GPS – tai Globalinio Pozicijavimo Sistema (Global Positioning System = GPS). Tai yra didelio tikslumo palydovinė radionavigacinė sistema, suteikianti informaciją apie objektų padėtį erdvėje (3D), jų judėjimo greitį, kryptį ir įveiktą atstumą, atstumus iki pasirinktų taškų, apie tikslų vietos laiką duotu momentu, geografinius duotos vietovės saulėtekio/saulėlydžio laikus, mėnulio fazes. GPS veikia nepriklausomai nuo oro salygų, paros ar metų laiko, vienodai bet kokioje pasaulio vietoje.
GPS palydovai
GPS sistemoje naudojami 24 palydovai, priklauso JAV palydovinės navigacijos sistemai NAVSTAR (Navigation Satellite Time and Ranging). Pirmasis GPS palydovas buvo paleistas 1978 m. Visa 24 palydovų sistema pradėjo veikti 1994 metais. GPS palydovai skrieja 6 orbitinėmis trajektorijomis (po 4 kievienoje). Orbitų aukštis nuo žemės paviršiaus – apie 20180 km.
Palydovo parametrai
GPS palydovo parametrai:
- svoris – apie 907 kg,
- ilgis – apie 5 m,
- siunčiamo radiosignalo dažnis – 1575,42 MHz,
- siustuvo galia – apie 50 vatų.
Kiekvienas GPS palydovas radiosignalais į Žemę perduoda informaciją apie savo buvimo vietą (koordinates), tikslų laiką ir identifikavimo kodą.
GPS imtuvai
Tai prietaisai, priimantys signalus iš GPS palydovų. GPS imtuvus naudoja vartotojai, esantys žemės paviršiuje ir aviacijai tinkamame atmosferos sluoksnyje, savo buvimo koordinatėms nustatyti. GPS imtuvą paprastai sudaro dvi pagrindinės dalys – pagrindinis imtuvo mazgas (GPS engine) ir vartotojiška taikomoji programa.
Koordinačių nustatymas
GPS imtuvas priima signalus iš 3-5 artimiausių GPS palydovų, esančių tiesioginio matomumo zonoje, algoritmais apdoroja gautus signalus ir pateikia tokias vartotojo buvimo vietos koordinates:
- platuma,
- ilguma,
- aukštis virš jūros lygio,
- judėjimo greitis,
- judėjimo kryptis.
Informacija (grafinė ir tekstinė) yra išvedama vartotojui į ekraną. Imtuvas dažniausiai jungiamas prie delninio arba nešiojamo kompiuterio.
GPS palydovų siunčiami signalai pasiekia bet kurią Žemės vietą, bet kuriuo paros laiku, nepriklausomai nuo oro temperatūros.
Koordinačių tikslumas
Šiuo metu GPS imtuvo vietos nustatymo tikslumas gali siekti nuo 100 metrų iki 1 cm. Tai priklauso nuo naudojamo imtuvo sudėtingumo, naudojamų matavimo ir apskaičiavimo priemonių bei metodų. Civilinės paskirties arba buitiniais GPS imtuvais nustatomų koordinačių paklaida siekia apie 3-5 m. Naudojant EGNOS – ji gali sumažėti iki 1-1,5m
Kur reikia didelio tikslumo, prie GPS imtuvo yra naudojamas papildomas diferencialinis GPS imtuvas (Differential GPS, DGPS). Jis skirtas panaikinti netikslumus, kai GPS signalas iškraipomas:
- netyčia – trukdžiai atmosferos sluoksniuose (jonosferoje, troposferoje),
- tyčia – selektyvus priėjimas (SA – Selective Availability). Tai tyčinis GPS signalo pabloginimas, į jo transliavimą įvedant pseudoatsitiktines paklaidas. GPS tikslumas yra tyčia sumažinamas iki maždaug 100 metrų atstumui ir 5 km/h greičiui. SA naudoja GPS sistemos kūrėjai ir savininkai.
DGPS imtuvas koordinačių tikslumą gerina antžeminės stoties pagalba. Antžeminė stotis, priėmusi palydovo signalą, apskaičiuoja jo paklaidą ir kitu radijo dažniu siunčia “patikslintą” signalą DGPS imtuvui. DGPS sistema, priklausomai nuo imtuvo tipo ir veikimo metodų, vartotojui leidžia buvimo vietą apskaičiuoti nuo kelių metrų iki 1 cm tikslumu.
