Global Positioning System (GPS) to zaawansowany system nawigacji satelitarnej stworzony przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych. Obejmuje swoim zasięgiem całą kulę ziemską, zapewniając precyzyjne informacje o położeniu i ułatwiając nawigację zarówno w celach wojskowych, jak i cywilnych.

Fot. 1. Artystyczna wizja satelity GPS bloku II-F na orbicie – Wikimedia – autorstwa NASA, Domena publiczna

Historia i rozwój systemu GPS

Pierwsze koncepcje GPS pojawiły się w latach 60. XX wieku, kiedy amerykańscy naukowcy zaczęli eksperymentować z systemami nawigacji satelitarnej. W 1967 roku marynarka wojenna USA uruchomiła program Timation, który miał na celu sprawdzenie, czy zegary atomowe umieszczone na satelitach mogą być używane do precyzyjnego pomiaru czasu i nawigacji. Timation położył podwaliny pod rozwój GPS, udowadniając, że satelity mogą dostarczać dokładnych danych nawigacyjnych.

Fot. 2. Kierownicy Laboratorium Badawczego Marynarki Wojennej ds. programu Timation, a później programu GPS – Wikimedia – autorstwa USAF – domena publiczna

 Projekt GPS został oficjalnie zainicjowany przez Departament Obrony USA w 1973 roku. Celem było stworzenie systemu nawigacyjnego, który mógłby działać niezależnie od warunków atmosferycznych i geograficznych, zapewniając precyzyjne dane nawigacyjne w każdym miejscu na Ziemi. W latach 1978-1985 uruchomiono 10 prototypowych satelitów GPS, znanych jako Block I. Te testowe satelity pozwoliły na przetestowanie i udoskonalenie technologii, które później stały się podstawą pełnego systemu GPS.

W latach 80. XX wieku, po tragicznym zestrzeleniu koreańskiego samolotu pasażerskiego KAL 007 w 1983 roku, prezydent Ronald Reagan ogłosił, że GPS będzie dostępny do użytku cywilnego, co miało zapobiec podobnym tragediom w przyszłości. W 1989 roku wystrzelono pierwszego satelitę Block II, a do 1993 roku konstelacja 24 satelitów GPS była w pełni operacyjna, co umożliwiło globalne pokrycie systemu.

W początkowych latach funkcjonowania systemu GPS, sygnał cywilny był celowo zniekształcany przez zjawisko Selektive Availability (SA), aby ograniczyć jego dokładność dla użytkowników cywilnych. Było to motywowane względami bezpieczeństwa narodowego, aby potencjalni przeciwnicy nie mogli wykorzystywać GPS do celów militarnych. Jednak w 2000 roku, prezydent Bill Clinton ogłosił zniesienie SA, co znacznie poprawiło dokładność systemu GPS dla użytkowników cywilnych na całym świecie.

Po zniesieniu SA, system GPS przeszedł szereg modernizacji, aby sprostać rosnącym wymaganiom użytkowników. Wprowadzono nowe satelity GPS Block III, które oferują lepszą dokładność, większą moc sygnału i większą odporność na zakłócenia. Dodatkowo, rozwijane są nowe systemy kontrolne, które mają na celu jeszcze zwiększyć precyzję i niezawodność GPS.

Jak działa GPS?

GPS to system, który pozwala na precyzyjne określanie pozycji użytkownika w dowolnym miejscu na Ziemi. Działa na zasadzie odbierania sygnałów z satelitów orbitujących wokół Ziemi i wykorzystywania tych sygnałów do obliczania dokładnej pozycji, prędkości oraz czasu. Aby zrozumieć, jak GPS działa, warto przyjrzeć się kilku kluczowym aspektom technicznym i funkcjonalnym systemu.

Segment kosmiczny GPS składa się z co najmniej 24 satelitów (zazwyczaj ponad 30), które krążą wokół Ziemi na średniej orbicie okołoziemskiej na wysokości około 20 200 kilometrów. Satelity te poruszają się po sześciu różnych płaszczyznach orbitalnych, co zapewnia globalne pokrycie i umożliwia odbiór sygnału GPS w dowolnym miejscu na Ziemi. Każdy satelita nadaje sygnały radiowe zawierające dokładne informacje o czasie i swojej pozycji.

Segment naziemny składa się z kilku stacji kontrolnych i monitorujących rozmieszczonych na całym świecie. Główna stacja kontrolna znajduje się w Schriever Air Force Base w Kolorado, USA. Segment naziemny odpowiada za monitorowanie i kontrolowanie satelitów GPS, synchronizację ich zegarów atomowych oraz korektę trajektorii, aby utrzymać precyzyjne pozycjonowanie. Dane z segmentu naziemnego są regularnie przesyłane do satelitów, aby zapewnić ich aktualność i dokładność.

Segment użytkownika to odbiorniki GPS, które mogą przybierać różne formy, od urządzeń przenośnych, takich jak smartfony i nawigacje samochodowe, po specjalistyczne odbiorniki wykorzystywane w lotnictwie, żegludze, geodezji i innych branżach. Odbiorniki GPS odbierają sygnały z co najmniej czterech satelitów, aby obliczyć dokładną pozycję użytkownika.

Podstawowym mechanizmem działania GPS jest triangulacja, czyli metoda obliczania pozycji na podstawie odległości od kilku znanych punktów. Odbiornik GPS oblicza odległość do każdego satelity na podstawie czasu, jaki sygnał radiowy potrzebował na dotarcie z satelity do odbiornika.

Fot. 3. Morski przenośny odbiornik GPS w kokpicie jachtu – Wikimedia – autorstwa Nachoman-au - Praca własna

Aby obliczyć swoją pozycję, odbiornik GPS musi odbierać sygnały z co najmniej czterech satelitów. Trzy satelity są potrzebne do określenia pozycji na powierzchni Ziemi (długość i szerokość geograficzna), a czwarty satelita pozwala na dokładne określenie wysokości oraz synchronizację zegara odbiornika z zegarami satelitów.

GPS wykorzystuje różne metody korekcji, aby zwiększyć dokładność pomiarów. Satelity są wyposażone w niezwykle precyzyjne zegary atomowe, które są regularnie synchronizowane przez segment naziemny.

System GPS jest również wspomagany przez różnicowe systemy GPS (DGPS), które wykorzystują stacje referencyjne na Ziemi do transmitowania poprawek sygnałów GPS, co pozwala na zredukowanie błędów atmosferycznych i innych zakłóceń. DGPS jest szczególnie przydatny w zastosowaniach wymagających wysokiej precyzji, takich jak geodezja i inżynieria.

Podsumowanie

System GPS stał się integralną częścią naszego codziennego życia, zapewniając precyzyjne informacje o lokalizacji i czasie dla użytkowników na całym świecie. Jego wszechstronność i niezawodność sprawiają, że jest on wykorzystywany w szerokim zakresie aplikacji, od nawigacji samochodowej, przez lotnictwo i żeglugę, po rolnictwo precyzyjne i inżynierię. Dzięki ciągłym modernizacjom i rozwojowi technologicznemu, GPS pozostaje kluczowym narzędziem nawigacyjnym, które nie tylko ułatwia życie codzienne, ale także odgrywa istotną rolę w zaawansowanych operacjach przemysłowych i wojskowych. Przyszłość GPS zapowiada jeszcze większą precyzję i niezawodność, co czyni go niezastąpionym elementem nowoczesnej technologii nawigacyjnej.

Źródło: Wikipedia.