Globalni položajni sustav – GPS
GPS Global Positioning System
Od sredine osamdesetih godina za globalna pozicioniranja vrlo visoke točnosti (geodezija) kao i manje zahtjevnih točnosti (teragacija, navigacija) primjenjuje se globalni položajni sustav GPS (Global Positioning System). GPS je razvijen s namjerom da zamijeni sustav NNSS (Navy Navigation Satelite System), nazvan i TRANSIT. Taj je sustav imao dva velika nedostatka: dugi vremenski interval u nepokrivenosti satelitima i relativno malu navigacijsku točnost.
GPS je ponajprije zamišljen kao sustav za vojno i civilno pozicioniranje i navigaciju. Razvijan, kontroliran i održavan od ministarstva obrane SAD-a (U.S. Department of Defence), GPS postaje moćan sustav za pozicioniranje na Zemlji, dostupan svima i svugdje. GPS omogućuje korisnicima na moru, kopnu i u zraku određivanje 3D pozicije, brzine i točnog vremena 24 sata dnevno bez obzira na atmosferske prilike, s točnošću većom nego bilo koji radionavigacijski sustav do sada.
Izgradnja GPS-a počinje 1973. godine, a prvo lansiranje satelita (Block I) uslijedilo je u veljači 1978. Sustav je proširen u veljači 1989. lansiranjem druge generacije satelita (Block II). Potpuno operativnim sustav je proglašen u srpnju 1995. U pripremi je nova generacija satelita (Block III). Prvi sateliti treće generacije bit će lansirani u 2009. g.
Sastavni dijelovi GPS sustava
GPS sustav čine: SVEMIRSKI, KONTROLNI i KORISNIČKI dio.
SVEMIRSKI se dio sastoji od približno tridesetak orbitalnih satelita NAVSTAR (NAVigation System using Time And Ranging). Na Zemlji je u pripravnosti još nekoliko satelita, koji se u vrlo kratkom roku mogu lansirati u orbitu. Sateliti kruže oko Zemlje na visini od 20200 km s periodom od 11 sati i 58 minuta. Orbite su im približno kružne, polumjera 26570 km i ravnomjerno su raspoređeni u 6 orbitalnih ravnina, po četiri satelita u jednoj ravnini. Razmak ravnina je 60°, a nagib, u odnosu na ekvatorsku ravninu, je 55°.
KONTROLNI dio čine pet kontrolnih stanica raspoređenih po Zemlji, kojih je glavna zadaća neprekidno praćenje gibanja GPS-satelita. Te stanice kontinuirano prate i bilježe poruke odaslane sa satelita te ih prosljeđuju u glavni kontrolni centar (Master Control Station – MCS) u Schriever Air Force Base, Colorado Springs, California, na daljnju obradbu. Precizno određivanje orbita, korigiranje putanja i satova te cjelokupnu koordinaciju obavlja glavna kontrolna postaja u Colorado Springsu. Navigacijski i vremenski popravci određuju se i odašilju satelitima nakon njihova prolaska iznad pratećih stanica.
KORISNIČKI dio čine svi civilni i vojni korisnici sa svojim GPS-prijamnicima, koji pretvaraju satelitski signal u informaciju o položaju GPS-antene na Zemlji.
Određivanje položaja (koordinata) GPS-om
GPS mjerenja (pozicioniranja) obavljaju se jednom ili kombinacijom više tehnika opažanja. Izbor tehnike ovisi o nizu čimbenika s naglaskom na zahtijevanu točnost. Razlikujemo APSOLUTNO i RELATIVNO pozicioniranje. Apsolutnim pozicioniranjem određujemo koordinate pojedine točke upotrebljavajući jedan prijamnik. Relativno pozicioniranje može se realizirati primjenom najmanje dva prijamnika, koji istodobno opažaju iste satelite, pri čemu se koordinate nepoznate točke određuju relativno u odnosu na poznatu – referentnu točku. Pri određivanju apsolutnih ili relativnih koordinata, razlikujemo sljedeće metode opažanja: DGPS (Diferencijalni GPS), statičku (statika i brza statika) i kinematičko pozicioniranje (klasična kinematika i stop&go metoda).
