Od Galileusza do GPS i Galileo

 
Urządzenia GPS dostępne są na rynku elektroniki użytkowej od ponad dekady i zdążyły opatrzyć się nam tak dalece, że nawet nawigator Mio, przemawiający głosem gadatliwego samochodu z serialu "Knight Rider", nie robi już dziś na nikim wrażenia. Z drugiej strony, myśląc o nawigacji satelitarnej, utożsamiamy ją właśnie z GPS, tymczasem nie jest to ani pierwszy, ani jedyny taki system, ani nawet najdoskonalszy z istniejących, że o tych planowanych i dopiero wdrażanych nawet nie wspomnę...

navigare necesse est

Nawigacja satelitarna

Ludzie podróżują i nawigują od zarania cywilizacji. Przez wieki bazowano tu główne na triangulacji, mierząc kąty pomiędzy charakterystycznymi punktami odniesienia w terenie oraz wysokość słońca i gwiazd ponad horyzontem. Z dala od brzegów precyzyjnie wyznaczyć można było jednak już tylko szerokość geograficzną, do pomiaru długości niezbędny był bowiem również dokładny czas, zaś aż do roku 1759 istniejące chronometry nie dysponowały tu wymaganą precyzją. Identyczna trudność pojawia się również we współczesnych obliczeniach satelitarnych i analogiczną do współczesnej jest też metoda, jaką przedstawił wówczas Galileusz, by ominąć ów problem. Zasugerował, by posłużyć się układem księżyców Jowisza jako uniwersalnym, kosmicznym zegarem. Wadą jego pomysłu był jednak fakt, że nie dysponował wówczas jeszcze konstelacją kilkudziesięciu podobnych obiektów rozmieszczonych dookoła całej planety i dostępnych obserwacjom czy to w dzień, czy w nocy, niezależnie od pogody.

NAVSAT i mierzenie efektów Dopplera zamiast pomiaru kątów

Poprzednikami satelitów nawigacyjnych były radiolatarnie. Początkowo (podobnie jak w klasycznych technikach nawigacyjnych) wymagały one zmierzenia kątowego położenia latarni i wykonania triangulacji. Później rozpoczęły nadawanie sygnałów o zmieniającej się dookólnie częstotliwości, czyli de facto kodowanej w sygnale informacji o półprostej, na której znajduje się odbiorca, co bliskie już było koncepcjom wykorzystanym później w nawigacji satelitarnej. W porównaniu z nią dysponowały jednak dalekim od globalnego zasięgiem i wraz z jej upowszechnieniem uległy likwidacji, bądź przekształceniu w nadajniki tzw. poprawek referencyjnych dla systemu GPS, do których jeszcze wrócimy.
Pierwszym satelitarnym systemem nawigacyjnym był, uruchomiony w 1958 roku, amerykański NAVSAT / TRANSIT. Składał się z 6 satelitów, umieszczonych na niskich orbitach biegunowych. Dosyć niezwykła była zasada, w oparciu o którą działały odbiorniki owego systemu, pozwalając na ustalenie pozycji w oparciu o dane uzyskane od jednego zaledwie satelity. Znane z GPS porównywanie opóźnień dla różnych nadajników nie byłoby tutaj możliwe, system bazował zatem na pomiarach efektu Dopplera, pozwalających ustalić prędkość satelity względem odbiornika, zaś w wyniku wielokrotnych pomiarów również zmiany owej prędkości. W połączeniu z kodowanymi w sygnale raportami o czasie i pozycji satelity, drogą żmudnych obliczeń pozwalało to na ustalenie pozycji geograficznej odbiorcy. Dokładność po późniejszych modernizacjach wynosiła 200 metrów (1969), ostatecznie zaś 36 m (1971). Wadą systemu był wynoszący 15 minut czas odczytów i obliczeń oraz konieczność wprowadzenia do komputera nawigacyjnego informacji o aktualnej wysokości, kursie i prędkości okrętu.
Na podobnej zasadzie działały również radzieckie: CYKLON (1967) i obie wersje Cykady (1974 i 1976). Systemy, które w następnych dekadach opanowały światową nawigację, opierały się już na wygodniejszej technice porównywania opóźnień. Co ciekawe jednak, również funkcjonujący do dzisiaj, francuski DORIS (1990), zdolny obecnie prezentować wyniki z centymetrową dokładnością, korzysta z techniki Dopplerowskich przesunięć widma.

