GPS – keli faktai

GPS yra Jungtinių Amerikos Valstijų sukurta pasaulinė vietos nustatymo sistema (Global Positioning System), o ją besinaudojančių skaičius siekia kelis milijardus. Be šios sistemos yra dar kelios pasaulinės palydovinės navigacinės sistemos (GNSS – Global navigation satellite system): GLONASS (Rusija), Kinijos BeiDou (BeiDou Navigation Satellite System) ir Europos Galileo. Japonijos QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) ir Indijos IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) vietos nustatymo sistemos nėra pasaulinės.

Bendrovės Lockheed Martin naujausias trečios kartos GPS satas, pavadintas „Katherine Johnson”, keliamas kosmosan

GPS satai bus labai svarbūs užtikrinant tikslias ir atsparias padėties nustatymo, navigacijos ir laiko nustatymo (position, navigation, time – PNT) galimybes tiek civiliniams, tiek kariniams naudotojams, todėl jie naudojami tokiose svarbiausiose srityse kaip aviacija, jūrų ir sausumos transportas, taip pat paieškos ir gelbėjimo operacijos.

Kariniams naudotojams ypač svarbios GPS trečios kartos satų pažangios saugumo funkcijos ir apsaugos nuo trukdžių galimybės. Jos užtikrins nepertraukiamą prieigą prie tikslių navigacijos ir laiko nustatymo duomenų net ir ginčytinose ar uždraustose aplinkose, taip remiant nacionalinio saugumo ir gynybos operacijas.

Pasaulio gyventojai

GPS pasiekiamas didžiajai daliai pasaulio gyventojų, teikdama patikimas vietos nustatymo, navigacijos ir laiko nustatymo paslaugas, kurios daro didžiulę įtaką kasdieniam gyvenimui. Kartai, idealiu atveju galima naudotis iškart visomis keturiomis GNSS. Miškingose ir kalnuotose vietovėse, urbanistinės architektūros apsuptyje ar esant blogoms oro sąlygoms, navigacinės sistemos kartais veikia prastai.

GNSS prastokai veikia Žemės ašigalių rajonuose, GLONASS veikia geriau kai kuriuose šiauriniuose regionuose, bet skirtumai nėra tokie ryškūs.

Apgaulės

Deja, apie 2018 metus prasidėjo pirmieji navigacinių signalų trikdymai ir klastojimai (jamming and spoofing). 1 kW galios trikdžių siųstuvas (GPS jammer) gali sukelti reikšmingus GPS signalų trikdžius ir sumažinti vietovės nustatymo tikslumą dideliame plote. Priklausomai nuo aplinkos sąlygų, antenos tipo bei vietovės reljefo, toks galingas siųstuvas atviroje vietovėje gali trikdyti GPS signalus net iki ~50 km spinduliu. GPS signalai yra labai silpni, todėl palyginti nedidelė trikdžių galia gali juos užgožti dideliame atstume. Civilinių GPS imtuvų įprastas tikslumas yra apie 3–5 m, kariškiams ar specialiosioms tarnyboms – 0,1-0,5 m.

Svarbu pažymėti, kad GPS trikdymas yra neteisėtas daugelyje šalių ir sukelia pavojų saugiam navigavimui, aviacijai, laivybai bei kritinėms tarnyboms.

Du atskiri signalai

GPS perduoda dviejų rūšių informaciją: standartinę (Standard Positioning Service – SPS) visiems vartotojams ir tikslią (Precise Positioning Service – PPS) tik kai kuriems vartotojams. Šis dviejų signalų pajėgumas užtikrina, kad svarbiausioms karinėms operacijoms būtų užtikrintas aukščiausio lygio tikslumas ir saugumas, kai tai svarbiausia. Beje, GPS paskirtis buvo karyba, o Galileo sistema kurta civilių poreikiams.

Kasdieniams naudotojams

1996 balandžio 1 d. JAV prezidentas Bill Clinton išleido direktyvą: „Aukštos kokybės GPS signalas tapo prieinamas kasdieniniams naudotojams, taip atverdamas kelią plačiam pritaikymui ir inovacijoms”. Šis pokytis leido sukurti daugybę GPS pagrįstų taikomųjų programų ir paslaugų, kuriomis naudojamės šiandien.

Mums nenutuokiant

GPS padeda atlikti kasdienius dalykus, apie kuriuos dauguma žmonių net nenutuokia. Ši technologija padeda išlaikyti mūsų svarbios infrastruktūros patikimumą ir efektyvumą, pavyzdžiui, sinchronizuoti elektros tinklų laiką. Nuo išmaniųjų namų iki išmaniųjų miestų – GPS yra pagrindas, užtikrinantis sklandų šiuolaikinio pasaulio veikimą.

