GPS — Pasaulinė padėties nustatymo sistema: kas tai ir kaip veikia
Pasaulinė padėties nustatymo sistema, dar vadinama GPS, yra palydovų sistema, skirta navigacijai Žemėje, ore ir vandenyje.
GPS imtuvas rodo, kur jis yra. Jis taip pat gali rodyti, kokiu greičiu jis juda, kuria kryptimi, koks jo aukštis ir kaip greitai jis kyla ar leidžiasi. Daugelyje GPS imtuvų yra informacijos apie vietoves. Automobiliams skirtuose GPS imtuvuose yra kelionių duomenys, pavyzdžiui, kelių žemėlapiai, viešbučiai, restoranai ir degalinės. Laivams skirtuose GPS imtuvuose yra jūrlapiai su uostų, prieplaukų, seklumų, uolų ir vandens kelių žemėlapiais. Kiti GPS imtuvai skirti oro navigacijai, žygiams pėsčiomis ir keliaujant su kuprine, važinėjant dviračiu ar užsiimant daugeliu kitų veiklų. Dauguma jų yra išmaniuosiuose telefonuose.
Dauguma GPS imtuvų gali užfiksuoti, kur jie buvo, ir padėti planuoti kelionę. Keliaujant suplanuota kelione, jis numato laiką iki kito kelionės tikslo.
Kaip veikia GPS?
GPS veikia pagal palydovų siunčiamus laiko žymėtus radijo signalus. Kiekvienas GPS palydovas nuolat perduoda informaciją apie savo ephemeridę (orbitos parametrus) ir laiką, fiksuotą labai tiksliu atominiu laikrodžiu. GPS imtuvas gauna šiuos signalus ir apskaičiuoja atstumą iki palydovų pagal signalo kelionės laiką (atstumas ≈ šviesos greitis × laiko vėlavimas).
Norint nustatyti trimatę poziciją (platuma, ilguma ir aukštis) bei sinchronizuoti imtuvo laikrodį, reikia signalų iš mažiausiai keturių palydovų. Šis metodas vadinamas trilateracija. Žemės kontrolės segmentas stebi palydovų sveikatą, koreguoja laikrodžius ir siunčia orbitos korekcijas, kad būtų užtikrintas sistemos tikslumas.
GPS komponentai
- Palydovų segmentas: navstar palydovai, skriejantys aplink Žemę ir perduodantys laiko bei orbitos duomenis.
- Kontrolės segmentas: žemės stočių tinklas, stebintis palydovus ir skaičiuojantis korekcijas.
- Vartotojo segmentas: GPS imtuvai – nuo specializuotų jūrinių, aviacinių prietaisų iki išmaniųjų telefonų ir rankinių turistinių įrenginių.
Tikslumas ir jo gerinimo būdai
GPS tikslumas priklauso nuo daugelio veiksnių: palydovų geometrijos, atmosferos sąlygų (jonosfera ir troposfera), signalo daugiakryptiškumo (multipath) bei imtuvo kokybės. Civiliams vartotojams tipinis horizontalus tikslumas yra keli metrai:
- Standartinis GPS: ~5–10 m įprastomis sąlygomis.
- DGPS (Differential GPS): naudojant vietines korekcijas, tikslumas gali pagerėti iki 1–3 m.
- RTK (Real-Time Kinematic): profesionaliose matavimo sistemose galima pasiekti centimetro tikslumą.
- SBAS (pvz., EGNOS, WAAS): palydovinės korekcijos, gerinančios tikslumą ir patikimumą aviacijoje bei kitoje veikloje.
Kiti palydovų navigacijos tinklai
GPS yra vienas iš pasaulinių navigacijos sistemų (GNSS). Kiti pagrindiniai tinklai:
- GLONASS (Rusija)
- Galileo (Europos Sąjunga)
- BeiDou (Kinija)
Daug modernių imtuvų vienu metu naudoja signalus iš kelių tinklų (multi-GNSS), kas žymiai pagerina padėties nustatymo patikimumą ir tikslumą, ypač miestuose su aukštais pastatais ar sudėtingomis sąlygomis.
Praktinės taikymo sritys
- Transportas: automobilių navigacija, laivybos maršrutai, aviacijos navigacija.
- Profesinės sritys: žemės ūkyje – tiksli žemės apdirbimo kontrolė, statyboje ir geodezijoje – matavimai.
- Kartos ir paslaugos: taksi, pristatymas, logistikos sekimas.
- Saugos ir gelbėjimo: skubios pagalbos tarnybos, asmeninių bėdos signalizavimo įrenginių lokalizacija.
- Laisvalaikis ir sportas: žygiai, dviračiai, bėgimas, geocaching.
- Moksliniai tyrimai: tektoniniai judesiai, meteorologija, laiko sinchronizavimas tinkluose.
Apribojimai, trikdžiai ir saugumas
GPS nėra be trūkumų. Signalai yra silpni ir gali būti blokuojami ar silpninami požeminėse erdvėse, tarp aukštų pastatų arba tankiuose miškuose. Taip pat egzistuoja:
- Multipath efektas: signalai atsimuša nuo pastatų ar reljefo ir pasiekia imtuvą su vėlavimu, sumažindami tikslumą.
- Jamming ir spoofing: signalų užblokavimas arba klaidinančių signalų siuntimas gali trikdyti pozicijos nustatymą.
- Atmosferos įtaka: jonosferos ir troposferos sluoksniai gali pakeisti signalo greitį.
Dėl saugumo ir privatumo svarbu atkreipti dėmesį, kokioms programėlėms suteikiate vietos nustatymo prieigą ir kada GPS veikimas yra įjungtas ar išjungtas.
Kaip pagerinti GPS veikimą praktiškai
- Vietoje, kur reikia didelio tikslumo, naudokite DGPS arba RTK sprendimus.
- Ten, kur įmanoma, venkite užstatytų miestų sankaupų arba laukite, kol gausite signalą nuo kelių palydovų.
- Išmaniuosiuose įrenginiuose atnaujinkite žemėlapius ir programinę įrangą – tai dažnai pagerina veikimą.
- Kai reikalingas tikslesnis aukštis, derinkite GPS duomenis su papildomais barometriniais sensoriais.
Trumpa istorija
GPS pradėtas kurti Jungtinių Valstijų gynybos departamentui XX a. pabaigoje, o pilnas visapusiškas operatyvumas pasiektas apie 1995 m. Iki 2000 m. buvo taikoma „Selective Availability“ (sąmoningas civilių signalo tikslumo ribojimas), tačiau ji buvo panaikinta, ir nuo to laiko civiliams prieinama daug didesnė tikslumo kokybė.
Apibendrinant: GPS – tai patikima ir plačiai naudojama technologija, leidžianti nustatyti padėtį, judėjimo greitį ir kryptį daugybėje sričių. Tačiau norint pasiekti geriausią rezultatą, svarbu žinoti sistemos galimybes ir apribojimus bei esant reikalui taikyti korekcines priemones.
GPS imtuvai. Žmonės gali juos nešiotis su savimi, kad nustatytų, kur yra, ir suplanuotų, kur ir kaip keliauti į kitą vietą.
Kaip tai veikia
GPS įrenginys priima radijo signalus iš kosminėje erdvėje esančių palydovų, skriejančių aplink Žemę. Virš Žemės yra 31 palydovas, esantis 20 200 km (12 600 mylių) aukštyje. Orbitos periodas yra 11 valandų ir 58 minutės. Dėl Žemės spindulio kiekvienas apskritimas yra 26 600 kilometrų (16 500 mylių) spindulio. Toli nuo Šiaurės ir Pietų ašigalių GPS įrenginys vienu metu gali priimti signalus iš 6-12 palydovų. Kiekviename palydove yra atominis laikrodis, kurį kiekvieną dieną kelis kartus kruopščiai nustato NORAD.
Radijo signaluose pateikiama informacija apie palydovo laiką ir padėtį, taip pat jo efemeridės. GPS imtuvas iš signalo išsiuntimo laiko atima dabartinį laiką. Skirtumas parodo, prieš kiek laiko buvo išsiųstas signalas. Laiko skirtumas, padaugintas iš šviesos greičio, yra atstumas iki palydovo. GPS įrenginys trigonometrija apskaičiuoja, kur jis yra pagal kiekvieno palydovo padėtį ir atstumą. Paprastai turi būti bent keturi palydovai, kad būtų galima išspręsti geometrines lygtis. GPS imtuvas gali apskaičiuoti savo padėtį daug kartų per vieną sekundę.
