Kako funkcioniše GPS?

Global Positioning System (GPS) je za sada zvanično jedini potpuno funkcionalan sistem za određivanje pozicije korisnika na bilo kojoj tački na planeti. Korišćenjem sistema od dvadeset i četiri satelita koji emituju specijalno kodirane radio signale koje korisnik može da obradi pomoću GPS prijemnika, proračunava se njegova tačna pozicija u koordinatnom sistemu geografske dužine, širine i nadmorske visine. Pored proračunavanja pozicije, moguće je dobiti i informaciju o brzini kretanja nosioca prijemnika. 

GPS uređaj

KAKO JE  SVE POČELO?

GPS sistem je osnovalo Ministarstvo Odbrane SAD-a 1978. godine. Tada je lansiran prvi eksperimentalni satelit, u sklopu sistema pod zvaničnim imenom NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System). Samim tim, sistem je u vlasništvu Ministarstva Odbrane SAD i pod njihovom kontrolom. Vlada SAD-a izdvaja svake godine preko 400 miliona dolara za potrebe održavanja sistema, ali je i pored toga signal proglašen za „opšte dobro“ pa je tako potpuno besplatan i dostupan za širok opseg korisnika na celom svetu.
Treba napomenuti da se pojam „GPS“ odnosi isključivo na američki Global Positioning System, zatim da je to sistem i da je nepravilna upotreba tog pojma u kontekstu nekakvog mernog uređaja ili slično, što se često može čuti u svakodnevnom životu.
Ruska Federacija (ranije SSSR) od 1982. godine razvija sopstveni navigacioni sistem pod nazivom GLONASS (Global Navigation Satellite System) koji je u ovom trenutku jedini pravi ekvivalent GPS-u. GLONASS je takođe zamišljen da koristi konstelaciju od 24 satelita, međutim zbog finansijskih problema taj predviđeni broj funkcionalnih satelita do danas nije uspeo da se ispuni. Danas GLONASS broji 12 potpuno funkcionalnih satelita, ali i pored toga je pokrivenost Zemlje ovim satelitima izuzetno dobra, zahvaljujući dobro osmišljenom rasporedu tih satelita u odnosu na Zemlju koji se prilično razlikuje od rasporeda GPS satelita. GLONASS je jako slabo zastupljen u komercijalnoj upotrebi, šta više koriste ga jedino pojedini proizvođači prijemnika visoke tačnosti, koji se koriste uglavnom za geodetski premer i slične potrebe.

OD ČEGA SE SASTOJI GPS?

Ceo sistem se sastoji iz tri segmenta: 

• Vasionski segment – čini ga gore pomenut sistem satelita koji su raspoređeni u šest orbitalnih ravni, a često se dešava da je ukupan broj satelita i veći jer se stari sateliti stalno zamenjuju novim, ali primarni broj satelita uvek ostaje 24. Sateliti se nalaze na visini od 20.200 km, a jednom satelitu je potrebno 12 sati da napravi krug oko Zemlje.
  

  

  Sistem satelita

• Kontrolni segment – sastoji se od sistema kontrolnih stanica raspoređenih po celom svetu, sa glavnom kontrolnom stanicom („Master Control Monitor Station“) koja se nalazi u „Schriever Air Force Base“ u Koloradu. Uloga kontrolnih stanica je da mere signale koje emituju sateliti, a koji se tiču „obrasca“ putanje svakog satelita. 
• Korisnički segment – sastoji se od svih korisnika koji poseduju bilo kakav tip GPS Prijemnika. Sistem se sve više koristi u raznim oblastima svakodnevnog života. Na primer za navigaciju transportnih sredstava, za ličnu navigaciju, geodetski premer i nadzor, geološka istraživanja itd. Ovo su sve oblasti u kojima se GPS koristi za navigaciju i pozicioniranje, a pored toga, sistem se koristi i za usklađivanje časovnika (svaki satelit ima ugrađen atomski časovnik koji se svakodnevno koriguje iz kontrolnih centara), merenje atmosferskih parametara itd.
  

KAKO FUNKCIONIŠE GPS?

