1. ГЛОБАЛНИ ПОЗИЦИОНИ СИСТЕМ
Глобални позициони систем (енгл. Global Positioning System - GPS) је тренутно једини
поптуно функционалан глобални сателитски навигациони систем (енгл. Global
Navigation Satellite System - GNSS). ГПС се састоји од 24 сателита распоређених у
орбити Земље, који шаљу радио сигнал на површину Земље. ГПС пријемници на
основу ових радио сигнала могу да одреде своју тачну позицију - надморску висину,
географску ширину и географску дужину - на било ком месту на планети дању и ноћу,
при свим временским условима.
ГПС има велику примену као глобални сервис у разним областима, у комерцијалне и
научне сврхе: навигација на мору, земљи и у ваздуху, мапирању земљишта, прављењу
карата, одређивању тачног времена, откривању земљотреса и слично.
ГПС је развијен од стране Министарства одбране САД под именом НАВСТАР ГПС у
агенцији ДАРПА (неки извори наводе да је НАВСТАР скраћеница од Навигатион
Сигнал Тиминг анд Рангинг ГПС, док други наводе да је то случајно изабрано звучно
име дато од стране Јохн Wалсх-а, особе која је имала улогу о одлучивању о судбини
пројекта). У почетку је коришћен искључиво у војне сврхе да би касније био бесплатно
стављен на располагање свима као јавно добро. Годишњи трошкови одржавања
система су око 750 милиона америчких долара.
ГПС Пријемник је уређај који прорачунава своју позицију на основу мерења
удаљености од три или више ГПС сателита. Сваки сателит емитује микроталасну
секвенцу радио сигнала која је позната пријемнику. Док пријемник прима тај сигнал, у
стању је да одреди време које протекне од емитовања радио сигнала са сателита до
пријема на својој позицији. Удаљеност пријемника од сателита се прорачунава на
основу тог времена, будући да радио сигнал путује познатом брзином. Сигнал такође
носи информацију о тренутном положају сателита са ког се емитује. Ако се зна
удаљеност пријемника од сателита и позиција сателита, познато је да се пријемник
налази негде на сфери одређене димензије у чијем је центру сателит. Пошто су познате
позиције три сателита и удаљеност пријемника од сваког од њих,
поступком трилатерације се може одредити позиција пријемника. Трилатерација се
базира на чињеници да се три сфере секу у највише две тачке (од којих једна обично
нема смисла)
Овај принцип рада подразумева са су часовници на свим сателитима, као и на
пријемнику потпуно синхронизовани, да би се временски размак између познате
секвенце сигнала са сателита и на пријемнику тачно измерио. На сателитима се налазе
атомски часовници, веома прецизни и скупи. Међутим, пријемник има далеко мање
прецизан часовник, кристални осцилатор. Недостатак прецизности се решава увођењем
мерења удаљености од још једног сателита. Сат на пријемнику уводи исту временску и
просторну грешку када прорачунава удаљеност од сва четири сателита. Може се
израчунати за колико треба кориговати сат да би се четири сфере секле у једној истој
тачки. На тај начин се сат на пријемнику непрекидно коригује. Једна од примена ГПС-а
је веома прецизно рачунање времена и синхронизација часовника .
2
2.2. КОНТРОЛНА КОМПОНЕНТА ГПС
Контролну компоненту чине станице за праћење сателита, контролне станице и
земљишне антене. Станице за праћење сателита се налазе на Хавајима, Квајлин
острву, Акнезијском острву, острву Дијего Гарсија и Колорадо Спрингсу, у Колораду.
Улога ових станица је да прате кретање сателита и податке шаљу главној контролној
станици у Колорадо Спрингсу. Ту се врше прорачуни и преко земљишних антена које
се налазе на Квајлин острву, Акнезијском острву, и острву Дијего Гарсија. Сателитима
се шаљу ажурирани подаци о њиховој тачној позицији и времену. Ажурирање се врши
два пута дневно, чиме се врше прецизна подешавања система. Новија генерација
сателита је у стању да међусобно комуницира и синхронизује податке, па прецизност
одређивања позиције не би била битно нарушена, ни кад би сателити данима радили
независно од контролне компоненте са Земље.