GPS-mjerenjima, dakle, možemo određivati apsolutne koordinate točaka i koordinatne razlike (relativne položaje točaka). Apsolutne su koordinate u svjetskom koordinatnom sustavu WGS’84 (World Geodetic System) i manje su točnosti nego koordinatne razlike. Da bi u pojedinom trenutku mogli odrediti koordinate stajališta X, Y, Z i vrijeme T (odnosno korekciju sata prijamnika), GPS-prijamnik mora istodobno primiti signale s najmanje četiri satelita. Koordinate točke možemo odrediti iz pseudoudaljenosti, koje se mogu izračunati iz vremena zaostajanja kodiranih signala (Code Phase), ili mjerenjem faznih razlika (Carrier Phase). Iz efemerida GPS-satelita moguće je za bilo koji trenutak izračunati položaj (koordinate) satelita u orbitalnome koordinatnom sustavu. Iz razlike vremena primanja i odašiljanja satelitskog signala možemo odrediti pseudoudaljenost satelit – antena. Nakon toga prostornim lučnim presjekom određujemo koordinate točke i korekcije sata. Pri mjerenju faznih razlika prijamnik mjeri fazni kut nadolazećeg vala sa satelita u intervalu 0 <j< 2p. Udaljenost možemo izračunati po formuli:
D = N×l + (l×j)/2p
gdje je N broj cijelih valnih duljina, l valna duljina elektromagnetskog vala, a j fazni kut primljenog vala. Mjerenja faznih razlika znatno su točnija od mjerenja pseudoudaljenosti. GPS je poglavito vojni sustav, pa je prema tome američko ministarstvo obrane zadržalo pravo potpune kontrole nad točnošću. Tako postoje dvije vrste točnosti: Precise Positioning Service (PPS) i Standard Positioning Service (SPS). PPS točnost namijenjena je isključivo autoriziranim korisnicima čiji su uređaji opremljeni kriptografskim ključem za uporabu P-koda. To su uređaji američke vojske i njihovih saveznika, pojedinih vladinih agencija te strogo izabranih civilnih korisnika. Točnost pozicioniranja jednog jednofrekvencijskog uređaja koji upotrebljava PPS iznosi: 22 m po horizontali i 27,7 m po vertikali (s 95% vjerojatnosti), a satna je točnost 100 ns. SPS-točnost (uporaba C/A-koda) upotrebljava se u cijelom svijetu bez naplate i ograničenja. Ta je točnost namjerno bila degradirana od američkog ministarstva obrane politikom koja se naziva Selective Availability (selektivna dostupnost), a iznosi: unutar 100 m po horizontali, unutar 156 m po vertikali, dok je satna točnost unutar 340 ns. U svibnju 2000. ukinuta je selektivna dostupnost. Točnost GPS pozicioniranja od tog je datuma oko 7 do 10 m. Bolju točnost, manju od centimetra, možemo postići tzv. DGPS-načinom rada, kad se na poznatu točku postavlja jedan uređaj (baza), a na nepoznatu drugi (rover). Oba uređaja istodobno mjere, a položaj određujemo neposredno na terenu (Real-Time) ili naknadnom obradbom. U slučaju “real-time” pozicioniranja potrebna je i radioveza izmedu baze i rovera.
Drugi satelitski navigacijski sustavi
Sredinom sedamdesetih godina Rusija (tada SSSR) počinje razvijati svoj globalni satelitski navigacijskisustav nazvan GLONASS (Globalnaja Navigacionaja Sputnikovaja Sistema, eng. GLObal NAvigation Satellite System).