Daugelio nebrangių vartotojams skirtų imtuvų tikslumas yra 20 metrų (66 pėdų) beveik bet kurioje Žemės vietoje.
GPS įrenginys paprastai taip pat gali apskaičiuoti esamą greitį. Pigūs įrenginiai, pavyzdžiui, mobiliajame telefone, tai daro lygindami esamą padėtį su paskutine padėtimi. Brangūs įrenginiai, pavyzdžiui, lėktuve, naudoja Doplerio efektą ir yra labai tikslūs.
GPS palydovai skrieja aplink Žemę keturiomis plokštumomis, taip pat yra grupė virš ekvatoriaus. Mėlyni palydovai čia matomi GPS imtuvu, esančiu 45° šiaurės platumos. Raudonus palydovus užstoja Žemė.
Istorija
Įvairios radijo navigacijos sistemos naudojamos nuo XX a. vidurio. XX a. septintajame dešimtmetyje eksperimentų metu radijo siųstuvai buvo sumontuoti palydovuose. Naują sistemą, iš pradžių pavadintą "Navstar", XX a. septintajame dešimtmetyje sukūrė Jungtinių Valstijų karinės oro pajėgos. Ji tapo GPS ir buvo naudojama tik JAV kariuomenėje. 1983 m. prezidentas Ronaldas Reiganas išleido įsakymą, kad šia sistema galėtų naudotis visi norintys, nors ji dar buvo per maža, kad būtų labai naudinga. Aukščiausio tikslumo signalas buvo užšifruotas ir juo naudotis galėjo tik ginkluotosios pajėgos, tačiau dešimtajame dešimtmetyje jis buvo laikinai iššifruotas, o šimtmečio pabaigoje tai buvo padaryta visam laikui.
Kai kurie GPS imtuvai yra atskiri įrenginiai su savo maitinimo šaltiniu ir ekranu. Tokių XX a. buvo dauguma. Kariniai imtuvai tada rodė tik geografines koordinates arba kai kurie neturėjo ekrano, o tik perduodavo koordinates kitam aparatui.
Dabar dauguma GPS imtuvų yra mobiliųjų telefonų dalis, daug jų įmontuota į rankinius laikrodžius, automobilius ir kitus prietaisus. Mobiliojo telefono GPS dalis yra maža ir paprastai prasta, tačiau telefonas taip pat naudojasi mobiliojo ryšio bazinėmis stotimis ir "Wi-Fi" signalais.
Kitos sistemos
Yra ir kitų sistemų, kurios veikia taip pat. Vieną iš jų, vadinamą GLONASS, į kosmosą paleido Rusija. Kita, dar nebaigta, pavadinta "Galileo" ir sukurta Europos Sąjungos.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra pasaulinė padėties nustatymo sistema (GPS)?
A: GPS yra palydovų sistema, skirta padėti orientuotis Žemėje, ore ir vandenyje.
K: Ką rodo GPS imtuvas?
A: GPS imtuvas rodo, kur jis yra, kokiu greičiu juda, kuria kryptimi juda, kaip aukštai yra ir galbūt kaip greitai kyla ar leidžiasi.
K: Kokią informaciją turi automobiliams skirti GPS imtuvai?
A: Automobiliams skirtuose GPS imtuvuose yra kelionių duomenys, pavyzdžiui, kelių žemėlapiai, viešbučiai, restoranai ir degalinės.
K: Kokią informaciją turi valtims skirti GPS?
A: Valtims skirtuose GPS yra jūrlapiai su uostų, prieplaukų, sekliųjų vandenų, uolų ir vandens kelių žemėlapiais.
K: Kokiai kitai veiklai yra skirti GPS imtuvai?
A: Kiti GPS imtuvai skirti oro navigacijai, žygiams pėsčiomis, kelionėms su kuprine, važinėjimui dviračiu ir daugeliui kitų veiklų.
K: Kur yra dauguma GPS imtuvų?
A.: Dauguma GPS imtuvų yra išmaniuosiuose telefonuose.
K: Ką gali dauguma GPS imtuvų?
A: Dauguma GPS imtuvų gali užfiksuoti, kur buvo, ir padėti planuoti kelionę. Keliaujant suplanuota kelione, jis numato laiką iki kito kelionės tikslo.
