Zagadnienie 5. Istota funkcjonowania i znaczenie nawigacji satelitarnej w życiu codziennym i w pracy geografa.

GPS - Global Positioning System - Globalny System Pozycjonowania

Rys historyczny
Koncepcja i pierwsze prace w latach '70 na zlecenie Departamentu Obrony USA. Z założenia system tworzony dla sfery militarnej, dopiero w późniejszych latach udostępniony do użytku cywilnego.
1995 - pełna gotowość GPS (we wcześniejszych latach działał, lecz z pewnymi ograniczeniami).
1 maj 2000 - prezydent Bill Clinton widząc znaczenie GPS dla rozwoju gospodarczego nakazał wyłączenie mechanizmu zakłócania (Selective Availability) - podniosło to dokładność z 100 do kilku m w cywilnych urządzeniach.
Ze względów strategicznych przewidziano dwa poziomy dostępu - dostęp standardowy dla odbiorców cywilnych oraz precyzyjny dla sił zbrojnych Stanów Zjednoczonych. Standardowy dostęp ze względów technicznych daje dokładność rzędu kilku metrów.

Funkcjonowanie
System jest darmowy i zgodnie z polityką USA ma takim pozostać. By z niego korzystać wystarczy posiadać odbiornik, produkują je liczne niezależne firmy komercyjne.
GPS pracuje na obszarze całej Ziemi, w każdym punkcie globu widoczne są zawsze przynajmniej cztery satelity (zazwyczaj o kilka więcej). Satelitów jest obecnie 31, liczba ta jest zmienna z powodu testów, awarii starych i zastępowania ich nowymi. Czynnych zazwyczaj 28. Krążą po orbitach na wys około 20183 km. Jest to orbita niższa od geostacjonarnej. Zarządzany i utrzymywany przez Departament Obrony.
Na ziemi rozmieszczonych jest 12 stacji nadzoru, które zajmują się monitorowaniem segmentu satelitarnego. Obliczają nowe parametry orbit i wysyłają korekty satelitom.
Satelity są wyposażone bardzo dokładne zegary atomowe. Wysyłają na Ziemię dane dotyczące ich położenia i aktualnego czasu. Odbiornik naziemny wykonując przestrzenne liniowe wcięcie wstecz może obliczyć pozycję geograficzną (długość, szerokość geograficzną oraz wysokość elipsoidalną) i następnie podać ją w wybranym układzie odniesienia - standardowo jest to WGS-84, a także aktualny czas GPS z bardzo dużą dokładnością.

GPS jest obecnie podstawą wszystkich nowoczesnych systemów nawigacyjnych - lotniczych, samochodowych, morskich, a nawet turystycznych. Jest z powodzeniem wykorzystywany w geodezji i innych precyzyjnych pracach inżynieryjnych. GPS czyli Satelitarny Globalny System Wyznaczania Pozycji, został powołany do życia w 1978 roku przez Departament Obrony USA i pierwotnie przeznaczony był tylko do zastosowań militarnych. Obecnie dopuszczony jest do użytku publicznego, choć z dość znacznymi ograniczeniami dokładności.

System składa się z 24 satelitów umieszczonych na sześciu różnych orbitach i obiegają Ziemie w rytmie 12-godzinnym. w odległości 20 200 km od jej powierzchni. Taka konstelacja umożliwia jednoczesna obserwacje co najmniej 4 satelitów z dowolnego miejsca kuli ziemskiej i o dowolnej porze. W czasie swojego ruchu orbitalnego satelity 50 razy na sekundę emitują sygnały.

Całość działań satelitów jest bezustannie monitorowana i poddawana ewentualnej korekcji. Zarówno położenie poszczególnych satelitów, jak i odbiorników GPS określane jest w ogólnoświatowym (trójwymiarowym) układzie WGS 84, z którego współrzędne mogą być transformowane do układów kartograficznych, obowiązujących na konkretnym obszarze.

Aby uniknąć wielu problemów związanych z kalendarzem i odmierzaniem czasu, system GPS posługuje się własnym zegarem. Cykl kalendarza GPS obejmuje 1024 tygodnie podzielone na sekundy: czas określa się liczba tygodni oraz liczba sekund w danym tygodniu, które minęły od daty uruchomienia systemu. Po upływie 1024 tygodni licznik jest zerowany i zaczyna bić od nowa

Zastosowanie
-określenie współrzędnych geograficznych według różnych układów współrzędnych (standardowo WGS-84)
-obliczanie wschodów i zachodów słońca oraz faz księżyca
-nawigacja "do punktu" oraz "po trasie"
-pomiar odległości
-wyznaczenie powierzchni (np. działki)
-wyświetlanie map i nawigacja na mapach warstwowych
-komunikacja przez port szeregowy (RS232/USB) i Bluetooth z innym sprzętem elektronicznym (PC, PPC, Palm, elektroniczna mapa morska ECDIS)
-autorouting (wyznaczanie automatycznej trasy "po drogach" - logistyka, transport, komunikacja)
-nawigacja lądowa i morska
-monitorowanie pojazdów (kontrola pracowników, zarządzanie komunikacją miejską)
-datalogger (rejestrator śladu, umożliwia powrót tą samą trasą - track back, wizualizację trasy na mapach, itp)
-geotagging (np. inwentaryzacja stanowisk, drzew, roślin, ptaków - szybkie przyporządkowanie opisu do miejsca i umieszczenie ich na mapach; przydatne w leśnictwie, ornitologii, botanice, i wielu innych dziedzinach)
-inżynieria i geodezja
-rolnictwo (pomiary powierzchni, sterowanie sprzętem rolniczym)
-siatki pomiarowe (przyporządkowanie współrzędnych dla pkt pomiarowych i tworzenie na ich podstawie siatek)

GPS system nawigacji satelitarnej obejmujący zasięgiem całą kule ziemską. Zasada działania polega na pomiarze czasu dotarcia sygnału radiowego z satelitów do odbiornika. Znając prędkość fali elektromagnetycznej można obliczyć odległość odbiornika od satelitów. Mając wpisaną w pamięć urządzenia, położenie satelitów w czasie, mikroprocesory odbiornika może obliczyć pozycje geograficzną, wysokość nad układem odniesienia. System GPS jest utrzymany i zarządzany przez Departament Obrony USA. Korzystać z jego usług może w zasadzie każdy - wystarczy tylko posiadać odpowiedni odbiornik GPS

Wyróżnia się 5 podstawowych funkcji systemu GPS:

Zastosowania systemu GPS: