Co to jest GPS? - Migraf Producent Nawigacji GPS dla Niewidomych

Od 8 grudnia 1993 roku wokół naszego globu krążą 24 satelity nawigacyjne typu NAVSTAR będące pozaziemską częścią systemu znanego pod angielską nazwą Global Positioning System, w skrócie GPS. System ten został uruchomiony dla potrzeb Departamentu Obrony USA jednak zakładano również jego cywilne wykorzystanie. Początkowo dla odbiorców niewojskowych dane nawigacyjne były celowo zniekształcane, w taki sposób aby dokładność określania pozycji była nie do wykorzystania dla celów militarnych, ale od maja 2000 roku decyzją ówczesnego prezydenta USA Billa Clintona zaniechano tych praktyk. Ponieważ jednak całość systemu należy do rządu USA, który nie składał żadnych zobowiązań dotyczących gwarantowania parametrów transmisji, w każdej chwili - bez żadnego ostrzeżenia - mogą ponownie powrócić zakłócenia sygnału dla cywilnych zastosowań, zwłaszcza na terenach leżących w obszarze militarnego lub politycznego zaangażowania USA.
Mimo że istnieją jeszcze dwa inne systemy nawigacji satelitarnych: rosyjski GLONASS oraz będący w budowie europejski GALILEO, to "oryginalny GPS" jest powszechnie używanym swego rodzaju standardem. System GALILEO ma być w pełni wdrożony do eksploatacji po roku 2008 i wtedy - w myśl projektu - ma gwarantować dokładność pozycjonowania około 3 metrów. Ostatnio zostało podpisane porozumienie pomiędzy konsorcjami GALILEO a NAVSTAR w sprawie zapewnienia pełnej kompatybilności i współpracy obu systemów, tak aby zagwarantować jak najwyższą dokładność ustalania pozycji odbiornika bez konieczności stosowania dodatkowych zabiegów. W związku z tym po roku 2008 należy się spodziewać znaczącej poprawy w parametrach użytkowych urządzeń wykorzystujących dane z tych systemów.
Satelity NAVSTAR krążą na sześciu orbitach nachylonych pod kątem 55 stopni do równika z okresem obiegu 11 godzin 58 minut na wysokości 20 180 km. Orbity oraz rozmieszczenie satelitów w przestrzeni zostało tak dobrane aby w każdym momencie nad dowolnym punktem globu było widocznych co najmniej 5 z nich z prawdopodobieństwem 0,9996. Ponieważ do określenia współrzędnych geograficznych i czasu na geoidzie (czyli wyidealizowanej powierzchni Ziemi) wystarczą dane z trzech satelitów a do określenia wysokości - z czterech, można z przekonaniem mówić o zagwarantowaniu w miarę dokładnego określenie położenia dla dowolnego punktu na powierzchni naszego globu. Na nielicznych i niewielkich obszarach wyznaczenie pozycji jest niemożliwe przez nie dłużej niż 20 minut w ciągu doby.
Jednak jeżeli mówimy o wysokości położenia anteny odbiornika GPS to bardziej precyzyjnie należało by powiedzieć że określana jest wysokość w stosunku do geoidy a nie w stosunku do gruntu. Różnica pomiędzy wysokością „satelitarną” a rzeczywistą może wynosić kilkadziesiąt metrów w obie strony. Dla przykładu w Gdańsku błąd w określaniu wysokości odbiornika z tego powodu wynosi 39m. W pracy NAWIGATORA nie są brane pod uwagę uzyskane pomiary wysokości położenia odbiornika.
Każdy z satelitów transmituje, między innymi, swoją aktualną pozycję w przestrzeni i bardzo dokładny czas a odbiornik naziemny z danych otrzymanych z kilku satelitów określa odległości do nich a następnie wylicza swoją pozycję geodezyjną. Dokładność tak wyliczonej pozycji zależy od szeregu czynników - tak technicznych jak i naturalnych. Możemy tu wyróżnić następujące źródła niedokładności:
- błąd wynikający z opóźnienia w propagacji fal radiowych w jonosferze, który może wynosić od około 20 metrów w dzień do 6 metrów w nocy,
- błąd wynikający ze zmian propagacji fal radiowych w troposferze zależny od temperatury, ciśnienia i wilgotności może wynosić do 3 metrów,
- błąd efemeryd polegający na zmianie rzeczywistego położenia satelity na orbicie na skutek działania sił grawitacyjnych Księżyca i Słońca oraz wiatru słonecznego daje do 3 metrów błędu pozycji,
- błąd zegara wewnętrznego satelity może dawać do 2 metrów błędu w wyznaczonej pozycji,
- błąd wynikający z odbioru sygnałów odbitych o wartości zależnej od miejsca odbicia w stosunku do położenia odbiornika,
- błąd wynikający z określonych warunków pracy odbiornika - szumy, zakłócenia i dokładność oprogramowania.
