Porady

Poznajmy technologię – jak działa GPS?

30 maja 2016, Aktualizacja 28 lutego 2018Lenovo

GPS ma każdy smartfon, część tabletów, a nawet niektóre smartwatche. Z lokalizacji satelitarnej korzysta ogromna część aplikacji mobilnych. Najpopularniejsze z nich to oczywiście programy do nawigacji oparte na cyfrowych mapach.

System nawigacji satelitarnej Navstar GPS (ang. Navstar Global Positioning System) powstał w latach siedemdziesiątych na potrzeby amerykańskiej armii. Miał dać (i dawał) przewagę na polu walki. 10 lat po wystrzeleniu pierwszego satelity podjęto decyzję o dopuszczeniu do korzystania z systemu także cywilów. Obecnie Navstar składa się z ponad 30 satelitów, które muszą być systematycznie uzupełnianie, w miarę jak stare model wyczerpują zaplanowany na 10-12 lata, okres użytkowania. Umieszczone na orbicie satelity to jeden z trzech elementów całego systemu. Drugim są dwa centra kontrolne – główne, w bazie lotniczej Shriever (Colorado, USA) i zapasowe, w bazie powietrznej Vandenberg (California, USA). Trzeci element to odbiorniki sygnału, czyli smartfony, nawigacje samochodowe, itp.

GPS_kontrola

Jak działa GPS?

Zasada działania lokalizacji satelitarnej jest bardzo prosta, ale już jej realizacja dość skomplikowana. Do wyznaczania pozycji wykorzystywana jest triangulacja. Będąc w nieznanym terenie można, z jej pomocą, wyznaczyć swoją pozycję wybierając trzy punkty orientacyjne i określając przypuszczalną odległość do każdego nich. Po wykreśleniu na mapie okręgów, o promieniach równych przypuszczalnej odległości do wybranych punktów orientacyjnych, szukana pozycja będzie w miejscu przecięcia trzech okręgów.

GPS_triangulacja

 

Analogicznie, urządzenie GPS, do wyznaczenia swojej pozycji, potrzebuje znać odległość do trzech satelitów. Czwarty będzie potrzebny jeśli chcemy znać także wysokość nad poziomem morza. Każdy z satelitów systemu GPS wysyła sygnał, którego najważniejszą składową jest godzina nadania. Odbiornik GPS porównuje godzinę nadania sygnału z godziną jego otrzymania i w ten sposób oblicza czas podróży sygnału. Ponieważ prędkość sygnału jest stała i znana (równa prędkości światła), obliczenie odległości wymaga jedynie pomnożenia czasu przez prędkość.

To zadanie, na poziomie lekcji fizyki w szkole podstawowej, wymaga jednak wsparcia zaawansowanej technologii. Każdy z satelitów posiada 4 zegary atomowe (po dwa cezowe i rubidowe) odliczające czas z dokładności do 1 sekundy na 100 tys. lat. Dzięki temu zegary wszystkich satelitów wskazują tą samą godzinę. Bez tak wysokiej precyzji, dokładność GPS byłaby dużo mniejsza niż obecne 7-8 metrów. Równie istotne są poprawki matematyczne, jakie urządzenie GPS musi przyjmować wobec wpływu najwyższych warstw ziemskiej atmosfery na prędkość światła.

Dokładność GPS nie zawsze była tak wysoka, jak obecnie. Pierwotnie system składał się z 24 satelitów, a cywilni użytkownicy mogli korzystać wyłącznie z sygnału o precyzji zaniżonej do ponad 100 metrów. Dopuszczenie niewojskowych do 5-krotnie lepszego sygnału zatwierdził dopiero w 2000 roku prezydent USA Bill Clinton. Mimo to amerykańska armia i jej sojusznicy nadal dysponują lepszą technologią określania pozycji. Korzystają bowiem z odczytu dwóch sygnałów nadawanych przez satelitę na różnych częstotliwości. System cywilny odbiera tylko jedną z nich.

GPS_satelitaUSA, które kontroluje system GPS, może w każdej chwili wyłączyć sygnał cywilny i odciąć w ten sposób od nawigacji kilka miliard osób. Inne kraje chcą być przygotowane na taką sytuację. Dlatego Unia Europejska, Rosja i Chiny opracowały własne systemy nawigacji. Podobnie jak GPS są one dostępne dla zwykłych użytkowników. Część urządzeń (w tym smartfony) jest przystosowana do korzystania z wielu systemów, co pozytywnie wpływa na dokładność określania pozycji. Im więcej satelitów „widzi” urządzenie GPS tym precyzyjniejszy jest odczyt.

GPS w nawigacji samochodowej

W nawigacji samochodowej sygnał GPS jest wykorzystywany w duecie z cyfrową mapą. Nie jest ona prostym przeniesieniem wersji papierowej na elektroniczną. Zawiera ogromną bazę metadanych opisujących każdą ulicę, drogę, czy miejsce użyteczności (tzw. POI). Posiada też algorytm wyznaczający trasę.

Jako bazy do stworzenia cyfrowej mapy używa się wersji klasycznej, zdjęć lotniczych i satelitarnych. Jednak sama widoczna na nich siatka dróg nie wystarczy. Kluczowe są dane zebrane w terenie przez specjalne pojazdy wyposażone w system kamer i czujników. Taki pojazd rejestruje ograniczenia prędkości, znaki drogowe, tunele i mosty, otoczenie dróg (budynki, lasy), sygnalizatory świetlne, a nawet pasy do skrętu na skrzyżowaniach. Wszystkie te dane są wprowadzane, przez kartografów, do cyfrowej mapy jako metadane. Producenci map bazują też na informacjach od użytkowników. System dróg ulega ciągłym zmianom, często zbyt szybkim by mogły za nimi nadążyć pojazdy kartografów.

Zapis przejazdu samochodu Car-to-graph

W momencie gdy program nawigujący otrzymuje polecenie wyznaczenia trasy, ustala aktualną pozycję samochodu oraz miejsce docelowe. Następnie sprawdza wszystkie połączenia drogowe między tymi punktami. Każda z możliwych tras jest oceniana pod względem klasy dróg (ich przepustowości), a program wybiera najkorzystniejszą kombinację odcinków, z których buduje finalną trasę przejazdu. Podczas jej ustalania może kierować się dodatkowymi wskazówkami użytkownika, np. ignorować drogi płatne. Najnowsze systemy nawigacji używają także informacji o utrudnieniach w ruchu. Podczas wyznaczania trasy uwzględniają objazdy i remonty ulic, a nawet korki i wypadki. Informacje o aktualnej sytuacji na drogach pochodzą, w części, od użytkowników aplikacji. Mogą oni zgłaszać zdarzenia drogowe i przesyłać je, przez sieć komórkową, do producenta. Program do nawigacji sprawdza też aktualną prędkość samochodu i może w ten sposób stwierdzić czy kierujący stoi w kroku. Precyzja tego rozwiązania zależy od liczby użytkowników aplikacji. Jeśli w kroku stoi kilka samochodów udostępniających informacje o ruchu, to dane o korkach stają się bardziej wiarygodne.

GPS_nawigacja

Programy do nawigacji korzystają z map przechowywanych w pamięci urządzenia (np. smartfona) lub pobieranych na bieżąco, w trakcie podróży, przez Internet. To drugie rozwiązanie, choć generuje koszty związane z transmisją danych, jest bardziej niezawodne. Mapy online są znacznie częściej aktualizowane – producent aplikacji może natychmiast wysyłać do użytkowników informacje o remontach i zamkniętych odcinkach dróg. Przykładem aplikacji z mapą online jest nawigacja Google, dostępna w każdym smartfonie z Androidem. Może ona działać także bez dostępu do Internetu. Wcześniej jednak trzeba pobrać fragment mapy i zapisać go w pamięci smartfona.



Udostępnij

Powiązane Artykuły

Nawigacja samochodowa - IT na Luzie #23

Lenovo

Poznajmy technologię - Jak działają procesory mobilne? Ranking wydajności

Lenovo

Jak zlokalizować telefon lub tablet - HelpZone!

Lenovo

Komentarze do artykułu


widget instagram lenovo
widget twitter lenovo
widget facebook lenovo
widget youtube lenovo
Przeczytaj poprzedni wpis:
Przepis na suflet – YOGA w kuchni Sebastiana Olmy

Po wielu goszczących w programie daniach głównych i zupach nadszedł czas na przygotowanie deseru! Tym razem nasz TopChef, Sebastian Olma,...

Zamknij