GPS – Global Positioning System (Globalny System Pozycjonowania)
GPS, czyli Global Positioning System, to satelitarny system nawigacyjny opracowany pierwotnie przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych, który dziś stanowi fundament dla setek zastosowań cywilnych i przemysłowych. System ten umożliwia precyzyjne określanie lokalizacji geograficznej (położenia) w dowolnym miejscu na Ziemi, niezależnie od warunków atmosferycznych, dzięki odbiorowi sygnałów z sieci satelitów krążących na orbitach MEO (Medium Earth Orbit). Dziś wyjaśnię Ci dokładnie, jak działa GPS, jak jest zbudowany i jakie znaczenie ma jego integracja z innymi technologiami elektronicznymi.
Budowa i działanie systemu GPS
System GPS składa się z trzech segmentów: kosmicznego (satelity), naziemnego (stacje kontrolne) oraz użytkownika (odbiorniki GPS). Na orbicie znajduje się zazwyczaj 24–32 aktywnych satelitów, rozmieszczonych tak, by każdy punkt na Ziemi był jednocześnie „widziany” przez co najmniej cztery satelity. Odbiornik GPS oblicza swoją pozycję, mierząc czas dotarcia sygnału z każdego z nich – kluczowa jest tu synchronizacja czasowa, realizowana dzięki ultra-precyzyjnym zegarom atomowym umieszczonym na pokładzie satelitów.
Triangulacja i synchronizacja czasu
Podstawą działania GPS jest triangulacja – technika obliczania pozycji poprzez analizę odległości od co najmniej trzech (a najlepiej czterech) znanych punktów odniesienia, czyli satelitów. Każdy z nich wysyła zakodowany sygnał zawierający informację o czasie nadania oraz swojej pozycji orbitalnej. Odbiornik, który zna czas transmisji i czas odbioru, może obliczyć dystans do każdego satelity. Mając te dane, wyznacza swoje współrzędne geograficzne – długość, szerokość oraz wysokość nad poziomem morza.
Częstotliwości i sygnały GPS
Satelity GPS transmitują sygnały na częstotliwościach L1 (1575,42 MHz), L2 (1227,60 MHz) oraz L5 (1176,45 MHz). Pasmo L1 jest wykorzystywane głównie w zastosowaniach cywilnych, natomiast L2 i L5 – w bardziej zaawansowanych aplikacjach, np. militarnych czy w lotnictwie. Każdy sygnał zawiera dwa typy danych: C/A Code (Coarse Acquisition) i P Code (Precision), przy czym ten drugi jest kodowany i wykorzystywany przez wojsko. Dla zastosowań cywilnych, sygnały GPS mogą być także wzmacniane przez systemy SBAS (Satellite Based Augmentation Systems), takie jak WAAS czy EGNOS.
Dokładność i błędy pozycjonowania
W idealnych warunkach dokładność systemu GPS wynosi od 3 do 10 metrów dla użytkowników cywilnych. Jednakże istnieje wiele czynników wpływających na błędy pomiaru – m.in. opóźnienia atmosferyczne (jonosfera, troposfera), błędy zegarów, błędy orbity (efemerydy), odbicia wielodrogowe (multipath) czy interferencje elektromagnetyczne. W zastosowaniach wymagających większej precyzji, takich jak geodezja czy systemy autonomiczne, stosuje się korekcje różnicowe DGPS (Differential GPS) lub techniki RTK (Real-Time Kinematic), które pozwalają osiągać precyzję rzędu centymetrów.
Zastosowania GPS w systemach elektronicznych
Moduły GPS są powszechnie integrowane z systemami mikroprocesorowymi, np. w mikrokontrolerach STM32, Arduino czy Raspberry Pi. W wielu układach embedded, dane z GPS trafiają do jednostki sterującej, która interpretuje współrzędne, prędkość, kurs oraz czas UTC. Przykładowo, w systemach IoT wykorzystywanych w logistyce, GPS współpracuje z modemami LTE-M lub NB-IoT, umożliwiając śledzenie pozycji pojazdów lub towarów w czasie rzeczywistym. Oprócz tego, GPS znajduje zastosowanie w automatyce przemysłowej, precyzyjnym rolnictwie (np. sterowanie maszynami), a także w systemach synchronizacji czasu w sieciach energetycznych i telekomunikacyjnych, gdzie znaczenie ma dokładność rzędu mikrosekund.
GPS a inne systemy GNSS
Współczesne odbiorniki GPS obsługują również inne systemy GNSS (Global Navigation Satellite Systems), takie jak rosyjski GLONASS, europejski Galileo czy chiński BeiDou. Dzięki temu możliwe jest zwiększenie liczby dostępnych satelitów, a co za tym idzie – poprawa dokładności, redukcja błędów i zwiększenie niezawodności systemu. Wielosystemowe odbiorniki GNSS są dziś standardem w telefonach komórkowych, urządzeniach pomiarowych oraz pojazdach autonomicznych. W tym kontekście, integracja danych GNSS z lokalnymi systemami pozycjonowania – jak INS (Inertial Navigation System) czy magnetometry – pozwala na zwiększenie niezawodności nawigacji w warunkach trudnych, np. w tunelach czy gęstej zabudowie miejskiej.
Choć skupiliśmy się dziś na GPS, warto pamiętać, że równie istotne w praktyce projektowania są inne systemy pozycjonowania, np. A-GPS wykorzystywany w smartfonach, który korzysta z danych sieci komórkowych do przyspieszania lokalizacji, czy systemy lokalizacji wewnętrznej (IPS – Indoor Positioning Systems), bazujące na BLE, Wi-Fi czy UWB. W następnej części przejdziemy właśnie do technologii UWB i wyjaśnimy, jak różni się od klasycznego GPS oraz dlaczego zdobywa popularność w lokalizacji na krótkich dystansach z dokładnością do kilku centymetrów.
