Nawigacja GPS odbiera sygnały radiowe z satelitów i na podstawie czasu ich dotarcia wylicza własne położenie. Odbiornik nie wysyła zapytań do satelitów – tylko je nasłuchuje. Do ustalenia pozycji w trzech wymiarach potrzebuje sygnałów co najmniej czterech satelitów.
Czym GPS różni się od GNSS?
GPS, czyli Global Positioning System, jest amerykańskim systemem nawigacji satelitarnej. GNSS to szersza nazwa całej kategorii globalnych systemów pozycjonowania, do której należą także europejski Galileo, rosyjski GLONASS i chiński BeiDou.
W codziennym języku określenie „nawigacja GPS” obejmuje często odbiorniki korzystające równocześnie z kilku konstelacji. Większa liczba dostępnych satelitów poprawia dostępność sygnału i może polepszyć geometrię pomiaru, zwłaszcza w mieście lub w terenie z ograniczoną widocznością nieba.
Jak odbiornik wylicza pozycję?
Każdy satelita wysyła sygnał radiowy zawierający między innymi informację o swoim położeniu oraz dokładnym czasie nadania sygnału. Odbiornik porównuje ten czas z chwilą odebrania depeszy. Ponieważ fale radiowe rozchodzą się z prędkością bliską prędkości światła, zmierzony czas pozwala oszacować odległość od satelity.
Ta odległość nie jest zwykle nazywana po prostu odległością, lecz pseudoodległością. Obejmuje ona także błąd wynikający z niedokładnej synchronizacji zegara odbiornika oraz opóźnienia sygnału w atmosferze.
GPS wykorzystuje trylaterację, a nie triangulację. Triangulacja określa położenie na podstawie kątów. Trylateracja opiera się na odległościach. Można wyobrazić sobie, że wokół każdego satelity powstaje sfera o promieniu odpowiadającym zmierzonej odległości. Miejsce przecięcia tych sfer wskazuje pozycję odbiornika.
W praktyce odbiornik wykonuje następujące czynności:
- Odbiera i rozpoznaje sygnały z widocznych satelitów.
- Odczytuje czas nadania sygnału oraz dane o położeniu satelitów.
- Oblicza pseudoodległość na podstawie czasu propagacji fali radiowej.
- Rozwiązuje układ równań i wyznacza szerokość geograficzną, długość geograficzną, wysokość oraz poprawkę zegara.
Dlaczego potrzebne są aż cztery satelity? Trzy pomiary pozwalają wyznaczyć trzy współrzędne przestrzenne, czyli położenie w osi X, Y i Z. Odbiornik ma jednak znacznie mniej precyzyjny zegar niż satelity. Czwarty sygnał pozwala obliczyć różnicę między czasem odbiornika a czasem systemu i skorygować ten błąd.
Każdy satelita korzysta z bardzo dokładnych zegarów atomowych. Odbiornik nie musi mieć takiego zegara, ponieważ jego błąd jest wyznaczany matematycznie podczas obliczeń. Bez precyzyjnego wzorca czasu w satelitach pomiar różnicy rzędu ułamków sekundy nie pozwoliłby wiarygodnie określić odległości.
Z czego składa się system GPS?
GPS działa dzięki współpracy trzech podstawowych segmentów:
- Segment kosmiczny – satelity poruszające się po średnich orbitach okołoziemskich, które nadają sygnały i dane nawigacyjne.
- Segment naziemny – stacje monitorujące i kontrolne, które śledzą satelity, wyznaczają parametry ich orbit oraz przekazują aktualizacje.
- Segment użytkownika – odbiorniki znajdujące się między innymi w smartfonach, samochodach, urządzeniach geodezyjnych i maszynach rolniczych.
Odbiornik GPS nie potrzebuje połączenia z internetem, aby obliczyć współrzędne. Internet lub sieć komórkowa mogą jednak dostarczać map, informacji o ruchu albo danych wspomagających szybkie ustalenie pozycji. Sama lokalizacja wynika z odbioru sygnałów satelitarnych.
Dlaczego GPS czasem się myli?
W normalnych warunkach cywilny odbiornik wyznacza pozycję z dokładnością rzędu kilku metrów. Nie jest to stała wartość, ponieważ na wynik wpływają zarówno warunki propagacji sygnału, jak i rozmieszczenie satelitów na niebie.
Wysokie budynki tworzą tak zwany kanion miejski. Odbiornik może mieć wtedy ograniczony widok na niebo, a sygnał odbity od elewacji dociera z opóźnieniem. Zjawisko to nazywa się wielodrogowością. Urządzenie może wówczas uznać sygnał odbity za sygnał biegnący bezpośrednio od satelity i wyliczyć przesuniętą pozycję.
Atmosfera również zmienia prędkość propagacji fal radiowych. Szczególne znaczenie ma jonosfera, której stan wpływa na czas przejścia sygnału. Odbiorniki i systemy korekcyjne mogą częściowo kompensować ten błąd, ale nie usuwają wszystkich ograniczeń.
Na pogorszenie pomiaru wpływają przede wszystkim:
- gęsta zabudowa i odbicia sygnału od budynków,
- tunele, podziemia, garaże oraz miejsca zasłonięte przez teren,
- niekorzystne rozmieszczenie satelitów na niebie,
- opóźnienia jonosferyczne i troposferyczne,
- zakłócenia radiowe oraz jakość anteny i odbiornika.
W zastosowaniach wymagających większej precyzji stosuje się korekcje, na przykład EGNOS, DGPS lub RTK. Technologia RTK, wykorzystująca dodatkowe dane referencyjne, może osiągać dokładność centymetrową, ale wymaga odpowiedniego sprzętu i warunków pomiarowych. Nie jest to standard pracy typowej nawigacji samochodowej.
GPS a inne systemy GNSS
Nowoczesny odbiornik często śledzi kilka systemów jednocześnie. GPS pozostaje jedną z konstelacji, a nie nazwą całej technologii. Poszczególne systemy mają własne segmenty kosmiczne, naziemne i użytkownika, lecz działają według podobnej zasady pomiaru czasu dotarcia sygnału.
| System | Kraj lub region | Charakterystyka |
|---|---|---|
| GPS | Stany Zjednoczone | Globalny system pozycjonowania wykorzystywany w urządzeniach cywilnych i profesjonalnych. |
| GLONASS | Rosja | Globalna konstelacja satelitów, często używana równolegle z GPS. |
| Galileo | Unia Europejska | Europejski system GNSS projektowany z myślą o zastosowaniach cywilnych i komercyjnych. |
| BeiDou | Chiny | Chiński system o zasięgu globalnym, stosowany także w odbiornikach wielosystemowych. |
Po obliczeniu współrzędnych nawigacja nanosi je na mapę i może wyznaczyć trasę, prędkość lub kierunek ruchu. Sama mapa, informacje o korkach i proponowana droga pochodzą jednak z oprogramowania oraz dodatkowych usług, a nie bezpośrednio z geometrii sygnałów satelitarnych.
Najważniejsza zasada jest prosta: GPS mierzy czas dotarcia sygnałów, zamienia go na pseudoodległości i wykorzystuje trylaterację do wyznaczenia pozycji. Czwarty satelita jest potrzebny przede wszystkim dlatego, że odbiornik musi jednocześnie skorygować własny błąd zegara.