Kas yra WAAS?
WAAS – (Wide Area Augmentation System), tai sistema, kuomet korekcijos signalą, surinktą iš antžeminių stočių, perduoda specialus geostacionarinėje orbitoje esantis palydovas. Kadangi duomenims perduoti naudojamas tų pačių parametrų signalas, kaip ir GPS palydovų, vartotojui jokių papildomų įrenginių nebereikia, užtenka tik turėti GPS imtuvą su šia funkcija. Šiuo metu WAAS veikia tik Šiaurės Amerikoje. GPS su WAAS sistema paklaida – mažesnė nei 3 metrai. Kituose regionuose kuriamos panašios sistemos. Pvz., Europoje – EGNOS (Euro Geostationary Navigation Overlay Service), Azijoje – Japonijos MSAS (Multi-Functional Satellite Augmentation System)
Eksploatacija
Vartotojo koordinačių nustatymo kokybė priklauso nuo GPS transliuojamos informacijos tikslumo, signalo priėmimo sąlygų bei GPS imtuvo kokybės.
Saugumo sumetimais GPS transliuojama civilinė informacija iškraipoma specialiai, įvedant paklaidas (įdomu: tuoj po rugsėjo 11 įvykių sutriko automobilinių GPS navigacijos aparatų darbas visoje Europoje. Priežastis – ženkliai padidinta pozicionavimo informacijos paklaida, kuri vėliau atstatyta).
Signalo priėmimo sąlygas gali gadinti ir atmosfera, ir aukšti objektai šalia imtuvo (kalnai, tankus miškas, pastatai, tuneliai, pn.). Kai erdvėje tarp imtuvo ir GPS palydovo lyja ar sninga, tai neturi juntamos įtakos priimamam GPS signalui. Tačiau signalo priėmimą gali gerokai pabloginti sniegas ir ledas, susikaupę ant GPS imtuvo išorinės priėmimo antenos.
GPS imtuvams kenkia žaibai. Jei žaibo iškrova įvyksta šalia, imtuvas gali būti visiškai sugadintas.
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. Uždaruose daugiaaukščių kiemuose situacija pablogės, darbas visiškai sutriks tunelyje.
Automobiliniuose GPS navigacijos aparatuose būna ne mažiau 12 GPS imtuvų kanalų. Atviroje Lietuvos teritorijoje šiuo metu (2007 m.) portatyviniai aparatai su SIRF-III “mato” iki 20 palydovų (naujausias (nuo 2007 II pusmečio) HammerHand GPS imtuvas “mato” iki 30 palydovų). Kai kurie navigacijos aparatai turi viduje giroskopus, kurie palaiko vidinį sistemos pozicionavimą prapuolus GPS ryšiui (pvz., tunelyje).
Praktinis pritaikymas
GPS sistema su papildoma įranga pritaikoma navigacijoje – apskaičiuojamas maršrutas tarp pasirinktų taškų, rodomas objekto judėjimas detaliame žemėlapyje, grafinio kelvedžio nurodymai kaip įveikti artėjančias kryžkeles, sankryžas ar posūkius, o nukrypus – kaip vėl sugrįžti į maršrutą. Paklaida gali siekti iki kelių metrų.
GPS navigacija masiškai taikoma transporto, turizmo ir kt. srityse. Šiuo metu populiariausi navigacijos žemėlapių leidėjai “TeleAtlas” ir “Navteq” baigia ruošti ir Rytų Europos smulkius žemėlapius, kuriuose Lietuva padengta visa, Latvija ir Estija maždaug po trečdalį (2007 m., paroda CeBIT).
Didelio tikslumo GPS sistema yra naudojama kariniams tikslams, aviacijoje, kartografijoje, geodezijoje ir kt.
Kaip GPS veikia?
GPS imtuvai priima radijo signalus iš trijų arba daugiau (net iki 12-os vienu metu) palydovų, ir pagal juos specialiais algoritmais apskaičiuoja imtuvo buvimo vietos koordinates bei kitus parametrus
Koks GPS imtuvų tikslumas ?
