Sustav koji omogućava modernu navigaciju

Dvostruka tehnologija GPS koristi se u vojne i civilne svrhe. Naravno, s dobrom namjerom zaštite planeta Zemlje i njezinih stanovnika.

Prvi pomorci su koristili sunce i zvijezde kako bi uspješno locirali svoju poziciju i smjer kretanja. Tek 20-ih godina prošlog stoljeća pojavila se solucija koja je omogućila moreplovcima lociranje smjera pomoću uređaja koji se nalaze na obali.

Slika GPS satelita.

Razvoj umjetnih satelita pridonio je mogućnosti odašiljanja puno preciznije - optičke vidljivosti radio-navigacijskih signala, te je time započelo novo doba u tehnologiji navigacije.

Sateliti su prvi put korišteni u pozicijskom pronalasku, u jednostavnom i pouzdanijem dvodimenzionalnom sustavu Transit.

Time su postavljeni temelji za sustav koji će kasnije preinačiti navigaciju Global Positioning System (GPS).

Global Positioning System (GPS) je jedini i potpuno funkcionalni Global Navigation Satellite System (GNSS). GPS koristi konstelaciju od najmanje 24 Medium Earth Orbit (srednje zemaljski orbitni) satelita koji odašilju precizne mikrovalne signale, koji omogućuju GPS prijemnicima određivanje njihove lokacije, brzine, pravca i vremena.

Slika grafa GPS-a.

GPS je razvilo američko ministarstvo obrane te je njegovo prvobitno ime glasilo ''NAVSTAR-GPS''. Slični sateliti navigacijskog sustava čine: ruski GLONASS (nepotpun od početka 2008. godine), nadolazeći europski GALILEO pozicijski sustav, kineski COMPASS i indijski IRNSS.

Zbog zrakoplovne nesreće korejskog leta 007, 1983. godine, predsjednik Ronald Reagan izdao je uputu da se GPS sustav učini dostupnim za građansku upotrebu kao opće dobro. Od tada, GPS je postao široko korišten u svim aspektima, bilo da je riječ o globalnoj navigaciji, alatu za izradu geografskih karata ili znanstvena upotreba.

Također GPS pruža preciznu vremensku referencu koja se koristi u mnogim aplikacijama, uključujući znanstveno istraživanje potresa, te pri sinkronizaciji telekomunikacijskih mreža.

Metoda radnog procesa

GPS prijamnik izračunava svoju poziciju pomoću pomnog vremenskog reguliranja signala, koji su poslani od konstelacije GPS satelita visoko iznad zemlje. Svaki satelit neprestano isporučuje poruke koje sadrže točno vrijeme kada je poruka poslana, precizna putanja za satelit koja šalje poruku (efemerida) i gruba putanja svih GPS satelita (almanah).

Slika prezentacije GPS načina rada.

Ti signali putuju brzine svijetlosti kroz svemir i nešto sporije kroz atmosferu. Prijamnik koristi vrijeme dolaska svake poruke kako bi izmjerio daljinu svakog satelita, od koje određuje poziciju prijamnika koristeći geometriju i trigonometriju.

Završne koordinate se konvertiraju u pogodne oblike kao što je geografska širina i dužina ili lokacija na mapi, te se prikaže korisniku.

Prijamnik koristi četiri mjerenja kako bi se riješile četiri varijable: X, Y, Z i T. Iako su samo četiri satelita potrebna za normalnu operaciju, samo jedan dio njih se koristi za specijalne slučajeve. Ako je jedna varijabla već poznata, prijamnik može odrediti svoju poziciju koristeći samo tri satelita.

U praksi, prijamnici koriste dodatne indikacije kako bi dali degradirane odgovore kada su manje od četiri satelita vidljiva.

Segmentacija sustava

Slika rada GPS-a.

Trenutni GPS se sastoji od tri glavna segmenta, to su: svemirski segment (SS), kontrolni segment (CS) u korisnički segment (US).

Svemirski segment obuhvaća GPS satelite koji su u orbiti u GPS žargonu, ili svemirska vozila u GPS žargonu. Originalni dizajn GPS-a je imao 24 svemirska vozila, osam u svaka tri svemirskih vozila, ali to je bilo izmijenjeno u šest vozila, svako vozilo s četiri satelita.

Orbitalna vozila su centrirana na Zemlju, njih šest imaju otprilike 55° inklinacije te su odvojeni po 60° uspinjanja rastućeg čvorišta. Putanje su raspoređene na način kako bi šest satelita uvijek bili u smjeru optičke vidljivosti, s bilo koje lokacije na površini Zemlje.

Kontrolni segment sinkronizira atomske satove na samim satelitima u djeliću nanosekunde, i podešavaju efemeride svakog internog orbitalnog modela. Ažuriranje dopuna obavlja Kalman filter koji koristi unose iz prizemnih nadzornih stanica, svemirsko meteoroloških informacija i ostalih unosa.

Slika GPS uređaja Magellan.

Korisnički GPS prijemnik je korisnički segment GPS-a. GPS prijemnici su sastavljeni od antene koja je usklađena frekvencijama koje su odaslane od satelita, prijemnih procesora i visoko stabilnog sata. Također sadrže zaslon za pružanje informacija korisniku o lokaciji i brzini.

Prijemnik se često opisuje po broju svojih kanala, time označava koliko satelita može istovremeno nadzirati cijelu situaciju.

Prvobitno ograničen na četiri ili pet, brojka se tijekom  godina povećala, tako da od 2007. godine, prijemnici imaju između 12 i 20 kanala.

GPS frekvencije

* L1 (1575.42 MHz): navigacijska poruka, akvizicijski kod i precizno šifrirani kod, plus novi L1C na budućim Block III satelitima.   

* L2 (1227.60 MHz): precizno šifrirani kod i novi L2C kod na novijim satelitima.

* L3 (1381.05 MHz): koristi se za detekciju nuklearne detonacije.

* L4 (1379.913 MHz): još uvijek se istražuje za dodatnu ionosfersku korekciju

* L5 (1176.45 MHz): predložena za upotrebu civilne zaštite, ova frekvencija spada pod međunarodni sigurnosni domet za aeronautičku navigaciju.

Slika GPS uređaja.

Sunčevi bljeskovi su jedni od prirodnih mjestimičnih emisija s potencijalom da spuste prijem GPS-a, te njihov efekt može djelovati na recepciju. GPS signali također mogu biti sukobljeni s geomagnetskim olujama, koje se nalaze pored ''stjegova'' Zemljinog magnetskog polja.

Podvrgnute su ometanju od radijacije Van Allenovog pojasa, kada sateliti prolaze kroz južno-atlantsku anomaliju.

Global Positioning System (GPS), iako izvoran kao vojni projekt, smatra se kao dvostruka tehnologija. Što znači da ima značajne primjene za vojnu i civilnu industriju.

Slika Google Mapsa.

U vojne svrhe se koristi za navigaciju, praćenje meta, raketno i projektilno upravljanje, traganje i spašavanje, izviđanje i stvaranje geografskih karata te detekcija nuklearne aktivnosti i detonacije. Dok u civilne svrhe se koristi za potpunu lokaciju, relativno kretanje i vremenski transfer.

Mnogi današnji uređaji koriste GPS kako bi nas sigurno i korektno uputili prema željenom odredištu.

GPS uređaji na hrvatskom tržištu