GPS helymeghatározás

Alkalmazhatóság

A GPS-nek számos katonai és polgári alkalmazása van. A rendszert az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma fejlesztette ki, és több százmillió dollárt költ évente a rendszer fenntartására, fejlesztésére és a kiöregedő műholdak pótlására. Kezdetben a rendszert kizárólag az amerikai haderő és szövetségesei használhatták, később megnyitották a hálózatot a polgári felhasználók előtt is. A ’90-es évekig a polgári GPS vevőknek sugárzott navigációs jelbe szándékos zavarást építettek be, mely megnövelte a helymeghatározás hibáját. Ezzel megakadályozták, hogy a rendszert ellenséges hatalmak rossz célra használhassák, például cirkálórakéták célba juttatására. A zavaró jelet 2000-től nem alkalmazzák. Ezzel együtt a katonai GPS készülékek továbbra is jóval pontosabb helymeghatározást végezhetnek, mert ezek egy másik (kódolt) frekvenciasávhoz is hozzáférnek.
A GPS talán legfontosabb felhasználási területe a navigáció. A légi közlekedés és hajózás területén alapvető fontosságú a pontos helymeghatározás, ilyen felhasználás esetén különösen jó minőségű (és drága) vevőkészülékeket alkalmaznak, melyek pontosságát egyéb technikákkal növelik. A repülőgépek helymeghatározását természetesen számos földi és műholdas navigációs rendszer segíti, melynek csak egyik eleme a GPS. Léteznek már számítógéppel vezérelt aratógépek vagy aknakereső robotok, melyek szintén GPS-szel navigálnak.
A polgári GPS vevőkkel leggyakrabban autós (vagy gyalogos) navigáció során találkozhatunk. A rendszer ilyenkor két elemből áll: a GPS vevőkészülékből és egy számítógépből, mely a térképet tárolja és jeleníti meg. A számítógép a GPS vevőtől kapott információ alapján helyezi el a felhasználót a térképen. A számítógép lehet egy – zsebben elférő – tenyérszámítógép vagy okos-telefon, mert a GPS vevő ma már igen kis méretben is előállítható. Sok esetben, így az általunk kipróbált Blaupunkt készüléknél is, a vevőt és a számítógépet egyetlen egységbe összeintegrálják. Drágább autókban a GPS vevő a fedélzeti számítógéphez van csatlakoztatva, a megjelenítésről pedig egy LCD kijelző gondoskodik. Ebben az esetben a fedélzeti számítógép nem csak a GPS adatokat, hanem az autó mozgásáról rendelkezésre álló egyéb adatokat (sebesség, kormány pozíciója) is figyelembe veheti a navigációhoz.
Az autósok, biciklisták, gyalogosok, túrázók, síelők és hegymászók által használt GPS készülékeknek nem kell különösen nagy megbízhatóságúaknak és pontosaknak leniük, így ezek ára az utóbbi időben nagymértékben csökkent. Az alacsony árkategóriás készülékek természetesen nem javasoltak professzionális célra. Pl. a polgári GPS készülékek bizonyos magassági tartományban nem szolgáltat(hat)nak pontos magassági értékeket. Ez a korlátozás is a szabotázsok megelőzését hivatott szolgálni.
Nagyon drága és pontos GPS helymeghatározókat használnak viszont a térképészek, amikor természetes képződmények (hegyek, völgyek, folyók) határvonalit, elhelyezkedését kell megállapítani. A földmérők is precíziós GPS vevőket alkalmaznak, hogy a számítógéppel megtervezett és kiszámolt épületek, utak, hidak és egyéb nagyméretű objektumok a valós környezetben is a helyükre kerüljenek.
A GPS rendszer elvéből adódóan pontos időreferenciát is szolgáltat. A műholdakon „ketyegő” nagy pontosságú atomórák elengedhetetlenek a rendszer működése szempontjából. A vevők ezekhez az atomórákhoz szinkronizálnak. Érdekesség, hogy a GPS idő nem azonos az egyezményes világidővel (UTC, Universal Time Coordinated). Utóbbit a Föld forgásából adódó hatásokkal korrigálják, a GPS időt azonban nem. A kettő közti eltérést viszont a műholdak rendszeresen közzéteszik.
Manapság – a mobil távközlés előretörésével – egyre népszerűbbek az ún. helyhez kötött szolgáltatások, melynek fontos eleme a műholdas (és/vagy földi) helymeghatározás. Ilyen módon a rendszer értesíthet minket, ha benzinkút, pizzázó vagy éppen kedvesünk közelében tartózkodunk. Egy bevásárlóközpontban mindig annak az üzletnek a kínálatát, árlistáját láthatjuk a mobiltelefonon, amelyik előtt épp elsétálunk.
A GPS rendszer elveszett személyek vagy ellopott járművek megtalálására is használható. Ilyenkor a GPS-t általában mobiltelefonnal kombinálják, mely a mobil hálózaton keresztül periodikusan teszi közzé a személy vagy jármű koordinátáit, melyet egy központi rendszer rögzít, a tulajdonos pedig lekérdezhet. A rendszer hasznos lehet iskolás gyerekükért aggódó szülők számára is, hogy megtudják, merre kóborol csemetéjük iskolaidő alatt.