2.3. КОРИСНИЧКА КОМПОНЕНТА ГПС
Корисничку компонену чине ГПС пријемници на Земљи (Сл.2). Пријемници могу бити
компоненте укључене у друге уређаје, као нпр мобилни телефон, часовник и слично,
или самостални уређаји. На пример, ГПС пријемник базиран на СиРФ Стар III чипу
има димензије само 12 x 15 mm. Други, самостални уређаји, имају дисплеј за
приказивање позиције, брзине и/или времена и могу имати интерфејсе са другим
уређајима.
Основне компоненте ГПС пријемника су антена подешена на фреквенцију ГПС
сателита, кристални осцилатор који служи као часовник и микропроцесор који
обрађује сигнале. Пријемници се често описују према томе колико канала имају. Сваки
канал прати по један сателит. Старији модели су имали четири до пет канала, а
данашњи углавном 12 до 20 канала.
ГПС пријемници могу имати у саставу компоненту која прима диференцијалне
сигнале. Диференцијални сигнал се добија преко стандардног РС-232 порта или преко
интерне антене. Од 2006. године чак и јефтини пријемници укључују и пријемнике
за обласне системе аугментације.
Неки ГСП пријемници комуницирају са другим уређајима преко серијских интерфејса
као што су USB или BLUETOOTH, користећи стандардне протоколе. НМЕА 0183 и
НМЕА 2000 су широко распрострањени протоколи. Иако су заштићени протоколи ,
објављено је довољно јавних докумената који их описују да се могу користити без
кршења ауторских права. Постоје и други протоколи, као СиРФ и МТК.
Сл.2.
4
3. КОНЦЕПТ ГПС ПОЗИЦИОНИРАЊА
Географске координате пријемника се прорачунавају базирано на Светском геодетском
систему, WГС84. За почетак, ГПС пријемници са сателита непрекидно примају
навигациону поруку која у себи садржи информацију о њиховој позицији.
Пријемник идентификује сигнал са сваког појединог сателита према његовој
јединственој дигиталној секвенци, па мери размак између времена када је сигнал
емитован и времена када је сигнал примљен. То се ради тако што пријемник интерно
генерише сигнал са истом дигиталном секвенцом као што је има сигнал са сателита.
Затим полако мења временску фазу тог сигнала све док се интерни сигнал и сигнал са
сателита не подударе. У тренутку подударања, померена временска фаза интерног
сигнала је једнака времену потребном да сигнал путује од сателита до пријемника, на
основу чега се може израчунати удаљеност пријемника од сателита, с обзиром на
познату брзину којом радио сигнал путује. Ова удаљеност се назива псеудоудаљеност.
Псеудо је због тога што је у овом рачунању претпостављено да је интерни часовник
пријемника тачан, али он садржи извесну непрецизност.
ГПС пријемник у сваком тренутку може да израчуна псеудоудаљеност од четири
сателита. Можемо да замислимо четири сфере од којих свака има центар у по једном
од тих сателита а полупречник јој је удаљеност од тог сателита до пријемника. То су
четири сфере које се све секу у једној тачки. Пошто сигнали са сваког сателита путују
истом брзином, у свакој од псеудоудаљености је урачуната иста апсолутна грешка.
Када би сфере за полупречнике имале псеудоудаљености уместо стварних удаљености,
оне се не би секле у истој тачки, већ би све било мало померено. Малом корекцијом
псеудоудаљености за исту вредност можемо подесити да се сфере секу у истој тачки.
Када се израчуна колика је апсолутна грешка у израчунавању псеудоудаљености, онда
се зна и колика је непрецизност интерног часовника пријемника и он се подешава да
тачније показује време. Ово подешавање се стално дешава у времену.
Прорачун позиције на основу П-кода је концептуално сличан, под претпоствком да се
сигнал може декодирати. Шифровање овог сигнала је заштитни механизам. Ако се
сигнал може успешно дешифровати, онда се може претпоставити да је заиста послат са
ГСП сателита. У поређењу са П-кодом који се користи у војне сврхе, Ц/А код је веома
осетљив на ометања. Пошто су дигиталне секвенце ГПС синала јавно познате, могуће
је намерно их емитовати генераторима сигнала.
5