GPS i pomiar opóźnienia sygnałów

Technika stosowana w dominujący obecnie systemach nawigacyjnych (GPS, GLONASS) przypomina trochę obliczanie, jak daleko uderzył piorun, poprzez zmierzenie odstępu pomiędzy błyskawicą a grzmotem. Dysponując w nadajniku i odbiorniku dwoma zsynchronizowanymi zegarami oraz raportem czasu zakodowanym w sygnale, jesteśmy w stanie obliczyć ich wzajemną odległość. Dysponując sygnałami trzech nadajników, kodujących czas nadania oraz aktualne położenie satelity, możemy łatwo wyliczyć nasze położenie w trójwymiarowej przestrzeni. Niestety zasadniczym problemem (podobnie jak w epoce odkryć i żaglowców) jest tu niedostateczna dokładność powszechnych zegarów kwarcowych. W samych satelitach stosowane są precyzyjne zegary atomowe, synchronizowane dodatkowo przez system stacji naziemnych, są one jednak ciągle zbyt drogie i niedostępne technicznie, by móc je zastosować również w urządzeniu odbiorczym.
W tej sytuacji jedyną mierzalną wartością pozostaje dla nas przesunięcie pomiędzy sygnałami różnych satelitów. Dysponując danymi pochodzącymi z czterech różnych nadajników o znanym położeniu, musimy właściwie już tylko rozwiązać układ równań z wieloma niewiadomymi. W praktyce nie sprowadza się to jednak do tak prostych, liniowych obliczeń. Niezbędna precyzja wymaga bowiem np. uwzględnienia spowolnienia upływu czasu, wywołanego zakrzywieniem czasoprzestrzeni przez masę naszej planety. Kolejne poprawki wprowadzają tu np. odchylenia kształtu planety od idealnej elipsoidy, czy zaburzenia orbity wynikłe z lokalnych anomalii grawitacyjnych oraz inne, jeszcze bardziej nieprzewidywalne efekty wpływające na dokładność pomiarów.
Pomimo ogromnej liczby czynników, dzięki zastosowaniu precyzyjnych zegarów, sygnałów korekcyjnych i powszechnie dostępnych mocy obliczeniowych, istniejące systemy satelitarne potrafią dziś (przy zastosowaniu dodatkowych, wspierających je mechanizmów) zaoferować precyzję nawet na poziomie milimetrów. Istnieją jednak również sytuacje, gdy stają się one zupełnie bezradne i gdy sięgnąć trzeba po rozwiązania alternatywne.

wracając zatem na ziemię

Rząd Stanów Zjednoczonych wymógł na producentach komercyjnych odbiorników GPS, by blokowali ich działanie przy prędkości większej niż 1665 km/h oraz powyżej pułapu 18 km. Przeciętny użytkownik nikłą ma zatem szansę, na przekroczenie owych limitów. Wystarczy jednak, by wszedł on do budynku, wjechał do garażu, tunelu lub w wyższą zabudowę, by móc zapomnieć o swoich satelitarnych gadżetach. W o wiele gorszej sytuacji jest okręt podwodny, samolotom natomiast nic w prawdzie nieba nie zasłania, ale też okazuje się, że wielbiony powszechnie GPS nie spełnia lotniczych wymogów niezawodności i bezpieczeństwa. Zróbmy zatem krótki przegląd dostępnych alternatyw.

nawigacja inercyjna

Opiera się na systemie żyroskopów i akcelerometrów, mierzących obroty i przyspieszenia względem wszystkich trzech osi przestrzennych. Wymaga wprowadzenia współrzędnych startowych, następnie zaś potrafi pracować niezależnie od wszelkich obcych systemów i bez pobierania danych z zewnątrz. Jego wadą jest kumulowanie się błędów w miarę upływu czasu. Sprawdza się jednak dobrze, gdy istnieje możliwość regularnego korygowania pomiarów w oparciu o dane satelitarne - tak działa na łodziach podwodnych, samolotach i... satelitach, bądź też jako pomocniczy system nawigacyjny, zapewniający ciągłość informacji przy złej widoczności nieba - tak wykorzystany jest w niektórych samochodach.