Priklausomai nuo imtuvo sudėtingumo, naudojamų papildomų matavimo ir apskaičiavimo priemonių bei metodų, GPS imtuvo vietos nustatymo tikslumas gali būti nuo maždaug 20 metrų iki 1 cm. Dideliam tikslumui pasiekti (pvz. kariniams tikslams, geodezijoje, kartografijoje) paprastai naudojami papildomi diferencialiniai imtuvai (DGPS), taip pat specializuoti duomenų apdorojimo metodai ( post-processing). Nebrangių (300 – 4000 LT) civilinės, buitinės paskirties imtuvų tikslumas paprastai būna apie 3-5 m, o su EGNOS – 1-1,5m.
Kokiomis svarbiausiomis savo savybėmis GPS imtuvai skiriasi vienas nuo kito?
GPS imtuvų galimybes paprastai apsprendžia dviejų jų pagrindinių sudedamųjų dalių – pagrindinio imtuvo mazgo (GPS engine) ir vartotojiškos taikomosios programos (interfeiso) galimybės. Pagrindinio imtuvo mazgo svarbiausi parametrai yra: laikas nuo įjungimo iki navigacijos pradžios (taip vadinamas “šaltas” startas), duomenų atnaujinimo dažnumas laike, koordinačių nustatymo paklaida, greičio nustatymo paklaida, sunaudojamas iš maitinimo šaltinio galingumas. Yra ryšys tarp imtuvo kainos ir jo užtikrinamų parametrų kokybės – pigesni imtuvai paprastai negali atlikti tų uždavinių, su kuriais be vargo susidoroja brangesni. Taipogi gas žymiai tai priklauso ir integruotos į imtuvą taikomosios programos galimybių
Kas tai yra DGPS ?
Diferencialinis GPS imtuvas (DGPS) yra papildomas prietaisas, skirtas panaikinti netikslumus, atsirandančius dėl atmosferinių priimamų signalų iškraipymo, signalų atspindžių, kitų pallaidų šaltinių. Priklausomai nuo DGPS tipo ir naudojamų metodų, vietos koordinačių nustatymo paklaida gali būti sumažinama iki mažiau nei 1 cm, o judėjimo greičio paklaida – mažiau nei 0,15 km/h . DGPS imtuvai gaminami įvairų gamintojų, ir pagal savo veikimo pobūdį gali atlikti korekcijas tiek realiame laike, tiek ir atliekant korekcinius apskaičiavimus jau po matavimų atlikimo.
Kiek kainuoja GPS imtuvai?
Kainų diapazonas yra didžiulis. Paprasčiausi buitiniai GPS imtuvai kainuoja net mažiau nei 200 LT, kai tuo tarpu pačių moderniausių ir sudėtingiausių precizinių geodezinių-kartografinių GPS imtuvų kaina gali viršyti net 400,000 LT. Dažniausiai aukšta kaina būna dėl integruotos didelio sudėtingumo ir galimybių vartotojo taikomosios programos.
Kaip DGPS korekcijos yra perduodamos vartotojui ?
DGPS korekcijos yra perduodamos vartotojui radijo bangomis. Tam naudojami daugybė įvairiausių tipų radijo siųstuvų : žemų dažnių radionavigaciniai švyturiai, komercinės FM stotys, VHF/UHF/SHF komercinai siųstuvai, geo-stacionariniai palydovai. Daugelio jų eksploatacija finansuojama vyriausybinių JAV agentūrų (pvz. JAV pakrantės apsaugos), o priimami DGPS duomenys yra nemokami.
Kodėl DGPS imtuvai yra tokie brangūs ?
Kadangi navigacinių švyturių perduodama informacija yra vartotojams nemokama, o jų siųstuvų eksploatacija gana brangi – dalis DGPS imtuvų kainos yra jų gamintojų privaloma tvarka naudojama “kompensuoti” tuos eksploatacinius kaštus.
Kodėl DGPS vienose vietovėse veikia puikiai, o kitur – ne ?
Tai atsitinka todėl, kad diferencialinių švyturių radijo signalai turi ribotą sklidimo nuotolį. Kaip ir visos radijo bangos, jos sklinda tiesia linija, ir gali būti užstojamos horizonto ar kalnų. Gali turėti įtakos ir didelis trukdymų lygis toje vietovėje. Pvz. JAV pakrantės apsaugos radijo navigacinių švyturių veikimo nuotolis, priklausomai nuo jų galingumo, siekia 150-300 km. Jei jūs esate už šios patikimo priėmimo zonos, ar turite didelį vietinių trukdymų lygį, pavyzdžiui nuo aukštos įtampos perdavimo linijų – jūsų DGPS imtuvas korekcinių švyturių signalų nebepriiminės. Jei DGPS signalai priiminėjami iš vietinės komercinės FM stoties, priėmimo zona paprastai tesiekia tik 60-80 km. Bet priklausomai nuo vietinio reljefo ji gali sumažėti dar daugiau. Jei korekcinius signalus priiminėjate iš geo-stacionarinio palydovo, palydovo “matomumo” zonoje turėsite labai gerą ir stabilų priėmimą, tačiau už šios zonos ribų jo nebebus visai.
Ar palydovinių ir komercinių FM stočių peruodamų DGPS signalų tikslumas yra toks pat ?
Taip, gana panašus. Tikslumo požiūriu nėra esminio skirtumo, iš kur konkrečiai jūs priiminėjate korekcinius DGPS signalus. Svarbu tik, kad būtų patikimas, nenutrūkstamas jų priėmimas.
Kokią įtaką GPS veikimui turi perkūnija ir žaibai?
Žaibų poveikis gali pasireikšti įvairiais būdais. Pats didžiausias poveikis būna tada, kai žaibo iškrova įvyksta visai greta. Tokiais atvejais galimas net visiškas GPS imtuvo sugadinimas. Fiksuotų (stacionariai įrengtų, pvz. laivuose) imtuvų apsaugai labai rekomenduotina įrengti gerus žaibų iškroviklius. Kitas poveikis pasireiškia dideliais žaibų sukeliamų elektromagnetinių bangų trukdymais, kurie gali labai apsunkinti DGPS signalų priėmimą. Šių trukdymų sumažinimui naudojamos specialios mažatriukšmės “magnetinės kilpos” tipo priėmimo antenos. Signalų priėmimo iš GPS palydovų kokybei žaibavimas didelės įtakos neturi.
Ar galima GPS naudotis per lietų, šlapdribą ar sningant ?
Lietus, šlapdriba ir sniegas (trasoje tarp imtuvo ir GPS palydovo) paprastai neturi juntamos įtakos priimamam GPS signalui. Tai gali rimčiau pasireikšti tik atliekant precizinius geodezinius – kartografinius matavimus. Kita vertus – sniegas ir ledas, susikaupę ant GPS imtuvo išorinės priėmimo antenos, gali gerokai pabloginti ar visai nutraukti palydovų signalų priėmimą.
Kokią įtaką priimamam GPS signalui turi elektros perdavimo linijos ?
Kadangi elektros tinklo dažnis (50 Hz) yra labai žemas, jo harmonikų lygis dažniui augant krenta labai smarkiai. Taigi ir jų sukeliami trukdymai GPS sinalų priėmime beveik nepasireiškia (gali būti pastebimi tik visiškai artimoje zonoje nuo labai aukštos įtampos linijų) Šie trukdymai pasireiškia kur kas labiau priimant DGPS korekcinius signalus.
Ar galima naudoti GPS stiprių magnetinių laukų zonose ?
Stiprūs magnetiniai laukai neturi pastebimos įtakos GPS priėmimui. Neigiamą įtaką paprastai sukelia tik elektromagnetinių laukų energija, generuojama kompiuterių ir kitų šaltinių. Ypač tai pasireiškia priiminėjant korekcinius DGPS signalus. Ar trukdymai tikrai pasireiškia, lengviausia nustatyti atitolinant GPS/DGPS priėmimo anteną nuo galimo trukdžių šaltinio (arba net laikinai pilnai juos išjungiant) ir tuo pat metu stebint GPS imtuvo parodymų pasikeitimus.
Kokią įtaką DGPS tikslumui turi vartotojo atstumas nuo DGPS korekcinius signalus siunčiančios stoties ?
Yra du pagrindiniai faktoriai, kurie blogina DGPS imtuvų tikslumą, vartotojui tolstant nuo korekcinius signalus siunčiančios stoties. Jie iššaukiami jonosferos nevientisumų ir trumpalaikių “iškraipymų”, atsirandančių dėl saulės įtakos. Saulės ir jos dėmių aktyvumas keičiasi periodiškai 11 metų ciklu. Mažiausio aktyvumo metu (tokie buvo 1996 metai) mažiausiai pasireiškia trumpalaikiai jonosferos “iškraipymai” arba “sujaukimai”, tad ir šio proceso sukeliamos DGPS paklaidos yra mažiausios. Ir priešingai – didžiausio saulės aktyvumo metais DGPS paklaida išauga, kuri be to didėja proporcingai atstumui nuo korekcinius signalus siunčiančios stoties. Tada paklaidos dydis gali siekti iki 1m kiekvienam 100 km atstumo nuo DGPS signalų šaltinio. Kad to išvengti, labai didelio tikslumo poreikiams užtikrinti naudojami dviejų dažnių DGPS imtuvai.
