Τι είναι το GPS και πως λειτουργεί

Τι είναι το GPS

Το GPS είναι ένα πολύπλοκο σύστημα που αναπτύχθηκε από τον αμερικάνικο στρατό, το οποίο μας βοηθάει να εντοπίσουμε τη θέση μας πάνω στη γη. Η λειτουργία του βασίζεται σε έναν αστερισμό δορυφόρων μέσης τροχιάς (MEO - Medium Earth Orbit) οι οποίοι εκπέμπουν συνεχώς ραδιοκύματα στη γη. Αρχικά, το σύστημα σχεδιάστηκε αποκλειστικά για στρατιωτική χρήση και εν συνεχεία αφέθηκε να χρησιμοποιείται και από τους πολίτες. Λειτουργεί συνεχόμενα υπό οποιεσδήποτε καιρικές συνθήκες, οπουδήποτε στη γη και χωρίς συνδρομητικά έξοδα.

Το τμήμα του διαστήματος

Ο δορυφορικός αστερισμός αποτελείται από 24 δορυφόρους και πλέον. Οι 24 είναι οι ελάχιστοι απαιτούμενοι για να λειτουργήσει παγκόσμια το σύστημα ενώ οι υπόλοιποι είναι για εφεδρεία. Ο σχηματισμός αποτελείται από έξι τροχιές και σε κάθε τροχιά περιφέρονται τέσσερις δορυφόροι σε απόσταση περίπου 20.000 χλμ από τη γη την οποία κυκλώνουν κάθε 12 ώρες. Με αυτόν τον σχηματισμό επιτυγχάνεται η θέαση τουλάχιστον τεσσάρων δορυφόρων από οποιοδήποτε σημείο πάνω στη γη.

Οι δορυφόροι του GPS φέρουν ηλιακά πάνελ για την τροφοδοσία τους. Ωστόσο όμως, είναι εφοδιασμένοι και με εφεδρικές μπαταρίες για να μπορούν να λειτουργούν σε περιπτώσεις έλλειψης φωτός πχ. έκλειψη ηλίου.

Ας δούμε μερικά ακόμη ενδιαφέροντα στοιχεία:

• Ο πρώτος δορυφόρος τέθηκε σε τροχιά το 1978.

• Το τρέχον σύστημα αποτελείται από δορυφόρους του τύπου Block II και ο πρώτος Block II εκτοξεύτηκε το 1989, ενώ το 1995 ολοκληρώθηκε το δίκτυο των 24 δορυφόρων.

• Ο κάθε δορυφόρος έχει διάρκεια ζωής περί τα 10 χρόνια, ζυγίζει γύρω στον ένα τόννο και έχει ανάπτυγμα περίπου 5 μέτρα μαζί με τα ηλιακά πάνελ.

• Η ισχύς εκπομπής του σήματος είναι μόλις 50 watt (ανάλογη μιας οικιακής ηλεκτρικής λάμπας!)

• Κόστισε σχεδόν 12 δις δολάρια

Άλλα Συστήματα Προσδιορισμού Θέσης

Εκτός από το αμερικάνικο σύστημα (NAVSTAR όπως το ονομάζει το υπουργείο άμυνας των Ηνωμένων Πολιτειών), υπάρχουν και άλλα συστήματα ανά τον κόσμο τα οποία όμως βρίσκονται σε διάφορα στάδια ανάπτυξης και ελέγχου. Αυτά είναι:

• Το GLONASS της Ρωσίας

• Το COMPASS της Κίνας

• Το GALILEO της Ευρώπης

Το μόνο πλήρως λειτουργικό σύστημα, στις μέρες μας, είναι το NAVSTAR των ΗΠΑ.

Πληροφορίες που περιέχει το σήμα των δορυφόρων

Το σήμα που εκπέμπεται από τους δορυφόρους προς τη γη περιλαμβάνει τρία είδη πληροφορίας:

1. Ψευδοτυχαίος κωδικός (Pseudorandom code): είναι η ταυτότητα του δορυφόρου που εκπέμπει. Τον κωδικό αυτόν τον βλέπουμε στην οθόνη του δέκτη μας στη σελίδα των δορυφόρων.

2. Δεδομένα δορυφορικής εφημερίδας (Ephemeris data): εκπέμπονται συνεχώς από κάθε δορυφόρο και περιλαμβάνουν σημαντικές πληροφορίες για την κατάσταση του δορυφόρου (αν είναι υγιής ή όχι), την τρέχουσα ημερομηνία και ώρα. Αυτό το είδος της πληροφορίας είναι το ουσιαστικότερο για τον προσδιορισμό της θέσης.

3. Δεδομένα αλμανάκ (Almanac data): ενημερώνουν τον δέκτη GPS για την θέση που θα βρίσκεται ο δορυφόρος -αλλά και κάθε άλλος δορυφόρος του αστερισμού- οποιαδήποτε χρονική στιγμή μέσα στη μέρα.

Οι δορυφόροι εκπέμπουν σήματα χαμηλής ισχύος σε δυο διαφορετικές συχνότητες. Η συχνότητα που χρησιμοποιείται για πολιτική χρήση είναι η L1 στα 1575.42 MHz της μπάντας UHF. Τα σήματα μπορούν να περάσουν μέσα από σύννεφα, γυαλί, πλαστικό αλλά όχι μέσα από στερεά αντικείμενα όπως κτίρια ή βουνά. Τυπικά, το GPS δεν μπορεί να δουλέψει υποθαλάσσια, υπόγεια και σε εσωτερικούς χώρους.

Πως λειτουργεί το GPS

Οι δορυφόροι συνεχώς κινούνται γύρω από τη γη και στέλνουν σήματα. Οι δέκτες GPS που βρίσκονται πάνω στη γη, λαμβάνουν τα σήματα αυτά και χρησιμοποιώντας την αρχή του τριπλευρισμού (trilateration) υπολογίζουν την ακριβή θέση του χρήστη.

Ας εξηγήσουμε την αρχή του τριπλευρισμού με ένα παράδειγμα:

Ας υποθέσουμε πως έχουμε χαθεί κάπου παντελώς. Βρίσκουμε κάποιον και ρωτάμε που είμαστε. Η απάντηση που λαμβάνουμε είναι πως βρισκόμαστε 68 χλμ μακριά από την Λαμία. Με αυτήν την πληροφορία το μόνο που μπορούμε να κάνουμε είναι να σχεδιάσουμε έναν κύκλο με κέντρο την Λαμία και ακτίνα 68 χλμ. Αυτό που γνωρίζουμε για την ώρα είναι πως βρισκόμαστε σε κάποιο σημείο της περιφέρειας του κύκλου αυτού. Δεν γνωρίζουμε αν είμαστε βόρεια, νότια, ανατολικά ή δυτικά.

Βρίσκουμε κάποιον ακόμη, τον ρωτάμε και παίρνουμε την πληροφορία πως βρισκόμαστε 83χλμ από την Άρτα. Σχεδιάζουμε έναν δεύτερο κύκλο με κέντρο την Άρτα και ακτίνα 83χλμ. Τώρα, παρατηρούμε πως οι δυο αυτοί κύκλοι τέμνονται σε δυο σημεία. Μόλις περιορίσαμε τις πιθανές μας θέσεις σε δύο!

Μια τρίτη πληροφορία μας λέει πως είμαστε 112χλμ μακριά από την Κατερίνη. Ομοίως, γράφουμε έναν τρίτο κύκλο όπως και παραπάνω και παρατηρούμε πως οι τρείς κύκλοι τέμνονται σε ένα και μοναδικό σημείο, στην Καρδίτσα. Μόλις προσδιορίσαμε τη θέση μας στο επίπεδο (γεωγρ. μήκος και πλάτος).

Εάν θέλουμε να μεταφερθούμε στον χώρο και να προσδιορίσουμε την 3Δ θέση μας (γεωγρ. μήκος, πλάτος, υψόμετρο) χρειαζόμαστε μια τέταρτη πληροφορία, ενώ οι κύκλοι μετατρέπονται σε σφαίρες. Το σημείο τομής αυτών των τεσσάρων σφαιρών ορίζει τη θέση μας στον χώρο.