LBS - usługi lokalizacyjne GSM

Co prawda systemów telefonii mobilnej nie tworzono z myślą o takim właśnie zastosowaniu, jednak już sama zasada ich działania wymusza na nich umiejętność dokonania: lokalizacji stacji abonenckiej na obszarze konkretnej komórki sieci, wyboru stacji naziemnej o najsilniejszym sygnale oraz oszacowania odległości aparatu od BTS-a, celem przesłania do niego parametru Timing Advice, zapewniającego synchronizację sygnału wysyłanego z komórki względem przyznanych jej „okien czasowych” pomimo opóźnień wynikłych czasu jego propagacji. Żeby było zabawniej, usługa ta, oferuje najwyższą dokładność właśnie tam, gdzie nawigacja satelitarna może poważnie zawodzić: w gęstej zabudowie, poprzerastanej licznymi BTS-ami. W centrach miast liczyć można na dokładności rzędu 20-150 m, na obrzeżach już tylko 500 m, poza miastem zaś aż 1-2 km.
Siłą systemów LBS jest z jednej strony ich... lokalność, pozwalająca zaoferować klientowi np. listę bankomatów w najbliższej okolicy, z drugiej zaś możliwość skorzystania z zasadniczych, komunikacyjnych funkcji sieci GSM. Informacje o pobliskich obiektach, bądź geograficzne prezentacje położenia przesyłane są na aparat odbiorcy z serwerów operatora. Nie musi on zatem dysponować w swoim aparacie mapą nawigacyjną ani bazą pobliskich obiektów, by móc z nich skorzystać. Raporty tego typu mogą być na bieżąco i automatycznie przesyłane do osób trzecich, jak w usługach odnajdywania dziecka, czy monitorowania aktywności pracownika, co w licznych zastosowaniach może być dużo istotniejsze niż sama dokładność lokalizacji.

usługi lokalizacyjne w sieciach 3G

Cyfrowa telefonia mobilna oferuje usługi lokalizacyjne dzięki „sztuczkom” polegającym na wykorzystywaniu pewnych parametrów systemu w sposób inny od pierwotnie zakładanego. Oprócz opisanych powyżej, potencjalnie dostępne są w niej również technologie zdolne wyliczyć nasze położenie z przybliżeniem kilkudziesięciu metrów niezależnie od lokalnego zagęszczenia nadajników, wymagają jednak pewnych modyfikacji wprowadzonych w aparacie abonenta (Enhanced Observed Time Difference) lub też w systemach sieci naziemnej (Time of Arrival). W odróżnieniu od powyższych w standardzie telefonii komórkowej trzeciej generacji usługa lokalizacyjna (Observed Time Difference of Arrival - Idle Period in Downlink) jest częścią standardu i została uwzględniona już na etapie projektowania specyfikacji. Technicznie funkcjonuje ona podobnie, jak klasyczny GPS, porównując opóźnienie sygnałów pochodzących z poszczególnych BTS-ów. Oferowana dokładność wynosi 50 metrów.
Jak widać, jeżeli tylko niebo jest dostępne, precyzja nawigacji satelitarnej pozostaje bezkonkurencyjna. Pomimo to, mimo ogromnego rozwoju rynku GPS w ostatnich latach oraz planów wdrożeniach nowych sieci satelitarnych Galileo i GPS III o wyższej mocy sygnału i lepszej dostępności w miastach, lokalizacja bazująca na 3G pozostanie zapewne ważnym uzupełnieniem technik satelitarnych w terenie zabudowanym. Najlepsze efekty przynosi z resztą właśnie współpraca układów kosmicznych i naziemnych, maksymalna precyzja pomiarów satelitarnych rozbija się bowiem o same prawa fizyki.

dlaczego gwiazdy mrugają a GPS się myli?

Tworząc system GPS Amerykanie przerażeni pierwotnie jego „nadmierną” precyzją, oprócz blokad nałożonych na prędkość i wysokość odbiornika, zdecydowali się udostępniać cywilom jedynie sygnał obarczony - celowo dodanym - błędem, ograniczającym dokładność do około 100m. Zabezpieczenie to wyłączono 1 maja 2000 i precyzja pomiarów wzrosła do kilku metrów, lepiej się jednak nie da, bo odbierany sygnał nadal obciążony jest błędami pochodzącymi ze źródeł naturalnych.
Jeśli spojrzymy nocą na niebo pełne naturalnych gwiazd, łatwo przekonamy się, że atmosfera nasza nie jest wcale idealną, ani jednorodną soczewką. Dla potrzeb nawigacji GPS szczególne znaczenie mają tu zmienne opóźnienie sygnału w jonosferze i troposferze. Różnice rzędu kilkudziesięciu nanosekund oznaczają błąd kilkunastu metrów. By zmniejszyć ten efekt sygnały nadawane są na dwóch różnych częstotliwościach: 1575,42 MHz i 1227,6 MHz. Porównanie czasu ich propagacji pozwala oszacować aktualną wielkość opóźnień, informacje o stanie jonosfery zawiera również każda depesza nawigacyjna satelity. Zmienna prędkość sygnału w atmosferze to jednak tylko jedna z rozlicznych zmiennych. By obliczenia były poprawne uwzględniać trzeba jeszcze: błędy zegarów na satelitach, błędy orbit satelitarnych (tzw. błędy efemeryd), efekty nierównomierności obrotu Ziemi i niedoskonałości jej kształtu. Żeby obliczyć orbitę satelity nie wystarczy założyć, że jest ona elipsą. Uwzględniać trzeba opory atmosferyczne, oddziaływanie grawitacyjne Słońca i Księżyca, oddziaływania elektromagnetyczne, wpływ wiatru słonecznego. Uwzględnić trzeba też niejednorodność pola grawitacyjnego samej planety oraz jej kształtu, które z kolei zależą od pływów oceanicznych, pływów skorupy ziemskiej, czy dryftu kontynentalnego.
Problem polega na tym, iż zjawisk tych (podobnie jak np. pogody) nie daje się w pełni modelować i przewidywać z doskonałą skutecznością. Stąd owa kilkumetrowa niedokładność pomiarów. Paradoksalnie w zestawieniu z powyższymi takie „wyższe abstrakcje” jak dylatacja czasu wewnątrz ziemskiej studni grawitacyjnej oraz spowolnienie zegarów umieszczonych na ruchomych satelitach względem wskazań chronometrów nieruchomych dają się stosunkowo łatwo obliczyć - zegary umieszczane w satelitach GPS muszą chodzić wolniej, żeby... wskazywać ten sam czas.

GPS i spółka - co dwa systemy to nie jeden

Starożytni Egipcjanie, uśredniając wyniki pomiarów prowadzonych podczas 3000 tysięcy lat, potrafili obliczać czasy trwania zjawisk astronomicznych z imponującą dokładnością. Podobnie można też postąpić z odczytami GPS, obecnie rzadko jednak mamy aż tyle czasu. Dla poprawienia precyzji odbiorników ruchomych konieczne było więc opracowanie zupełnie innych rozwiązań.

