200п|десно|мини|GPS satelit
Globalni pozicioni sistem ili GPS () je globalni navigacioni satelitski sistem. GPS se sastoji od 24 satelita raspoređenih u orbiti Zemlje, koji šalju radio signal na površinu Zemlje. GPS prijemnici na osnovu ovih radio signala mogu da odrede svoju tačnu poziciju − nadmorsku visinu, geografsku širinu i geografsku dužinu − na bilo kom mestu na planeti danju i noću, pri svim vremenskim uslovima.
GPS ima veliku primenu kao globalni servis u raznim oblastima, u komercijalne i naučne svrhe: navigacija na moru, zemlji i u vazduhu, mapiranju zemljišta, pravljenju karata, određivanju tačnog vremena, otkrivanju zemljotresa i slično.
GPS je razvijen od strane Ministarstva odbrane SAD pod imenom Navstar u agenciji DARPA. Iako neki izvori navode da je NAVSTAR skraćenica od , agencija koja vodi program nikad nije smatrala da je Navstar skraćenica. U početku je korišćen isključivo u vojne svrhe da bi kasnije bio besplatno stavljen na raspolaganje svima kao javno dobro. Godišnji troškovi održavanja sistema su oko 750 miliona američkih dolara.
Osnove rada мини|десно|Izmerene udaljenosti sa greškom su predstavljene kao krivine, treba ih korigovati za istu vrednost da bi se sekle u istoj tački. Ova slika je dvodimenzionalna ilustracija, u stvarnosti se radi o trodimenzionalnom problemu GPS prijemnik je uređaj koji proračunava svoju poziciju na osnovu merenja udaljenosti od tri ili više GPS satelita. Svaki satelit emituje mikrotalasnu sekvencu radio signala koja je poznata prijemniku. Dok prijemnik prima taj signal, u stanju je da odredi vreme koje protekne od emitovanja radio signala sa satelita do prijema na svojoj poziciji. Udaljenost prijemnika od satelita se proračunava na osnovu tog vremena, budući da radio signal putuje poznatom brzinom. Signal takođe nosi informaciju o trenutnom položaju satelita sa kog se emituje. Ako se zna udaljenost prijemnika od satelita i pozicija satelita, poznato je da se prijemnik nalazi negde na sferi određene dimenzije u čijem je centru satelit. Pošto su poznate pozicije tri satelita i udaljenost prijemnika od svakog od njih, postupkom trilateracije se može odrediti pozicija prijemnika. Trilateracija se bazira na činjenici da se tri sfere seku u najviše dve tačke (od kojih jedna obično nema smisla)
Ovaj princip rada podrazumeva da su časovnici na svim satelitima, kao i na prijemniku potpuno sinhronizovani, da bi se vremenski razmak između poznate sekvence signala sa satelita i na prijemniku tačno izmerio. Na satelitima se nalaze atomski časovnici, veoma precizni i skupi. Međutim, prijemnik ima daleko manje precizan časovnik, kristalni oscilator. Nedostatak preciznosti se rešava uvođenjem merenja udaljenosti od još jednog satelita. Sat na prijemniku uvodi istu vremensku i prostornu grešku kada proračunava udaljenost od sva četiri satelita. Može se izračunati za koliko treba korigovati sat da bi se četiri sfere sekle u jednoj istoj tački. Na taj način se sat na prijemniku neprekidno koriguje. Jedna od primena GPS-a je veoma precizno računanje vremena i sinhronizacija časovnika .
Tehnički opis sistema Komponente sistema
GPS sistem se sastoji od tri komponente: komponente u vasioni, kontrolne komponente i korisničke komponente.
Komponenta u vasioni
мини|десно| GPS sateliti u orbiti Zemlje Komponentu u vasioni čine GPS sateliti u orbiti Zemlje. Broj i raspored satelita se menjao tokom vremena, a tehnička izvedba napredovala, kako se GPS sistem razvijao. Blok i sateliti su puštani u rad od 1978. do 1985. godine i do danas su svi van funkcije.
Originalni koncept Blok II satelita predstavljaju 24 GPS satelita koji se kreću u 6 orbitalnih ravni, ravnomerno raspoređenih u odnosu na Zemlju, koje su nagnute pod uglom od 55° u odnosu na ekvatorijalnu ravan. Orbitalne ravni ne rotiraju u odnosu na udaljenje zvezde. U svakoj orbitalnoj ravni se kreću po 4 satelita, po orbitama koje su skoro kružne (ekscentričnost elipse 1°), međusobno pravilno raspoređeni po kružnici orbite, pod uglom od 90 stepeni. Prečnik orbita je oko četiri puta veći od prečnika Zemlje i svaki od satelita jednom obiđe svoju orbitu za 12 časova, tako da u odnosu na površinu Zemlje svaki satelit svakog dana obiđe istu putanju. Ovaj broj i pravilan raspored satelita garantuje da se sa svake tačke na Zemlji u svakom trenutku na horizontu nalazi bar četiri satelita. To su četiri satelita potrebna za određivanje pozicije GPS prijemnika. .
Pošto sateliti izlaze iz funkcije zbog održavanja, kvarova ili isteka radnog veka, oko Zemlje kruži više satelita i često ih je aktivno više od 24. U trenutku sastavljanja ovog članka 30 GPS satelita je u funkciji.
Kontrolna komponenta
Kontrolnu komponentu čine: stanice za praćenje satelita, kontrolne stanice i zemljišne antene. Stanice za praćenje satelita se nalaze na Havajima, Kvajlin ostrvu, Aknezijskom ostrvu, ostrvu Dijego Garsija i Kolorado Springsu, u Koloradu. Uloga ovih stanica je da prate kretanje satelita i podatke šalju glavnoj kontrolnoj stanici u Kolorado Springsu. Tu se vrše proračuni i preko zemljišnih antena koje se nalaze na Kvajlin ostrvu, Aknezijskom ostrvu, i ostrvu Dijego Garsija satelitima se šalju ažurirani podaci o njihovoj tačnoj poziciji i vremenu. Ažuriranje se vrši dva puta dnevno, čime se vrše precizna podešavanja sistema. Novija generacija satelita je u stanju da međusobno komunicira i sinhronizuje podatke, pa preciznost određivanja pozicije ne bi bila bitno narušena, ni kad bi sateliti danima radili nezavisno od kontrolne komponente sa Zemlje.
Korisnička komponenta
мини|лево| GPS prijemnici kao samostalni uređaji , ovde prikazani od proizvođača Trimble, Garmin i Leica (sleva na desno). Korisničku komponentu čine GPS prijemnici na Zemlji. Prijemnici mogu biti komponente uključene u druge uređaje, kao npr mobilni telefon, časovnik i slično, ili samostalni uređaji. Na primer, GPS prijemnik baziran na SiRF Star III čipu ima dimenzije samo 12 x 15 -{mm}-. Drugi, samostalni uređaji, imaju displej za prikazivanje pozicije, brzine i/ili vremena i mogu imati interfejse sa drugim uređajima.
Osnovne komponente GPS prijemnika su antena podešena na frekvenciju GPS satelita, kristalni oscilator koji služi kao časovnik i mikroprocesor koji obrađuje signale. Prijemnici se često opisuju prema tome koliko kanala imaju. Svaki kanal prati po jedan satelit. Stariji modeli su imali četiri do pet kanala, a današnji uglavnom 12 do 20 kanala.
GPS prijemnici mogu imati u sastavu komponentu koja prima diferencijalne signale. Diferencijalni signal se dobija preko standardnog RS-232 porta ili preko interne antene. Od 2006. godine čak i jeftini prijemnici uključuju i prijemnike za oblasne sisteme augmentacije.
Neki GPS prijemnici komuniciraju sa drugim uređajima preko serijskih interfejsa kao što su USB ili Bluetooth, koristeći standardne protokole. NMEA 0183 i NMEA 2000 su široko rasprostranjeni protokoli. Iako su zaštićeni protokoli , objavljeno je dovoljno javnih dokumenata koji ih opisuju da se mogu koristiti bez kršenja autorskih prava. Postoje i drugi protokoli, kao SiRF i MTK.
Navigacioni signali
Osnovni navigacioni signali
300п|десно| Osnovni signali GPS satelita Osnovni signal koji svaki GPS satelit emituje se dobija modulacijom signala nosioca L1 i kombinacije dva digitalna signala.
Digitalni signal niže frekvencije sadrži navigacionu poruku koja se iznova emituje na svakih 12,5 minuta. Navigaciona poruka je složene strukture i sastoji se od „almanaha“ koji sadrži neobrađene podatke o vremenu atomskog časovnika, zajedno sa informacijom o statusu satelita. Drugi tip podataka u sastavu navigacione poruke je „efemeris“ koji sadrži podatke o orbiti satelita koje omogućavaju prijemniku da izračuna poziciju satelita.