Podane powyżej źródła błędów są typu losowego i jako takie na szczęście nie sumują się wprost. Oprócz tego są one częściowo korygowane ze stacji naziemnych będących jedną z części składowych systemu. Może również zdarzyć się brak sygnału od satelitów w warunkach wzmożonej aktywności słońca co zdarza się regularnie co 11 lat ale może wystąpić również w sposób nieoczekiwany.
W rozpatrywaniu możliwych źródeł błędu wyliczania pozycji należy jeszcze brać pod uwagę wzajemne położenie względem siebie satelitów biorących udział w określaniu położenia odbiornika - równomierne odległości i równomierne kąty pomiędzy satelitami i odbiornikiem wyraźnie zmniejszają błędy pozycjonowania. Nie powinny być brane do obliczeń pozycji dane od satelitów położonych nisko nad horyzontem dla których błędy mogą być największe. Dlatego w każdym odbiorniku GPS są ustawiane odpowiednie maski odrzucające dane od satelitów rozłożonych nad odbiornikiem w jednej linii, położonych nisko nad horyzontem lub dla których poziom odbieranych sygnałów jest mniejszy niż uważa się za poprawny.
Dla zwiększenia precyzji ustalania położenia w odbiornikach przeznaczonych do celów profesjonalnych i wojskowych wykorzystywana jest dodatkowa informacja transmitowana z tych samych satelitów i w tym samym czasie ale z wykorzystaniem innej częstotliwości nośnej. Ta dodatkowo zakodowana informacja jest dostępna tylko licencjonowanym odbiorcom. W pewnych zastosowaniach, na przykład w geodezji, w połączeniu ze stacjami dostarczającymi poprawki różnicowe pozwala na uzyskanie pozycjonowania z błędem mniejszym od 1 centymetra. Taka dokładność wymaga jednak użycia zupełnie innego sprzętu za zupełnie inne pieniądze - kilkadziesiąt razy większe.
Są znane i stosowane dla potrzeb różnych służb sposoby powiększenia dokładności określania położenia poprzez równoległy odbiór od specjalnych stacji naziemnych poprawek geodezyjnych eliminujących pierwsze trzy rodzaje błędów, lecz w warunkach w jakich jest obecnie stosowany NAWIGATOR są one nieprzydatne. Stacje takie muszą znajdować się wystarczająco gęsto na obszarze całego kraju, muszą również tworzyć jednolity system obsługiwany przez stosowane powszechnie odbiorniki GPS. Na świecie jest ponad 1000 takich stacji, w Polsce na oficjalnych wykazach - żadnej. Nieoficjalnie wiadomo że jednak istnieje ich co najmniej kilkanaście, są zainstalowane przez różne służby lub organizacje na ich wewnętrzne potrzeby ale pracują one w niekompatybilnych wzajemnie systemach transmitowania poprawek do użytkownika. W możliwym do przewidzenia czasie nie należy się spodziewać powstania całościowego systemu takich stacji referencyjnych pozwalającego na powszechne korzystanie z poprawek różnicowych na terenie Polski.
Bardziej prawdopodobne jest wdrożenie do eksploatacji po roku 2004 europejskiego systemu poprawek satelitarnych nazwanego EGNOS. Jest to skrót od angielskiej nazwy European Geostationary Navigation Overlay Service. Pełną skuteczność działania ma on osiągnąć po roku 2006. Na dzisiaj jest on w fazie rozmaitych prób i zaawansowanych testów i nie jest gwarantowane ciągłe dostarczanie poprawek. Przewiduje się że jego stosowanie zminimalizuje błędy propagacji sygnału w atmosferze, oraz wyeliminuje błędy efemeryd i zegara. Tym samym pozwoli na osiągnięcie dokładności w ustalaniu pozycji odbiornika rzędu 3 metrów na obszarze całej Europy.