Πως μετράται η απόσταση

Έστω, v η ταχύτητα, d η απόσταση και t ο χρόνος. Από τον τύπο της ταχύτητας γνωρίζουμε πως:

d = v * t

Τα ραδιοκύμματα ταξιδεύουν με ταχύτητα ίση με αυτήν του φωτός, ήτοι:

v = 300.000km/s

O χρόνος "ταξιδιού" του σήματος t, προκύπτει από τη διαφορά του χρόνου αποστολής από τον χρόνο λήψης:

t = tλήψης - tαποστολής

Ουσιαστικά, ο δέκτης GPS συγκρίνει την ώρα που στάλθηκε ένα σήμα με την ώρα που αυτό ελήφθη. Με βάση αυτήν την διαφορά χρόνου υπολογίζεται η απόσταση του δέκτη από τον δορυφόρο. Γνωρίζοντας τις αποστάσεις τριών δορυφόρων ο δέκτης μπορεί να προσδιορίσει τη θέση του στο επίπεδο (γεωγρ. μήκος, πλάτος), ενώ με τέσσερις δορυφόρους μπορεί να υπολογίσει τη θέση του στον χώρο (γεωγρ. μήκος, πλάτος, ύψος) καθώς και πολλά άλλα όπως χρόνος μέχρι τον προορισμό, ταχύτητα κλπ.

Γνωρίζοντας πως οι δορυφόροι του GPS είναι μέσης τροχιάς και βρίσκονται σε απόσταση 20.000χλμ από τη γη, μπορούμε εύκολα να υπολογίσουμε χονδρικά τον χρόνο που χρειάζεται ένα σήμα να "κατέβει" στη γη. Ο χρόνος αυτός υπολογίζεται θεωρητικά στα 68ms.

Ακρίβεια GPS

Στις μέρες μας οι δέκτες GPS έχουν πολύ μεγάλη ακρίβεια χάρη στον παράλληλο πολυκάναλο σχεδιασμό τους. Οι δέκτες "κλειδώνουν" πολύ γρήγορα μετά την εκκίνηση τους και κρατάνε την επικοινωνία ακόμη και σε δύσκολα πεδία. Η ακρίβεια τους υπολογίζεται κατά μέσο όρο στα 10 μέτρα.

Παράγοντες που επηρεάζουν την ακρίβεια

• Καθυστερήσεις της Ιονόσφαιρας και Τροπόσφαιρας: το δορυφορικό σήμα επιβραδύνεται καθώς περνά μέσα από την ατμόσφαιρα. Υπάρχουν αλγόριθμοι που διορθώνουν μερικώς αυτού του είδους τα σφάλματα.

• Σφάλμα ανάκλασης: αυτό προκύπτει όταν το σήμα ανακλάται σε ψηλά κτίρια ή άλλα αντικείμενα πριν φτάσει τον δέκτη. Έτσι, αυξάνεται ο χρόνος "ταξιδιού" του σήματος και συνεπώς προστίθενται νέα σφάλματα στον υπολογισμό.

• Σφάλμα ρολογιού δέκτη: για να είναι ακριβής ο υπολογισμός της απόστασης που εξηγήσαμε παραπάνω πρέπει το ρολόι του δέκτη με το ρολόι του δορυφόρου να είναι συγχρονισμένα. Λόγω κόστους, τα ρολόγια των δεκτών δεν είναι τόσο ακριβή όσο τα ατομικά τον δορυφόρων και παρατηρούνται μικρές αποκλίσεις.

• Σφάλματα τροχιάς: γνωστά και ως ephemeris errors, είναι ανακρίβειες της αναφερθείσας θέσης των δορυφόρων.

• Αριθμός εμφανών δορυφόρων: όσους περισσότερους δορυφόρους "βλέπει" ο δέκτης, τόσο μεγαλύτερη ακρίβεια έχουμε. Όπως είπαμε το σήμα είναι πολύ ασθενές και εμποδίζεται από κτίρια, από το έδαφος, από ηλεκτρονικές παρεμβολές ακόμη και από το πυκνό φύλλωμα των δέντρων σε ένα δάσος.

• Γεωμετρία δορυφόρων: πρόκειται για την σχετική θέση των δορυφόρων σε κάθε χρονική στιγμή, δεδομένου ότι γη, δορυφόροι και δέκτης βρίσκονται συνεχώς σε κίνηση. Ιδανική γεωμετρία παρατηρείται όταν οι δορυφόροι σχηματίζουν αμβλείες γωνίες μεταξύ τους και δεν είναι ο ένας κοντά στον άλλον ή ο ένας πίσω από τον άλλον.