Sustav GLONASS sastoji se od 24 satelita (trenutačno je 12 satelita operativno), koji kruže na visinama od 19100 km u tri orbitalne ravnine, nagnute na ekvatorsku ravninu pod kutom od 64,8°.Prvi je satelit lansiran 1982., a puna konstelacija satelita postignuta je iz 1995. u 1996. godinu. Središnja je upravljačka stanica u Moskvi, a četiri su prateće raspoređene po Rusiji. Današnji GPS-prijamnici vodećih svjetskih proizvođača GPS-opreme mogu primati signale GPS-a i GLONASS-a.
Europska zajednica razvija vlastiti satelitski sustav – GALILEO, neovisan GPS-u i GLONASS-u, ali interoperabilan i kompatibilan s njima. Planirano je lansiranje satelita u 2006. i 2007., a operativnost sustava 2008. godine.
Primjena GPS-a
Raznolika je i mnogostruka primjena GPS-a. Primjenu GPS-a možemo prema svrsi podijeliti na pozicioniranje i navigaciju. Svrha navigacije je trenutno određivanje položaja, zatim smjera kretanja i brzine nekog objekta sa svrhom praćenja i upravljanja njegovim gibanjem. Pod pozicioniranjem podrazumijevamo prije svega određivanje položaja jedne ili niza diskretnih točaka u prostoru.
Mogućnost određivanja/izračunavanja koordinata 24 sata dnevno bez obzira na meteorološke prilike i nepotrebno dogledanje među točkama, učinile su GPS općeprihvaćenim i nezamjenjljivim instrumentom za trenutno i precizno određivanje položaja. Prema tome, GPS tehnologija ima vrlo široku primjenu u vojnoj i civilnoj navigaciji, teragaciji i avijaciji, ali i u različitim granama industrije i znanosti.
Danas je GPS prijamnik neophodan u prometu morem, kopnom i zrakom. Tako naprimjer u avijaciji omogućuje slijetanja/uzlijetanje aviona tijekom loših vremenskih prilika. U navigaciji brodovima, jahtama i jedrilicama GPS je standardna oprema i omogućuje određivanje preciznog položaja na morima/oceanima, smjera i rute kretanja ali i olakšava uplovljavanje u luke i marine. Ugradnjom GPS-a u osobne i transportne automobile omogućeno je vozačima određivanje pozicije u bilo kojem trenutku ali i optimalno prolaženje kroz velike gradove preusmjeravanjem prometa da bi se izbjegle prometne gužve, saobraćajne nesreće i dr.
Globalni satelitski sustav primijenjen je i u mnogim znanstvenim i strucnim djelatnostima, poglavito u geoznanostima. GPS upotrebljavaju i geodeti, geolozi, geofizičari, geografi, hidrografi, oceanografi, i mnogi drugi. U geodeziji je GPS jedan od osnovnih instrumenata za izmjeru i primjenjuje se u različitim geodetskim zadacama, kao naprimjer za postavljanje mreža viših i nižih redova te izmjeru homogenih polja gradova.
U geodetskoj se praksi, zbog zahtijevane visoke točnosti, ne određuju apsolutne koordinate točaka već koordinatne razlike. Osim stručne i profesionalne uporabe GPS je našao široku primjenu i u sportu (nautika, padobranstvo, planinarenje, ribolov, i dr.) pa se stoga osim za plovila, vozila, letjelice izrađuju i posebni prijamnici za individualno nošenje.
Različita je primjena GPS-a u amaterskoj astronomiji.
ODREĐIVANJE VREMENA I POZICIJE – odnosno koordinata motrenja za meteorske ekspedicije motrenja pomrčina, okultacija, za astrofotografiju, …
ODREĐIVANJA MERIDIJANA i ODREĐIVANJA AZIMUTA – pri postavljanju instrumenata (astrografa, teleskopa) u meridijan, ili izradi vertikalnih sunčevih ura … i drugo.