System EGNOS w sposób ciągły wylicza poprawki dla odbiorników GPS na podstawie gromadzenia wyników pomiarów pozycji w szeregu stacji bazowych rozmieszczonych na terenie Europy (również w Warszawie od marca 2004 roku działa taka stacja) a wyniki obliczeń przekazuje do odbiorników poprzez swoje satelity geostacjonarne. Satelity te dla obszarów Polski są umiejscowione dosyć nisko nad horyzontem w kierunku południowym a powinny one być ciągle widoczne dla anteny odbiornika. Wykorzystanie tego systemu wymaga stosowania odbiorników, które potrafią uwzględnić otrzymywane poprawki w swojej pracy. Również odległość odbiornika od najbliższej stacji bazowej nie powinna być zbyt duża.
Dotychczasowe badania wykazały zadawalającą efektywność w wyznaczaniu poprawek - w czasie prób z ustalaniem pozycji jadącego samochodu przeprowadzonych przez koncern Fiata w Turynie dokładność pozycjonowania była rzędu 1 metra. Jednak ścisłe dane na temat możliwości systemu będą dostępne dopiero po zakończeniu testów. Również dopiero wtedy będzie można myśleć o praktycznym wykorzystywaniu poprawek satelitarnych.
Z powyżej wymienionych powodów w obecnej chwili dokładność ustalenia pozycji na podstawie danych uzyskanych od 4 satelitów - bez odbierania poprawek - jest lepsza niż 10 metrów, dla 3 satelitów jest około dwa razy gorsza. Uzyskane w czasie wieloletniej eksploatacji systemu dane opublikowane przez Federalną Administrację Lotniczą USA mówią, że błąd położenia dla 95% pomiarów dla odbiornika stacjonarnego nie przekracza 7,4 metra a błąd wysokości jest nie większy niż 9 metrów. Pomiary te prowadzono na otwartym terenie, cyklicznie, w czasie nie krótszym niż 24 godziny dla danych z minimum 4 satelitów. Jednocześnie stwierdzono iż dla 50% pomiarów prowadzonych w tych warunkach błąd w określaniu położenia jest rzędu 3 metrów.
Należy zdać sobie sprawę z faktu, iż w ten sposób podawana dokładność pomiaru kiedy określa się prawdopodobieństwo, nie pewność ustalania pozycji oznacza, że mogą się zdarzyć błędy pozycjonowania większe niż podane wyżej. I tak właśnie się zdarza. Każdego dnia aktualne wyniki błędów w pozycjonowaniu systemu GPS dla określonych obszarów (niestety nie dla Polski) są podawane na stronach WWW odpowiednich organizacji.
Znane są opublikowane w literaturze wyniki wielokrotnych i systematycznych pomiarów położenia nieruchomego odbiornika dokonane we Wrocławiu wykazujące w ciągu miesiąca "wędrujący" błąd rzędu 50 metrów dla każdej strony świata. Ta wędrówka ustalonej pozycji ma charakter powolnego spaceru w tempie zależnym przede wszystkim od ruchu i zmian konfiguracji satelitów systemu nad odbiornikiem oraz nieuchronnych, powolnych fluktuacji fizycznych właściwości atmosfery. Gwałtowne zmiany pozycji, jeżeli takie występują, są spowodowane pojawieniem się odbić sygnału od poruszających się obiektów na tyle dużych aby odebrany od nich sygnał mógł być uznany za właściwy. Takie efekty odbicia najbardziej wpływają na pomiary kierunku ruchu odbiornika.
W warunkach miejskich określenie pozycji geograficznej odbiornika GPS jest nieco bardziej skomplikowane. Pojawiają się bowiem dwa dodatkowe czynniki utrudniające pracę elementów systemu i mogące pogorszyć dokładność ustalania położenia. Pierwszy z nich to oczywisty fakt zasłaniania widoczności satelitów przez wysokie budynki a przez porównanie do naturalnej rzeźby terenu nazywane w literaturze przedmiotu efektem "miejskiego kanionu”. Drugi niekorzystny i chyba najbardziej utrudniający pracę w mieście czynnik to odbiór sygnału który dociera do odbiornika kilkoma drogami - na skutek odbić fal radiowych od dużych powierzchni ścian budynków. Dotyczy to zwłaszcza typowej sytuacji na miejskiej ulicy gdy antena odbiornika może być zasłaniana w kierunku na satelitę przez ciało użytkownika podczas gdy sygnał odbity dociera do niej bez większych przeszkód ale już inną - dłuższą - drogą. Wówczas błąd w określaniu pozycji jest znacząco większy od tego oczekiwanego. Niektórzy producenci odbiorników GPS podają, że błąd pozycji na skutek takiego zjawiska może sięgać kilkaset metrów. Próbują oni minimalizować powstałe w ten sposób błędy przez  wprowadzenie dodatkowej obróbki danych ale jak dotychczas nie udaje się całkowicie uniknąć tego rodzaju problemów.