A GPS rendszer működése

A GPS flotta 24 műholdból áll, ebből 3 tartalék műhold, melyek meghibásodás esetén lépnek működésbe. A műholdak közepes magasságú Föld körüli pályán keringenek, körülbelül 20.200 km-es magasságban naponta két kört írnak le. Pályájuk úgy van kiszámítva, hogy a Föld gyakorlatilag bármely pontjáról, egy időben mindig legalább 4 műhold látszódjon. 4 műhold szükséges ugyanis a pontos helymeghatározáshoz, de bizonyos esetekben elég lehet 3 is.
A GPS műholdak többféle információt sugároznak ki periodikusan, melyek a pontos helymeghatározáshoz szükségesek. Az almanac a műhold állapotáról szolgáltat információt: üzemképes-e a műhold, a műhold pályájának eltérése a normálistól, a fedélzeti atomóra pontossága és eltérése. Az ephemeris a műhold pozícióját és a keringési pálya paramétereit tartalmazza, lehetővé teszi, hogy a GPS vevő ez alapján bármely jövőbeli időpillanatban kiszámolja a műhold pozícióját.
Minden műhold ezenkívül kétféle pontos órajelet is szolgáltat. Az egyik a C/A kód (Coarse Acquisition Code, „durva pozícionálásra alkalmas kód”), melyet a polgári GPS vevőkészülékek nagy része használ. Minden műhold másodpercenként 1000-szer sugározza ki a saját egyedi C/A kódját, amely alapján a műholdak megkülönböztethetők. A C/A-hoz nagyon hasonló szerepet tölt be a P-kód (Precise Code, „precíz pozícionálásra alkalmas kód”), melyet azonban 10-szer gyakrabban sugároz ki a műhold, így pontosabb időreferenciát nyújt. A P-kódot mindig rejtjelezett formában (Y-kód) küldik a műholdak, így az csak a megfelelő dekódoló-kulcs segítségével fejthető vissza. Ilyen kulccsal csak a katonai szervezetek, állami szervek rendelkeznek. A kódolás azt is megakadályozza, hogy valaki hamis GPS jellel próbálja megtéveszteni a vevőket.
A GPS vevőnek a pozíció meghatározásához kétféle információra van szüksége: ismernie kell a műholdak helyzetét és a műholdaktól mért távolságot. Ha ez a két információ legalább 4 műhold esetében rendelkezésre áll, akkor a vevő meg tudja határozni saját helyzetét. A műhold helyzete az ephemeris információból egyértelműen kiderül. A távolság kiszámítása pedig a jel terjedési késleltetéséből lehetséges. A terjedési késleltetést a vevő egy egyszerű módszerrel képes meghatározni (mivel a jel tartalmazza az elküldés időpontját), a távolság pedig a terjedési késleltetés és a fénysebesség szorzata. A 4 műhold pozíciója és a tőlük mért távolság 4 gömbfelületet határoz meg, a vevő pozíciója a gömbfelületek metszéspontja, mely matematikai módszerekkel könnyen meghatározható. A vevőkészülék belső órájának pontatlansága (atomórák alkalmazása a vevőkészülékben túl drága lenne) azt eredményezheti, hogy a gömbfelületek nem egy pontban metszik egymást, hanem egy tartományt határoznak meg. A tartomány mérete annál szűkebb, minél több műhold vesz részt a helymeghatározásban. A tartomány alapján a belső óra pontatlansága kijavítható (csökkenthető), így a helymeghatározás pontossága nő.

A helymeghatározás pontossága

A pozíció meghatározásának pontossága három dologtól függ: a belső óra pontossága, a műholdak pozíciójának pontossága és a terjedési késleltetés pontos mérése. A terjedési késleltetés mérésekor maga az elektronika hibája kb. 3 m-es pontatlanságot okoz a C/A-kódot használva, az Y-kóddal a pontatlanság 30 cm-re csökkenthető.
A környezeti tényezők által okozott hibát a 1. táblázat foglalja össze. Az atmoszférikus hatások egyik eleme, hogy az ionoszféra változó, kiszámíthatatlan módon befolyásolja a GPS jel terjedési sebességét (mely így nem lesz teljesen azonos a fénysebességgel). A pontatlanság annál nagyobb, minél hosszabb utat tesz meg a jel az ionoszférában (pl., ha a műhold a horizonton helyezkedik el). Az ionoszféra állapota szerencsére lassan változó és könnyen előre jelezhető, a műholdak ezért (egy külön csatornán) olyan információt is kisugároznak, melynek segítségével az ionoszférikus hatás korrigálható.
A jel terjedési sebességét sajnos a földi alsó légréteg páratartalma is befolyásolja, amely hirtelen is megváltozhat. A drága GPS készülékek úgy csökkentik a terjedési sebesség ingadozásából adódó hibát, hogy több frekvenciatartományban (pl. az L1 és L2 csatornára) is mérik a jel késleltetését, és ebből átlagolnak.
A többutas terjedés abból adódik, hogy a GPS jel visszaverődik tereptárgyakról, épületekről. Az intelligens vevők ki tudják szűrni az ilyen visszavert jelet, így annak hatása kiküszöbölhető.
Noha a műholdak atomórája igen pontos, relativisztikus hatások miatt időeltolódás jön létre, mely akár 2 m-es pontatlanságot is okozhat. Az ephemeris hiba oka, hogy az ephemeris információ viszonylag ritkán kerül kiküldésre, eközben a műhold pályamódosító manővert végezhet.
A GPS vevők pontossága számos speciális technikával növelhető, melyek azonban csak a professzionális, katonai készülékekbe kerülnek beépítésre. A pontosság növelését extra jelforrások teszik lehetővé, melyet más műholdas és/vagy földi navigációs rendszerek szolgáltatnak. A technikák ismertetésére nem térünk ki.
A régi GPS készülékek általában 6-8 rádióvevőt tartalmaztak. A chip-gyártás és a nagymértékű integráció lehetővé tette, hogy mára a legtöbb készülékbe 12 rádió-tunert építsenek be. 12 műhold jelének egyidejű vételével pedig igen pontos helymeghatározás érhető el.