Twoja wyszukiwarka

MICHAŁ MIŚ
SATELITARNY PRZEWODNIK
Wiedza i Życie nr 4/2000
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 4/2000

Gdzie dokładnie się znajdujemy? W jakim kierunku pójść, aby dotrzeć do celu? Dzięki Globalnemu Systemowi Lokalizacji stało się to prostsze niż kiedykolwiek.

W grudniu zeszłego roku grupa turystów wybrała się na wycieczkę w wysokie Tatry. Kiedy zaczęło się ściemniać, wędrowcy brnący przez głęboki śnieg zgubili drogę. Takie sytuacje często kończą się tragicznie. Na szczęście nie tym razem. Turyści przezornie zabrali bowiem ze sobą telefon komórkowy i odbiornik GPS. Dzięki niemu potrafili dokładnie określić swoją pozycję i przez "komórkę" wezwali pomoc. Ratownicy bez trudu znaleźli zaginionych.

Global Positioning System stworzony został w połowie lat siedemdziesiątych z myślą o zastosowaniu wojskowym. Szybko jednak dostrzeżono możliwości, jakie daje cywilnym użytkownikom. Jednym z najbardziej spektakularnych przykładów wykorzystania GPS była budowa tunelu pod kanałem La Manche, łączącym angielskie Dover z francuskim Calais. Inżynierowie drążący tunel z obu stron kanału używali odbiorników GPS, aby mieć pewność, że połączenie będzie precyzyjne. Innym sposobem wykorzystania GPS są badania migracji zwierząt. Przytwierdzone do wędrujących osobników nadajniki przesyłają informację o przebytej trasie, co pozwala naukowcom lepiej poznać obyczaje poszczególnych gatunków.

Szczególnie szybko rozwijającą się gałęzią nawigacji satelitarnej są wszystkie usługi związane z lokalizacją pojazdów. Nie tylko pozwalają zbłąkanym kierowcom dotrzeć do upragnionego celu, ale również pomagają mierzyć natężenie ruchu. Podłączone do pojazdów policyjnych, karetek pogotowia czy jednostek straży pożarnej, umożliwiają szybszą reakcję na zagrożenia. W systemy nawigacji satelitarnej wyposażane są także wielkie ciężarówki, które muszą pokonywać bardzo długie trasy. W przypadku kradzieży transportu namierzenie i odnalezienie zrabowanego pojazdu staje się dużo łatwiejsze. System GPS pomaga również w nawigacji lotniczej i morskiej. W tej chwili prowadzone są także badania nad zastosowaniem odbiornika GPS jako satelitarnego przewodnika dla niewidomych.

Nawigacyjna rewolucja rozpoczęła się w 1973 roku. Na potrzeby marynarki i lotnictwa Stanów Zjednoczonych rozpoczęto wtedy prace nad systemem, który pozwalałby z niespotykaną dotąd precyzją określić położenie. Początkowo służył on do wyznaczania pozycji amerykańskich atomowych łodzi podwodnych, aby w 1991 roku, w trakcie operacji "Pustynna Burza" w Zatoce Perskiej, stać się niezastąpionym narzędziem walki. Na Bliski Wschód wysłano wraz z armią 1000 odbiorników GPS. Pod koniec operacji amerykańscy żołnierze mieli już na miejscu 9 tys. tego typu urządzeń. Dzięki nim wojsko Stanów Zjednoczonych mogło przemieszczać się szybciej i sprawniej niż obeznana z terenem armia Iraku. Odbiorniki GPS służyły również do naprowadzania rakiet na określony cel, co zostało zresztą wykorzystane w zeszłym roku podczas nalotów na Serbię.

DOKŁADNOŚĆ (NIE) TYLKO DLA WOJSKA

Zasada działania GPS opiera się na pomiarach odległości pomiędzy czterema satelitami a odbiornikiem. Każdy satelita wyposażony jest w cztery cezowe zegary atomowe i bezustannie wysyła za pośrednictwem fal radiowych informację o lokalnym czasie. Aby obliczyć odległość od satelity, odbiornik GPS mierzy czas, który upłynął pomiędzy wysłaniem a odbiorem sygnału, a różnicę między tymi dwiema wartościami mnoży przez prędkość światła, czyli prędkość rozchodzenia się fal radiowych.

Kiedy wyznacza się odległość od pierwszego satelity, wiadomo, że odbiornik GPS znajduje się gdzieś na powierzchni sfery o środku w satelicie i promieniu równym odległości od niego. Znając odległość od drugiego satelity, można zawęzić ten obszar do okręgu, który powstaje z przecięcia obydwu sfer. Dystans, który dzieli trzeciego satelitę od odbiornika, pozwala ograniczyć obszar poszukiwań do dwóch punktów, z których jeden jako niemożliwy można spokojnie odrzucić.

