GPS

GPS (angl. Global Positioning System) – Globali padėties nustatymo sistema. Leidžia nustatyti objekto koordinates bet kurioje pasaulio vietoje visomis oro sąlygomis, kuomet yra galimybė gauti signalus iš keturių ar daugiau palydovų. Sistemos pagrindas – IT technologijų sąveika su planetą gaubiančiu GPS palydovų tinklu. Tai viena iš palydovinių navigacijos sistemų, sukurtų Jungtinių Amerikos Valstijų Saugumo Departamento.

GPS palydovas orbitoje, NASA nuotr.

„Boeing“ korporacijos nešančioji raketa Delta II iškelia į orbitą palydovą GPS-IIR-14. (2005 m. rugsėjo 25 d., Kanaveralo kyšulys, JAV)

GPS imtuvai būna įvairiaus formato ir paskirties.

GPS navigacinė įranga taksi automobilyje Kiote (Japonija)

1973 metais JAV pradėjo vystyti GPS projektą, kad būtų galima apeiti prieš tai naudotų navigacinių sistemų trūkumus. Šios sistemos gyvavimo pradžioje buvo naudojami 24 palydovai, kurie visiškai veiksnūs tapo 1995 metais.

Sparti technologijų kaita ir nauji poreikiai tapo akstinu modernizuoti GPS sistemą ir panaudoti naujos kartos GPS III palydovus, kurių pradžia siejama su 1998 metais JAV viceprezidento Al Goro pareikštais pasisakymais.

Šiuo metu taip pat yra naudojamos ir tobulinamos kitos padėties nustatymo sistemos. Rusijos navigacijos sistema GLONASS buvo kuriama tuo pačiu metu kaip ir GPS, tačiau tik įpusėjus 2000 metams pasiekė visišką padengiamumą.

GPS palydovai

GPS sistemoje naudojami 24 palydovai, priklauso JAV palydovinės navigacijos sistemai NAVSTAR (Navigation Satellite Time and Ranging). Pirmasis GPS palydovas buvo paleistas 1978 m. Visa 24 palydovų sistema pradėjo veikti 1994 metais. GPS palydovai skrieja 6 orbitinėmis trajektorijomis (po 4 kievienoje). Orbitų aukštis nuo žemės paviršiaus – apie 20180 km.

Kiekvienas GPS palydovas radiosignalais į Žemę perduoda informaciją apie savo buvimo vietą (koordinates), tikslų laiką ir identifikavimo kodą.

GPS imtuvai

Tai prietaisai, priimantys signalus iš GPS palydovų. GPS imtuvus naudoja vartotojai, esantys žemės paviršiuje ir aviacijai tinkamame atmosferos sluoksnyje, savo buvimo koordinatėms nustatyti. GPS imtuvą paprastai sudaro dvi pagrindinės dalys – pagrindinis imtuvo mazgas (GPS engine) ir vartotojiška taikomoji programa.

Koordinačių nustatymas

GPS imtuvas priima signalus iš 3-5 artimiausių GPS palydovų, esančių tiesioginio matomumo zonoje, algoritmais apdoroja gautus signalus ir pateikia tokias vartotojo buvimo vietos koordinates:

• platuma,
• ilguma,
• aukštis virš jūros lygio,
• judėjimo greitis,
• judėjimo kryptis.

Informacija (grafinė ir tekstinė) yra išvedama vartotojui į ekraną. Imtuvas dažniausiai jungiamas prie delninio arba nešiojamo kompiuterio.

GPS palydovų siunčiami signalai pasiekia bet kurią Žemės vietą, bet kuriuo paros laiku, nepriklausomai nuo oro temperatūros.

Koordinačių tikslumas

Šiuo metu GPS imtuvo vietos nustatymo tikslumas gali siekti nuo 100 metrų iki 1 cm. Tai priklauso nuo naudojamo imtuvo sudėtingumo, naudojamų matavimo ir apskaičiavimo priemonių bei metodų. Civilinės paskirties arba buitiniais GPS imtuvais nustatomų koordinačių neapibrėžtis siekia apie 3-5 m. Naudojant EGNOS ji gali sumažėti iki 1-1,5 m

Kur reikia didelio tikslumo, prie GPS imtuvo yra naudojamas papildomas diferencialinis GPS imtuvas (Differential GPS, DGPS). Jis skirtas panaikinti netikslumus, kai GPS signalas iškraipomas:

• netyčia – trukdžiai atmosferos sluoksniuose (jonosferoje, troposferoje),
• tyčia – selektyvus priėjimas (SA – Selective Availability). Tai tyčinis GPS signalo pabloginimas, į jo transliavimą įvedant pseudoatsitiktines paklaidas. GPS tikslumas yra tyčia sumažinamas iki maždaug 100 metrų atstumui ir 5 km/h greičiui. SA naudoja GPS sistemos kūrėjai ir savininkai. Vartotojams atblokavus trukdžių kodus, 2000 m. gegužės mėn. JAV atšaukė tikslumo ribojimą GPS sistemoje, tačiau šis ribojimas bet kada gali būti sugrąžintas.

DGPS imtuvas koordinačių tikslumą gerina pasinaudodamas antžemine stotimi. Antžeminė stotis, priėmusi palydovo signalą, apskaičiuoja jo paklaidą ir kitu radijo dažniu siunčia „patikslintą“ signalą DGPS imtuvui. DGPS sistema, priklausomai nuo imtuvo tipo ir veikimo metodų, vartotojui leidžia buvimo vietą apskaičiuoti nuo kelių metrų iki 1 cm tikslumu.

Eksploatacija

Vartotojo koordinačių nustatymo kokybė priklauso nuo GPS transliuojamos informacijos tikslumo, signalo priėmimo sąlygų bei GPS imtuvo kokybės.

Saugumo sumetimais GPS transliuojama civilinė informacija iškraipoma specialiai, įvedant paklaidas (įdomu: tuoj po rugsėjo 11 įvykių sutriko automobilinių GPS navigacijos aparatų darbas visoje Europoje. Priežastis – ženkliai padidinta pozicionavimo informacijos paklaida, kuri vėliau atstatyta).

Signalo priėmimo sąlygas gali gadinti ir atmosfera, ir aukšti objektai šalia imtuvo (kalnai, tankus miškas, pastatai, tuneliai, pn.). Kai erdvėje tarp imtuvo ir GPS palydovo lyja ar sninga, tai neturi juntamos įtakos priimamam GPS signalui. Tačiau signalo priėmimą gali gerokai pabloginti sniegas ir ledas, susikaupę ant GPS imtuvo išorinės priėmimo antenos.

GPS imtuvams kenkia žaibai. Jei žaibo iškrova įvyksta šalia, imtuvas gali būti visiškai sugadintas.

Normaliam darbui GPS imtuvas turi „matyti“ bent 3 palydovus. Pastatui užstojus kelis palydovus iš vienos pusės, darbas nesutriks, jei aparatas tuo metu „matys“ daugiau palydovų. Uždaruose daugiaaukščių kiemuose situacija pablogės, darbas visiškai sutriks tunelyje.

Automobiliniuose GPS navigacijos aparatuose būna ne mažiau 12 GPS imtuvų kanalų. Atviroje Lietuvos teritorijoje šiuo metu (2007 m.) portatyviniai aparatai su SIRF-III „mato“ iki 20 palydovų (naujausias (nuo 2007 II pusmečio) HammerHand GPS imtuvas „mato“ iki 30 palydovų). Kai kurie navigacijos aparatai turi viduje giroskopus, kurie palaiko vidinį sistemos pozicionavimą prapuolus GPS ryšiui (pvz., tunelyje).

Praktinis pritaikymas

GPS sistema su papildoma įranga pritaikoma navigacijoje – apskaičiuojamas maršrutas tarp pasirinktų taškų, rodomas objekto judėjimas detaliame žemėlapyje, grafinio kelvedžio nurodymai kaip įveikti artėjančias kryžkeles, sankryžas ar posūkius, o nukrypus – kaip vėl sugrįžti į maršrutą. Paklaida gali siekti iki kelių metrų.

GPS navigacija masiškai taikoma transporto, turizmo ir kt. srityse. Šiuo metu populiariausi navigacijos žemėlapių leidėjai „TeleAtlas“ ir „Navteq“ baigia ruošti ir Rytų Europos smulkius žemėlapius, kuriuose Lietuva padengta visa, Latvija ir Estija maždaug po trečdalį (2007 m., paroda CeBIT).

Didelio tikslumo GPS sistema yra naudojama kariniams tikslams, aviacijoje, kartografijoje, geodezijoje ir kt.

Susiję straipsniai

• Galileo (navigacinė sistema) – Europos Sąjungos palydovinė navigacinė sistema