GPS w badaniach przyrodniczych

Na początek definicje

• Nawigacja satelitarna – rodzaj radionawigacji

wykorzystujący fale radiowe ze sztucznych
satelitów w celu określania położenia punktów i
poruszających się odbiorników wraz z
parametrami ich ruchu w dowolnym miejscu na
powierzchni Ziemi.

• Globalny System Pozycjonowania (GPS) - jeden z

systemów nawigacji satelitarnej, stworzony przez
Departament Obrony Stanów Zjednoczonych

System GPS

• Global Positioning System

Navstar – powstał w USA jako

system militarnej nawigacji

• Koncepcja w latach ’70
• Pełna funkcjonalnośd osiągnięta

w 1993 r.

• Udostępniony w 1995 r. w

ograniczonym zakresie do

zadao cywilnych

• Wyłączono zakłócanie sygnału

w 2000 r.

Segment kosmiczny

• 24 satelity: na 6 orbitach po 4 satelity
• 21 satelitów aktywnych i 3 rezerwowe
• Orbity rozłożone co 60°długości

geograficznej.

• Tory nachylone pod kątem 55 stopni

do równika

• W każdym punkcie na Ziemi jest

widocznych jednocześnie minimum 5
satelitów z prawdopodobieostwem
0.9996 (co najmniej 5 stopni ponad
horyzontem)

Zasady działania systemu GPS

• Lokalizacja odbiornika polega na pomiarze jego odległości od kilku satelitów

(min. 3 w trybie 2D i min. 4 w trybie 3D)

• Każdy satelita wyposażony jest w 4 cezowe zegary atomowe i bezustannie

wysyła za pośrednictwem fal radiowych informację o lokalnym czasie.

• Sygnał dociera do użytkownika na dwóch częstotliwościach nośnych

L1=1575,42 MHz i L2 = 1227,6 MHz.

• Dokładne współrzędne satelity są transmitowane w depeszy nawigacyjnej,

która zawiera w sobie informację o układzie satelitów na niebie (tzw.
almanach) oraz informację o ich teoretycznej drodze oraz odchyleo od niej
(tzw. efemeryda)

Pomiar odległości (czasu) - triangulacja

• Odległośd od satelity - czas, który upłynął

pomiędzy wysłaniem a odbiorem sygnału.
Różnicę między tymi dwiema wartościami
mnoży się przez prędkośd światła, czyli
prędkośd rozchodzenia się fal radiowych.

s=c*∆t

• Odbiornik GPS znajduje się gdzieś na

powierzchni sfery o środku w satelicie i
promieniu równym odległości od niego.
Znając odległośd od drugiego satelity, można
zawęzid ten obszar do okręgu, który
powstaje z przecięcia obydwu sfer. Dystans,
który dzieli trzeciego satelitę od odbiornika,
pozwala ograniczyd obszar poszukiwao do
dwóch punktów, z których jeden jako
niemożliwy można spokojnie odrzucid.

Segment sterowania

Bezzałogowe, naziemne stacje monitorujące
• lokalizacja: Hawaje i Kwajalein na Pacyfiku; Diego Garcia na

Oceanie Indyjskim; Ascension Island na Oceanie Atlantyckim;

Colorado Springs
• odbierają sygnały z satelitów i wysyłają informacje do stacji

sterowania, dokonują korekt w razie potrzeby

Naziemna stacja sterowania
• lokalizacja: Colorado Springs.
• poprawia dane (położenie na orbicie, prędkośd i zegary) z

satelitów i wysyła poprawione dane do wszystkich satelitów,

wprowadza korekty

• Stacje kontrolne śledzą trajektorie satelitów

(jedna stacja może monitorowad do 11
satelitów)

• W razie odchyleo od modelowanej trajektorii

– wyliczane są poprawki (efemerydy) i korekty
zegara

• Poprawki wysyłane są do poszczególnych

satelitów i do użytkowników w postaci tzw.
depeszy nawigacyjnej.

Najczęstsze zastosowanie w segmencie

użytkownika

• dedykowane odbiorniki nawigacyjne – o różnym

stopniu mobilności:

• ręczne – o niewielkim interfejsie i mniej

zaawansowanych mapach

• samochodowe
• motocyklowe, wodne

• moduły GPS – umożliwiają korzystanie z nawigacji w

komputerach PC, laptopach, palmtopach, smartfonach

poprzez podłączenie przez port USB, Bluetooth czy

złącza SD oraz specjalne oprogramowanie

• data logger GPS – rejestruje przebytą trasę, przekazuje

(np. przez UHF lub GSM) dane do użytkownika

Inne systemy

• GLONASS

• GALILEO

• BEIDOU (Compass)

GLONASS

czyli Global Navigation Satellite System albo z rosyjskiego
Globalnaja Nawigacjonnaja Satelitarnaja Sistemma.
Formalnie system ruszył operacyjnie w 1993 r.
Świadczy dwa poziomy usług:
•Precyzyjny – używany głównie przez armię rosyjską, użycie
wymaga zezwolenia Ministerstwa Obrony Rosji
•Standardowy – mniej dokładny przeznaczony do użytku
cywilnego.
Różnice pomiędzy dwoma systemami dotycz również układu
odniesienia. System amerykaoski działa w oparciu o układ WGS-
84, w rosyjskim używany jest PZ 90. Inny jest też wzorzec czasu,
gdyż GPS używa uniwersalnego czasu UTC, w GLONASS używany
jest rosyjski paostwowy wzorzec czasu, tzw. Etalon UTC.

Galileo

• Europejski system nawigacji satelitarnej w trakcie

budowy.

• System ma byd równoważną alternatywą do

amerykaoskiego systemu GPS i rosyjskiego GLONASS,

lecz w przeciwieostwie do pierwszego z nich będzie

kontrolowany przez instytucje cywilne.

• Jego zaletą i powodem, dla którego ma byd

konkurencją i uzupełnieniem GPS-u, jest mniejszy

promieo błędu (ma on wynosid ok. 1 m na otwartej

częstotliwości i ok. 10 cm na częstotliwości płatnej).

• Plany Unii Europejskiej zakładały, że do kooca 2014 w

sumie wyniesione na orbitę będzie 14 tego typu

urządzeo, ale system na bardzo duże opóźnienie

Beidou / Compass

Beidou (Wielka Niedźwiedzica) - chioski satelitarny
system nawigacyjny, który na razie obejmuje swoim
zasięgiem tylko obszar Azji. Docelowo - globalny.
Aktualnie funkcjonuje system Beidou-1 składający
się z 4 satelitów geostacjonarnych – 3 aktywnych i
jednego zapasowego.
Pierwsze satelity wystrzelono w 2000 roku. W
grudniu 2011 działają tylko dwa. System ten ma
charakter wyłącznie testowy.

Systemy satelitarne, a ekonomia

Systemy nawigacji satelitarnej są
wykorzystywane w wielu dziedzinach
gospodarki, w tym do monitoringu sieci
energetycznych, logistyce, zarządzaniu ruchem
lotniczym czy ratownictwie. Szacuje się, że 6-7%
europejskiego PKB zależy od zastosowao
nawigacji satelitarnej. Rynek samych technologii
satelitarnych wart jest 124 miliardy euro. Dzięki
systemowi Galileo, do 2020 roku ma wzrosnąd
do 250 miliardów euro.