Teko girdėti, kad GPS imtuvai nustato tiek dviejų (2D), tiek ir trijų (3D) dimensijų koordinates. Ar tai tikrai taip ? Ar jos lygiavertės tikslumo požiūriu?
Tam, kad nustatyti 3D koordinates erdvėje (ilgumą, platumą ir aukštį virš jūros lygio) reikia priimti signalus mažiausiai iš keturių skirtingų palydovų vienu metu. Tais atvejais, kai imtuvas apskaičiuoja tik 2D koordinates (tik ilgumą ir platumą), vartotojas turi pats įvesti į imtuvą savo esamą aukštį virš jūros lygio. Jeigu dėl kažkokių priežasčių šis parametras bus įvestas neteisingai, o nustatomos yra tik 2D koordinatės – vietovės nustatymo rezultatai bus nevisai tikslūs. 2D koordinačių nustatymo paklaida paprastai maždaug 2-5 kartus viršija vertikalios dedamosios (t.y. aukščio) paklaidą. Pavyzdžiui, 10 metrų aukščio paklaida gali iššaukti iki 50 m paklaidą horizontalių koordinačių nustatyme.
Ar paleidžiami nauji palydovai didina GPS sistemos tikslumą?
Iš esmės – ne. Naujai paleidžiami NAVSTAR serijos palydovai skirti pakeisti senus, sugedusius ar jau pasibaigusių resursų palydovus.
Kas nutinka GPS palydovui sugedus ar pasibaigus jo resursams?
Palydovui išėjus iš rikiuotės, dalis GPS vartotojų gali tam tikrais laiko tarpais pajusti navigacijos sulėtėjimą ar net trumpalaikius jos nutrūkimus. Taip atsitinka dėl sutrikusios palydovų išsidėstymo simetrijos (geometrijos) ir sunkumų vienu metu priimti signalus iš daugelio arti horizonto esančių palydovų. Tai ypač gali pasijusti nustatant erdvines (3D) koordinates. Tokiais atvejais laikinus sutrikimus padeda pašalinti esantys orbitoje atsarginiai NAVSTAR palydovai
Kas tai yra NMEA?
NMEA – tai sutrumpinimas iš “National Marine Electronics Association”.
NMEA 0183 – tai signalų interfeiso standartas, nusakantis nuoseklios magistralės 4800 bodų elektrinių sigalų parametrus – perdavimo protokolą, signalų trukmes, formatą, “sakinių” struktūrą ir kodavimą. Naujausia šio standarto versija yra 2.02; ji gali būti gaunama iš JAV nacionalinės jūrų elektronikos asociacijos, tel (410) 263-1742
Kas naudoja NMEA?
Kaip taisyklė tik jūriniai GPS imtuvai pilnai atitinka NMEA 0183 Standartą. Jie palaiko pilną “įjunk-ir-dirbk” (plug-and-play) suderinamumą su kitais jūriniais prietaisais. NMEA 0183 standarto signalai yra elektriškai suderinami su EIA-422. Nemažai GPS imtuvų naudoja ir EIA-232 nuoseklų duomenų portą, taip siekiant didesnio suderinamumo su labai paplitusiu personalinių kompiuterių nuosekliu portu. Nors NMEA 0183 reikalauja tik 4800 bodų greičio duomenų srauto, daugelis GPS imtuvų šiandien užtikrina ir daug mažesnius bei didesnius prijungimo greičius, taip siekiant didesnio suderinamumo su kitais galimais (ne jūriniais) prietaisais. GPS imtuvai, savo specifikacijų saraše pabrėžiantys NMEA suderinamumą, paprastai turi mintyje savo galimybę perduoti signalus išoriniams prietaisams NMEA “sakiniais”. Kai kurie populiariausi NMEA “sakinių” formatai yra :GLL, GGA, GSV, VTG, ZDA. Šie “sakiniai” paprastai apima geografinę ilgumą, platumą, judėjimo greitį, judėjimo azimutą, laiką ir kitą panašią informaciją.