Podobnie niekorzystne dla określania pozycji geograficznej przez odbiorniki GPS, efekty występują w terenach zalesionych. Do takich zaliczamy również miejskie parki oraz zadrzewione ulice. Woda zawarta w liściach bardzo tłumi sygnał od satelitów a ilość odbić od koron drzew, zwłaszcza liściastych, jest również spora. Zjawisko to nasila się w czasie dżdżystej pogody. Praktyczną radą na zmniejszenie problemów jest odejście od ściany lasu na odległość co najmniej podwójnej wysokości drzew ale jest to oczywiście wykonalne tylko w pewnych okolicznościach.
Niestety optymalna pozycja anteny odbiornika w żaden sposób nie współgra z wygodą jej stosowania – antena powinna być umieszczona jak najwyżej na ciele użytkownika, tak aby nic nie zasłaniało jej widoku na satelity - a nie jest to łatwe do realizacji w normalnych warunkach. Umieszczanie jej w bocznej kieszeni zimowej kurtki nie spełnia warunku dobrej widoczności satelitów. Między innymi z tych powodów często się zdarza, iż na miejskiej ulicy odbiornik traci komunikację z satelitami. Należy w takim przypadku poszukać bardziej korzystnego położenia odbiornika - czasem wystarczy odejść kilka metrów od ściany budynku lub zmienić pozycję (ukierunkowanie) anteny.
Wykorzystywanie systemu poprawek EGNOS stawia dodatkowe wymagania przed użytkownikiem – wynikające z faktu iż dane o nich są przekazywane przez satelity geostacjonarne, umieszczone nad równikiem. Oznacza to iż optymalnym kierunkiem zwrotu anteny dla odbioru poprawek jest południe i - na obszarze Polski - nisko nad horyzontem. W miejskich realiach jest to warunek najczęściej trudny do spełnienia.
Istotną sprawą w korzystaniu z systemu GPS jest czas po jakim odbiornik podaje użytkownikowi dane o pozycji geograficznej. W sytuacji pracy ciągłej i odbiorze danych z co najmniej trzech satelitów dane o położeniu pojawiają się co sekundę. W takim samym czasie uzyskujemy też informację o kierunku ruchu odbiornika. Sytuacja zmienia się gdy stracimy na krótko komunikację z satelitami na przykład gdy wejdziemy do sklepu lub na chwilę wyłączymy odbiornik. Wówczas po powrocie na otwartą przestrzeń odbiornik w ciągu kilkunastu sekund uzupełni nowe dane o położeniu satelitów i będzie mógł znowu dostarczać aktualną pozycję co 1 sekundę.
Jeżeli jednak przerwa w odbiorze danych z satelitów będzie trwała dłużej niż dwie godziny, lub w krótszym czasie nastąpi zmiana położenia odbiornika o więcej niż 160 kilometrów albo błąd wewnętrznego zegara odbiornika w stosunku do czasu odbieranego z satelity przekroczy 0.1 sekundy to powrót do normalnej pracy może trwać kilka minut. Spowodowane jest to koniecznością otrzymania z innych już satelitów kompletnych danych dotyczących ich położenia w przestrzeni co musi trwać pewien czas nawet na otwartym terenie. W warunkach miejskich, w obecności utrudnień w odbiorze sygnałów może to trwać odpowiednio dłużej. Przyczyną jest stosunkowo niska szybkość transmisji danych informacyjnych w systemie - wynosi ona tylko 50 bitów/sekundę.
Powyższe uwagi na temat działania systemu GPS podano również dla ponownego przypomnienia użytkownikom podstawowej zasady stosowania NAWIGATORA przez osoby niewidome - jest to urządzenie uzupełniające, mające podpowiadać użytkownikowi gdzie on się znajduje. W żadnym wypadku nie należy go traktować jako cudownego środka rozwiązującego absolutnie wszystkie problemy związane z orientacją w terenie.
Jego możliwości są ograniczone przez posiadane dane o terenie, warunki odbioru sygnałów z satelitów, zasad rozprzestrzeniania się sygnałów radiowych w atmosferze i dokładności określenia współrzędnych satelitów w przestrzeni wokółziemskiej.