Differential GPS

Sumaryczny błąd pomiarów satelitarnych jest identyczny dla wszystkich odbiorników rozmieszczonych we względnie małym obszarze geograficznym. Wystarczy więc dysponować odbiornikiem o znanej dokładnie lokalizacji i rozsyłać drogą radiową informację o aktualnie mierzonym błędzie pomiaru, by po korekcie, otrzymać dokładność nawet na poziomie centymetrów. Ostateczna precyzja zależna będzie od naszej odległości względem stacji referencyjnej, z której otrzymujemy poprawki różnicowe. Odbiornik, z którego korzystamy, musi zatem dysponować możliwością odbioru tej dodatkowej informacji, jeśli zaś nie są nam niezbędne wyniki dostarczane w czasie rzeczywistym, analogiczny efekt osiągniemy poprzez późniejszą korektę zapisanych pomiarów.

EGNOS

Wielkość błędów występujących na danym obszarze zmienia się stosunkowo powoli. Do rozsyłania lokalnych poprawek wykorzystać można zatem równie dobrze system satelitów geostacjonarnych. Opóźnienia w ich propagacji, liczone nawet w ułamkach sekund, nie będą miały większego wpływu na wynik pomiarów.
Tak właśnie działa European Geostationary Navigation Overlay Service, bazujący na sieci 34 naziemnych stacji obserwacyjnych oraz czterech satelitów stacjonarnych, rozsyłający poprawki dla sieci GPS i GLONASS.

Assisited GPS

Skojarzenie odbiornika satelitarnego z aparatem GSM przynieść może jeszcze więcej korzyści. Oprócz poprawek referencyjnych, może on bowiem wstępnie oszacować położenie aparatu jeszcze przed odczytaniem danych satelitarnych, czy przesłać do niego listę dostępnych lokalnie satelitów. Skraca to zwłaszcza czas pierwszego pomiaru po włączeniu urządzenia.

a zapowiada się jeszcze ciekawiej

Pomiędzy rokiem 2006 a 2007 zaobserwowano w Polsce czterokrotny wzrost sprzedaży urządzeń nawigacji satelitarnej. W ubiegłym roku sprzedano ich 200 tysięcy sztuk, a w bieżącym będzie ich zapewne ponad 300 tysięcy. Jednocześnie obserwujemy wyraźny spadek cen odbiorników, a zapowiadane rychłe wprowadzenie do masowej sprzedaży wyposażonych w GPS telefonów komórkowych kosztujących w granicach 800 zł, stanie się zapewne początkiem przełomu, czyniącego nawigator standardowym wyposażeniem większości telefonów, podobnie jak stało się to niedawno z aparatem cyfrowym, czyniąc odbiorniki nawigacji satelitarnej produktem naprawdę masowym.
Od strony infrastruktury najbardziej oczekiwanym wydarzeniem jest obecnie ukończenie konstelacji satelitów Galileo (2012) o wyższej dokładności i lepszej penetracji sygnału w obszarze zabudowy, przyszłość należeć będzie jednak zapewne do rozwiązań multisystemowych, wspierających pomiary satelitarne informacjami pochodzącymi urządzeń naziemnych. Jest przy tym bardzo prawdopodobne, że właśnie przekaźniki operatorów telefonii mobilnej, mogą stać się jednym z najistotniejszych filarów owego systemu.

systemy historyczne

nazwabudowapaństwosatelitówprecyzja
NAVSAT / TRANSIT1958USA6200 m (1969), 36 m (1971)
SECOR1964USA13?
CYKLON1967-78ZSRR?3 km (1967)
100 m (1969)2012-13Indie??
Cykada M1974ZSRR6100 m
Cykada1976ZSRR4100 m

systemy współczesne

nazwabudowapaństwosatelitówprecyzja
GPS Navstar1978-95USA241-3 m
Glonass1993-95Rosja2460 m
DORIS1990 - 2002Francja71 cm (obecna dokładność)

systemy planowane

nazwabudowapaństwosatelitówprecyzja
GALILEO2012UE2750 cm
Beidou2010Chiny3510 m
Compass2000-Chiny??
IRNSS2012-13Indie??
QZSS2008-Japonia3?
 
 
Copyright 2024 drakonica.pl  All rights reserved
indeks tekstówmapa strony
portfolio.drakonica.pl