I teoretycznie dane te wystarczałyby do dokładnego wyznaczenia odległości, gdyby nie jedno "ale". Odbiornik GPS wyposażony jest jedynie w zegar kwarcowy, który nie umożliwia wystarczająco dokładnego pomiaru czasu, ponieważ cezowy zegar atomowy kosztuje, bagatela, około pół miliona złotych. Dlatego właśnie potrzebny jest czwarty satelita, dzięki któremu możliwa staje się synchronizacja zegara kwarcowego odbiornika z atomowym satelity.

Najprostszy odbiornik GPS pozwala określić lokalizację z dokładnością do 10 m. Niestety, Departament Obrony Stanów Zjednoczonych uważa, że taka precyzja jest z punktu widzenia bezpieczeństwa USA zbyt duża. Dlatego określanie położenia odbywa się na dwóch niezależnych poziomach. Pierwszy, dostępny za darmo dla wszystkich cywilnych użytkowników, zniekształcany jest przez satelity. Umożliwia określenie położenia odbiornika z dokładnością do 50-100 m. Dokładny sygnał dostępny jest jedynie dla wojsk amerykańskich i innych państw NATO.

W tej sytuacji zakłócenia sygnału przez amerykański rząd przestają mieć jakikolwiek sens, gdyż argument o przewadze militarnej Stanów Zjednoczonych staje się łatwy do obalenia. Zresztą, jak niedawno udowodnili rosyjscy konstruktorzy z firmy Aviaconversia, przy odrobinie złej woli można prostym i tanim urządzeniem o mocy jedynie 4W bardzo dokładnie zagłuszyć i zniekształcić sygnał GPS.

Systemy nawigacji satelitarnej wspólnie z Internetem i telefonią komórkową zrewolucjonizują XXI wiek. Snucie przypuszczeń, w jakim stopniu, jest jednak zajęciem jałowym. Wystarczy wspomnieć, że jeszcze pół wieku temu uczeni byli święcie przekonani, że najmniejsze komputery będą ważyć nie mniej niż półtorej tony.

Nie tylko Amerykanie

Odpowiednikiem amerykańskiego GPS jest GLONASS (Global Navigation Satellite System). Choć angielska nazwa może wprowadzać w błąd, GLONASS jest systemem rosyjskim, nad którym rozpoczęto pracę w 1982 roku. Stworzony został dla celów wojskowych, a obecnie udostępniany jest również użytkownikom cywilnym. W jego skład powinny wchodzić 24 satelity, jednak od momentu uruchomienia systemu na początku 1996 roku działał sprawnie jedynie przez 40 dni. Według informacji NASA, w tej chwili na orbicie pozostaje jedynie 21 aktywnych satelitów rozmieszczonych w trzech płaszczyznach orbitalnych. Orbity są kołowe i znajdują się na wysokości około 19 100 km. Okres ich obiegu wokół Ziemi wynosi 11 godzin i 15 minut. Główna stacja nadzoru znajduje się w Moskwie, a cztery stacje monitorujące na terenie byłego Związku Radzieckiego. Dokładność pomiaru dla użytkowników wojskowych wynosi 10-20, dla cywilnych około 100 metrów.

Podręczny zestaw przetrwania

Pod koniec zeszłego roku firma Benefon zaprezentowała na targach Telecom w Genewie pierwszy telefon komór- kowy, będący jednocześnie odbiornikiem GPS. Benefon Esc!, bo tak nazywa się to cudo, został specjalnie stworzony dla ludzi, którzy lubią podróżować. Na dużym oczywiście jak na telefon ekranie można wyświetlać mapy oraz inne informacje nawigacyjne, pozwalające dokładnie ustalić własną lokalizację. Ciekawostką jest możliwość przesyłania do telefonu za pośrednictwem Internetu map wielu regionów Europy: turystycznych, morskich nawigacyjnych i topograficznych oraz plany miast z nazwami ulic i adresami. Benefon Esc! jest wodo- wstrząsoodporny, a jego obudowę wzmacnia nierdzewna stal. W sprzedaży znajdzie się w pierwszej połowie br.

Błąd powstały przy użyciu cywilnego sygnału można jednak zmniejszyć nawet do kilkunastu centymetrów za sprawą różnicowego, czyli, innymi słowy, względnego pomiaru DGPS (Differential GPS). Polega to na użyciu dwóch nieznacznie oddalonych od siebie odbiorników. Jeden zostaje ustawiony w punkcie, którego dokładną szerokość i długość geograficzną wcześniej wyznaczano metodami tradycyjnymi. Na jego monitorze pojawią się jednak dane obarczone kilkudziesięciometrowym błędem. Drugie urządzenie będzie wskazywać podobne odchylenia. Po odjęciu wartości pomiarów satelitarnych obu odbiorników uzyskuje się zwiększoną dokładność. Na tej zasadzie działają m.in. urządzenia GPS instalowane w samochodzie. Rolę drugiego odbiornika spełnia w tym wypadku baza nadzorująca pojazdy w promieniu kilkuset kilometrów, która wysyła do odbiorników sygnały radiowe korygujące błąd pomiaru.