Svaki GPS satelit putem radio-uređaja emituje primarni navigacioni signal, koji se sastoji iz nekoliko vrsta podataka: „Navigation Message“ (NM) – navigaciona poruka koja sadrži „Almanac“, tj. grube vremenske podatke (misli se na časovnik) i informacije o statusu satelita i Efemeride, orbitalne podatke pomoću kojih GPS Prijemnik računa pozicije satelita u odnosu na Zemlju
Drugi podatak iz časovnika je P-code („Precise code“) koji mogu da obrade samo Prijemnici sa ključem za dekripciju. To su tzv. GPS Prijemnici sa P(Y) kodom koje uglavnom koriste armije SAD-a i njihovi saveznici.
Sve tri vrste podataka, NM, C/A i P(Y) se zajedno emituju preko radio-uređaja na primarnom kanalu L1, na 1575.42 MHz. (Y) podaci se takođe emituju i na L2 kanalu, na 1227.60 MHz.
Većina civilnih prijemnika je jednofrekventna, odnosno koristi samo L1 frekvenciju, dok drugu frekvenciju među civilnim prijemnicima koriste visoko precizni geodetski prijemnici. To su dvofrekventni prijemnici koji mogu da koriste signal sa L2 frekvencije za popravke uticaja jonosfere, i pored toga što su podaci sa ove frekvencije namenjeni isključivo za vojne potrebe.
Od kraja 2005. godine, u rad su pušteni novi sateliti koji emituju civilni signal pod nazivom L2C. Svrha ovog signala je povećanje tačnosti i pouzdanosti, a u bliskoj budućnosti se planira i uvođenje L5 signala. Postoji i još nekoliko signala koje emituju GPS sateliti, ali se oni koriste za druge potrebe.
Svaki korisnički GPS Prijemnik ima ugrađen računar pomoću kojeg računa sopstvenu poziciju na tlu. Da bi mogao da izračuna sopstvenu poziciju, GPS Prijemnik mora da primi signal od najmanje tri satelita. Za računanje pozicije se koristi trilateracija, tj. matematička metoda za određivanje relativnih koordinata željene tačke pomoću geometrije trouglova. Princip je sledeći:
Da bi odredio svoju poziciju, GPS prijemnik mora da odredi rastojanje do najmanje tri satelita. Pošto satelit emituje signal sa NM i C/A podacima, Prijemnik na taj način dobija podatke o poziciji svakog satelita pojedinačno u vreme kada je emitovao signal, kao i tačno vreme emitovanja. GPS prijemnik ima ugrađen časovnik, pa tako može da izračuna vreme (t) koje je bilo potrebno da signal pređe rastojanje od satelita do prijemnika, a kada se vreme pomnoži sa brzinom svetlosti, dobija se rastojanje, ili dužina između satelita i prijemnika.
Kako je časovnik u satelitu atomski precizan, dok je časovnik u prijemniku običan, uglavnom kvarcni časovnik (ugradnja atomskog časovnika u prijemnik ne bi bila isplativa), postoji izvesno odstupanje izazvano nepreciznošću časovnika u prijemniku. Odstupanje časovnika u prijemniku je poznata vrednost, koja se takođe koristi u računanju rastojanja između satelita i prijemnika, pa se zbog tog odstupanja sračunate vrednosti nazivaju pseudodužinama. Po tome se i matematička metoda za određivanje pozicije prijemnika često naziva pseudo-trilateracija. Da bi se pozicija Prijemnika precizno odredila, potrebno je simultano pseudodužine ka najmanje četiri satelita, gde je signal sa četvrtog satelita zapravo višak merenja, kojim se povećava tačnost. Uobičajena tačnost sračunate pozicije se kreće od 1 do 100 metara, što zavisi od samog prijemnika. većina komercijalnih „neprofesionalnih“ GPS Prijemnika računa poziciju sa tačnošću od oko 10 metara, a takvi prijemnici se koriste u svakodnevnom životu, npr. za navigaciju u kolima i slično.
Postoji još nekoliko izvora grešaka kod određivanja pozicije:
Selektivna dostupnost (SA - Selective Availability) – namerno kvarenje signala koje emituje satelit od strane Ministarstva Odbrane SAD-a. Ova praksa je ukinuta od sredine 2000. godine, a namena joj je bila da se oteža korišćenje GPS-a potencijalnim protivnicima SAD-a.

Greške efemerida i časovnika – odnose se na greške pri računanje dužina između satelita i prijemnika.
Uticaj jonosfere i troposfere na brzinu signala – jonosfera i troposfera prilično redukuju brzinu signala. Ova greška se uspešno otklanja korišćenjem matematičkih obrazaca.
Višestruka refleksija (Multipath effects) – signal iz satelita može da se reflektuje od neke površine (prozor na zgradi i sl.) i time prividno dodatno poveća vreme putovanja signala. Ipak, Prijemnici danas mogu da raspoznaju reflektovan signal od pravog i na taj način uklone ovu grešku. 

Geometrijsko rasipanje preciznosti („Geometric Dilution of Precision“ - GDOP) – kada se dva satelita nalaze suviše blizu jedan drugom, presečna tačka između njih kojom se određuje pozicija Prijemnika ne može precizno da se odredi.

PRIMENA GPS-A

Primena GPS-a u svakodnevnom životu je raznovrsna, mi smo već pomenuli neke. To se uglavnom odnosi na ličnu navigaciju, bilo da je u pitanju pešačenje, planinarenje, vožnja kolima ili kamionom, plovidba ili pilotiranje.