Tikslumo didinimas

Didesniam tikslumui pasiekti nei įprasti civiliniai imtuvai yra naudojamos pažangios GNSS padėties nustatymo technologijos: PPP (Precise Point Positioning), RTK (Real-Time Kinematic) ir DGPS (angl. Differential Global Positioning System, diferencinė pasaulinė padėties nustatymo sistema).

PPP – vartotojas naudoja globalius korekcinius duomenis apie palydovų orbitas, laikrodžius ir kitus trikdžius. Pakanka vieno GNSS imtuvo, nereikia artimos bazinės stoties. Tikslumas idealiomis sąlygomis yra 5–10 cm, bet galutinio tikslumo pasiekimas gali užtrukti nuo kelių iki keliolikos minučių.

RTK – reikalinga artima bazinė stotis arba korekcijų tinklas, kuris perduoda korekcinius GNSS signalus imtuvui realiu laiku. Galima pasiekti 1–2 cm tikslumą tik esant geroms sąlygoms ir artimai bazinei stočiai. Praktikoje galimi vėlavimai, trikdžiai ar didesnė paklaida. Dažniausiai naudojama geodezijoje, statybose, žemės ūkyje.

DGPS – tai GPS tikslumo pagerinimo metodas, naudojant bazines Žemės stotis su tikslia buvimo vietą. Stotis priima GPS signalus, apskaičiuoja skirtumą tarp tikrosios pozicijos ir GPS parodymų. Šią skirtumo (korekcijos) informaciją stotis perduoda naudotojų GPS imtuvams (radijo, interneto ar kitu ryšio būdu), esančioms tame pačiame regione. Naudotojai, taikydami korekcinę informaciją, gali pasiekti daug didesnį padėties nustatymo tikslumą – dažnai nuo 1 iki 3 m.

Keturi satai

Priešingai kasdieniam įsitikinimui, mūsų buvimo vietai apskaičiuoti reikia ne trijų, o keturių GPS satų. Šiame procese, vadinamame trilateracija, naudojamas papildomas ketvirtasis GPS satas, kad būtų ištaisytos visos GPS imtuvams būdingos laiko paklaidos, o pagrindiniai trys satai tiksliai nustato mūsų platumą ir ilgumą. Šis sudėtingas procesas įvyksta per kelias sekundes, todėl galime gauti tikslias nuorodas ir lengvai orientuotis nepažįstamoje teritorijoje.

Pirmasis GPS satas

Pirmasis toks buvo paleistas 1978 m. ir pradėjo naują navigacijos erą. Visa sistema pilnai pradėjo veikti tik 1995 m., kai buvo paleisti visi būtini 24 palydovai. Nuo to laiko GPS tapo nepakeičiama priemone tiek karinėms, tiek civilinėms reikmėms. Nuo kuklios pradžios iki pasaulinio fenomeno – GPS nuėjo ilgą kelią, o jos įtaka tik didės.

Idėja

Idėja kilo po 1957 m. Sputnik stebėjimų ir suvokimo, kaip žinant sato orbitą ir analizuojant signalą, galima nustatyti padėtį Žemėje. Mokslininkai, stebėdami Sputnik siunčiamą radijo signalą ir žinodami jo orbitos duomenis, pastebėjo, kad analizuojant Doplerio dažnio pokyčius galima ne tik nuspėti, kada ir kur palydovas bus matomas, bet ir apskaičiuoti stebėtojo padėtį Žemėje. Ši koncepcija tapo pagrindu vėlesnėms palydovinės navigacijos sistemoms, tokioms kaip GPS, Galileo ir t.t.

Automobilis ir navigacija

Pirmasis GPS imtuvas automobilyje atsirado 1990 metais

Pirmasis GPS imtuvas 1990 m. buvo integruotas į automobilį „Mazda Eunos Cosmo“ ir iš esmės pakeitė navigaciją kelyje. Be to, joje buvo įmontuotas jutiklinis ekranas, pavadintas „automobilio komunikacijos sistema“, kuriuo buvo galima valdyti ne tik navigaciją, bet ir radiją, oro kondicionierių, pasirinktinai mobilųjį telefoną ir net televizoriaus imtuvą. Automobilis buvo parduodamas tik Japonijoje, tačiau GPS imtuvai masiškai į automobilius pradėti montuoti XXI amžiaus pradžioje.

Holivudas ir GPS

Hedy Lamarr, žymi Holivudo aktorė, yra netiesiogiai susijusi su GNSS (palydovine navigacija) per savo išradimą – dažninio šuolio (angl. frequency hopping) technologiją. 1941 m. kartu su kompozitoriumi George Antheil ji patentavo radijo signalo dažnio kaitos metodą, kuris padeda apsaugoti belaidžio ryšio signalus nuo perėmimo ir trukdžių.