Trzy segmenty GPS

Global Positioning System składa się z trzech segmentów: kosmicznego, kontrolnego oraz użytkownika. W skład tego pierwszego wchodzą 24 satelity. Każdy z nich potrzebuje 12 godzin na okrążenie orbity. Satelity rozmieszczone są tak, aby co najmniej 5 z nich było widocznych z każdego punktu Ziemi. Na segment kontrolny składają się: Główna Stacja Kontrolna (Master Control Station) oraz cztery stacje monitorujące. Główna Stacja Kontrolna znajduje się w Bazie Sił Powietrznych Falcon w Colorado Springs, a stacje monitorujące rozmieszczone są w różnych miejscach na całym świecie. Trzeci segment - czyli segment użytkownika to po prostu urządzenia GPS odbierające i przetwarzające sygnał nadawany z satelitów w celu wyznaczenia odpowiedniej pozycji. W tej chwili istnieje ponad sto różnych rodzajów odbiorników GPS, z których najprostsze są niewiele większe od zwykłego telefonu komórkowego i kosztują około 1000 zł.

Krótka historia nawigacji

Segment kosmiczny GPS
24 satelity na 6 kołowych orbitach
4 satelity na każdej orbibie, umieszczone 20 200 km nad powierzchnią Ziemi pod kątem 55° do równika

Kiedy mniej więcej sześćset lat przed naszą erą mistrzowie morskiej nawigacji feniccy żeglarze na polecenie faraona Necho opłynęli Afrykę, zetknęli się z cudem. Płynąc na zachód, widzieli Słońce na północnej stronie nieba. Po powrocie z wyprawy Egipcjanie nie chcieli im uwierzyć, ponieważ wiadomo było, że Słońce nie może znajdować się na północy. Fenicjanie nie wiedzieli jeszcze wtedy, że, opływając Afrykę, znaleźli się na półkuli południowej i dlatego stali się świadkami owego "cudu". Oprócz własnych oczu i intuicji, nie mieli bowiem żadnego sposobu, który pozwoliłby im ustalić swoje położenie.

System GPS wyznacza w czasie rzeczywistym pozycje obiektów. Długość trwania pomiaru nie przekracza 1 sekundy

Pierwszy przełom w nawigacji dokonał się w Chinach. Tam właśnie w pierwszym stuleciu naszej ery, choć niektóre źródła podają, że jakieś dwieście lat wcześniej, wynaleziono kompas. Początkowo nie miał nic wspólnego z nawigacją, tylko z wróżbiarstwem i magią służył takiemu wybieraniu miejsca pod budowę domów i grobów, aby znajdowały się pod opieką przychylnych mocy nadprzyrodzonych. W VII wieku buddyjski kapłan i astronom I-sing zaobserwował, że igła magnetyczna zawsze wskazuje północ i południe. W XII wieku kompas był już w Chinach powszechnie stosowanym urządzeniem nawigacyjnym. Dla Europy został odkryty dopiero pod koniec XV wieku przez Krzysztofa Kolumba.

Zadaniem stacji monitorujących jest stałe śledzenie trajektorii satelitów oraz kontrolowanie znajdujących się na ich pokładach zegarów atomowych. Dane te przekazywane są do Głównej Stacji Kontrolnej, która wysyła do satelitów niezbędne poprawki

Następnymi ważnymi wynalazkami na drodze do nowoczesnej nawigacji były sekstans i chronometr. Ten pierwszy, zbudowany w 1730 roku przez angielskiego matematyka i astronoma Johna Hadleya, pozwalał obliczyć szerokość geograficzną na podstawie wysokości Słońca i gwiazd nad poziomem morza. Chronometr, czyli po prostu zegar o dużej dokładności pomiaru, wynalazł 29 lat później również Anglik, stolarz z zawodu, John Harrison. Dzięki niemu możliwe stało się wyliczenie drugiej ważnej zmiennej długości geograficznej. W ten sposób przez następne 200 lat żeglarze ustalali położenie swych statków. Dopiero w trakcie II wojny światowej zarówno wojska alianckie, jak i niemieckie zaczęły korzystać z radarów. Na kolejny przełom trzeba było czekać dużo krócej.

Zmierzenie odległości od trzech satelitów umożliwia odbiornikowi GPS określenie swojej pozycji, od czwartego zaś zsynchronizowanie zegara kwarcowego odbiornika z atomowym zegarem satelity