• Εσκεμμένη μείωση του δορυφορικού σήματος ή αλλιώς επιλεκτική διαθεσιμότητα (selective availability S/A): είναι η εσκεμμένη μείωση του σήματος που επιβάλλεται από το υπουργείο άμυνας των ΗΠΑ και που στόχο έχει να προστατέψει τον στρατό τους από τους εχθρούς. Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται έντονα σε εμπόλεμες περιοχές. Το Μάιο του 2000 η αμερικανική κυβέρνηση ανάγκασε το υπουργείο άμυνας να καταργήσει την επιλεκτική διαθεσιμότητα, γεγονός που αύξησε σημαντικά την ακρίβεια των πολιτικών δεκτών και συνεπώς αυξήθηκε και η χρήση του συστήματος από τους πολίτες.

A-GPS

Προκειμένου να βελτιωθεί ακόμη περισσότερο η απόδοση, το σύστημα εμπλουτίζεται με νέους μηχανισμούς. Το A-GPS (Assisted GPS), που σημαίνει υποβοηθούμενο GPS, συναντάται κυρίως σε κινητά τηλέφωνα και εξασφαλίζει τον γρήγορο προσδιορισμό της θέσης του δέκτη. Πιο συγκεκριμένα, ο μηχανισμός αυτός χρησιμοποιείται για να βελτιώσει το πρώτο "κλείδωμα" στους δορυφόρους κατά την εκκίνηση του δέκτη. Ο χρόνος αυτός είναι γνωστός ως TTFF (Time To First Fix) και ουσιαστικά είναι ο χρόνος που απαιτείται για να "κατέβουν" τα ephemeris και almanac data, βάσει των οποίων υπολογίζει ο δέκτης τη θέση του. Όταν ο δέκτης βρίσκεται μέσα σε μια πόλη με ψηλά κτίρια τριγύρω ή σε μέρος όπου το σήμα είναι πολύ ασθενές, καθυστερεί ή ακόμη και αδυνατεί να κατεβάσει τα δεδομένα αυτά. Η λύση έρχεται από τους επίγειους A-GPS servers οι οποίοι είναι αφιερωμένοι στη συλλογή των δεδομένων τροχιάς από τους δορυφόρους. Έτσι, ο δέκτης συνδέεται μέσω του δικτύου του παρόχου στον A-GPS server και παίρνει κατευθείαν τα δεδομένα από εκεί χωρίς να χρειάζεται να τα κατεβάσει ο ίδιος του από τους δορυφόρους. Μάλιστα, σε κάποιες περιπτώσεις γίνεται και ο υπολογισμός της θέσης από τον ίδιο τον server κερδίζοντας έτσι ο δέκτης υπολογιστική ισχύ. Τέλος, για να έχουμε ένα μέτρο σύγκρισης, σημειώνεται πως ο ρυθμός μετάδοσης των δεδομένων των δορυφόρων είναι μόλις 50bit/s, ενώ αντίθετα μια σύνδεση δεδομένων μέσω ενός κινητού δικτύου είναι τουλάχιστον 56kbit/s αν πρόκειται για σύνδεση 2ης γενιάς (2G), τουλάχιστον 114kbit/s αν πρόκειται για σύνδεση 3ης γενιάς (3G) κοκ.

Το Τμήμα Ελέγχου

Για να λειτουργήσουν εύρυθμα όλα τα παραπάνω, χρειάζεται ένα σύστημα ελέγχου που θα συντονίζει τη λειτουργία των επιμέρους τμημάτων του συστήματος. Το σύστημα ελέγχου του GPS αποτελείται από ένα επίγειο δίκτυο σταθμών ελέγχου και παρακολούθησης ανά τον κόσμο το οποίο:

• ελέγχει τους δορυφόρους διατηρώντας τους στις σωστές τροχιές,

• ρυθμίζει τα ρολόγια τους,

• παρακολουθεί τις εκπομπές τους,

• εκτελεί αναλύσεις,

• στέλνει ενημερωμένα δεδομένα πλοήγησης

καθιστώντας, έτσι, πλήρως λειτουργικό τον δορυφορικό αστερισμό.

Το τρέχον σύστημα ελέγχου περιλαμβάνει τον κύριο σταθμό ελέγχου στο Κολοράντο (master control station), τον εναλλακτικό κύριο σταθμό ελέγχου στην Καλιφόρνια (alternate master control station), 12 κεραίες εντολών και ελέγχου (command and control antennas) και 16 σταθμούς παρακολούθησης (monitoring sites).