znacząco czas akwizycji sygnału.
Po wyłączeniu odbiornika, dane dotyczące parametrów orbit satelitów i naszą przybliżoną pozycję pozostają w pamięci urządzenia.
Z racji, że efemerydy są aktualizowane co kilka (od 4 do 6) godzin, możemy uzyskać dane częściowo aktualne, dzięki czemu nasz odbiornik będzie w stanie szybciej określić swoją pozycję. Jest to wówczas tzw. cold start. Zależnie od aktualności posiadanych przez nas danych może to zająć od 30 sekund do kilku minut.
Jeśli nie używaliśmy odbiornika przez mniej niż 4 godziny i posiadamy aktualne parametry przynajmniej 3 satelitów, wówczas mamy do czynienie z warm startem i możemy uzyskać naszą pozycję w czasie do 35 sekund.
W przypadku, gdy czas od wyłączenia odbiornika jest mniejszy niż 20 minut i zegar w naszym odbiorniku nie zdążył jeszcze się rozsynchronizować z zegarem z satelitów, pozycja może być ustalona bardzo szybko. Hot start nie powinien zająć więcej niż kilka sekund.
Systemy wspomagające GPS
Jak to się jednak dzieje, że włączając smartfona z Google Maps nasza pozycja pojawia się w ciągu zaledwie kilku sekund, podczas gdy dedykowany GPS samochodowy, nawet z tej wyższej półki, potrzebuje “regulaminowej” minuty lub dłużej na określenie pozycji?
Odpowiedź nie leży w jakości odbiornika (ponieważ w smartfonie moduł i antena GPS są najczęściej dużo gorszej jakości niż w dedykowanym urządzeniu), a we wspomaganiu A-GPS.
A-GPS to rozwiązanie pozwalające na przesłanie przez (najczęściej) transmisję danych sieci komórkowej dodatkowych danych dla odbiornika GPS, na przykład almanachu i efemeryd. Możliwa jest też synchronizacja czasu ze stacjami bazowymi (tryb MSB - Mobile Station Based). Istnieje też drugi tryb, MSA (Mobile Station Assisted) w którym nagrany fragment sygnału GPS przesyłany jest do stacji bazowej, która, dysponując dużą mocą obliczeniową, znając wymagane korekty dla jej pozycji oraz posiadając dobre stacjonarne odbiorniki GPS, dokonuje dopasowania i odsyła do urządzenia gotową pozycję.
Na podobnej zasadzie może zostać użyta sieć WiFi. Dzięki znanej lokalizacji sieci o konkretnym identyfikatorze SSID, możliwe jest dodatkowe wsparcie odbiornika przy określaniu swojej pozycji.
W sytuacji, gdy nie ma możliwości skorzystania z sieci komórkowej (np. na morzu) stacje D-GPS oferują podobną funkcjonalność, przesyłając poprawki i parametry orbit poprzez inne częstotliwości radiowe.
Część 2: Alternatywy dla GPS?