Digitalni signal više frekvencije sadrži pseudoslučajni kod i zove se C/A kod. To je sekvenca dugačka 1023 bita koja se ponavlja svake milisekunde. Svaki satelit ima svoju jedinstvenu sekvencu, javno objavljenu, po kojoj se može identifikovati na jednom kanalu prijemnika.
Detaljnije o navigacionim signalima
GPS sateliti takođe emituju i P-kod ili precizni kod koji je takođe pseudoslučajni kod, ali su njegova frekvencija i digitalna sekvenca koja se ponavlja drugačije nego kod C/A koda. Njegova sekvenca ponavljanja traje jednu nedelju (7 dana). Ovaj signal se modulira sa signalom nosiocem L2, koristi se za vojne svrhe, ne objavljuje se javno i procesira se dodatno, tj. šifruje se i dešifruje.
Frekvencije signala nosioca su
L1 (1.575,42 -{MHz}-): nosilac za kombinaciju navigacione poruke, C/A koda i P-koda. L2 (1.227,60 -{MHz}-): nosilac za P-kod, plus novi L2C kod Blok IIR-M generacije i novijih satelita. L3 (1.381,05 -{MHz}-): nosilac korišćen za vojni program detekcije lansiranja projektila i nuklearnih detonacija. L4 (1.379,913 -{MHz}-): nosilac koji se razmatra za dodatne jonosferske ispravke. L5 (1.176,45 -{MHz}-): nosilac predložen za dodatne primene, prva primena se prognozira na satelitima koji će bii lansirani 2008. godine.
Proračun pozicije Geografske koordinate prijemnika se proračunavaju bazirano na Svetskom geodetskom sistemu, WGS84. Za početak, GPS prijemnici sa satelita neprekidno primaju navigacionu poruku koja u sebi sadrži informaciju o njihovoj poziciji.
Prijemnik identifikuje signal sa svakog pojedinog satelita prema njegovoj jedinstvenoj digitalnoj sekvenci, pa meri razmak između vremena kada je signal emitovan i vremena kada je signal primljen. To se radi tako što prijemnik interno generiše signal sa istom digitalnom sekvencom kao što je ima signal sa satelita. Zatim polako menja vremensku fazu tog signala sve dok se interni signal i signal sa satelita ne podudare. U trenutku podudaranja, pomerena vremenska faza internog signala je jednaka vremenu potrebnom da signal putuje od satelita do prijemnika, na osnovu čega se može izračunati udaljenost prijemnika od satelita, s obzirom na poznatu brzinu kojom radio signal putuje. Ova udaljenost se naziva pseudoudaljenost. Pseudo je zbog toga što je u ovom računanju pretpostavljeno da je interni časovnik prijemnika tačan, ali on sadrži izvesnu nepreciznost.
GPS prijemnik u svakom trenutku može da izračuna pseudoudaljenost od četiri satelita. Možemo da zamislimo četiri sfere od kojih svaka ima centar u po jednom od tih satelita, a poluprečnik joj je udaljenost od tog satelita do prijemnika. To su četiri sfere koje se sve seku u jednoj tački. Pošto signali sa svakog satelita putuju istom brzinom, u svakoj od pseudoudaljenosti je uračunata ista apsolutna greška. Kada bi sfere za poluprečnike imale pseudoudaljenosti umesto stvarnih udaljenosti, one se ne bi sekle u istoj tački, već bi sve bilo malo pomereno. Malom korekcijom pseudoudaljenosti za istu vrednost možemo podesiti da se sfere seku u istoj tački. Kada se izračuna kolika je apsolutna greška u izračunavanju pseudoudaljenosti, onda se zna i kolika je nepreciznost internog časovnika prijemnika i on se podešava da tačnije pokazuje vreme. Ovo podešavanje se stalno dešava u vremenu.
Proračun pozicije na osnovu P-koda je konceptualno sličan, pod pretpostavkom da se signal može dekodirati. Šifrovanje ovog signala je zaštitni mehanizam. Ako se signal može uspešno dešifrovati, onda se može pretpostaviti da je zaista poslat sa GPS satelita. U poređenju sa P-kodom koji se koristi u vojne svrhe, C/A kod je veoma osetljiv na ometanja. Pošto su digitalne sekvence GPS signala javno poznate, moguće je namerno ih emitovati generatorima signala.
Preciznost i faktori koji unose grešku