System GPS. Rodzaje, historia, opis działania i przyszłość

Obecnie system GPS wydaje się nam czymś normalnym. Jest kolejnym narzędziem, z którego korzystamy. Nie zastanawiamy się nawet nad tym, jak działa, skąd się wziął i ile czasu, pracy i pieniędzy musiano zainwestować w jego powstanie. Odbiorniki GPS mają dziś nie tylko nawigacje, telefony, samochody, ale nawet zegarki, a ich precyzja wykorzystywana jest w przemyśle, sporcie amatorskim i zawodowym, rajdach i wyścigach samochodowych i oczywiście w wojsku. Przyjrzyjmy się mu bliżej.

Co to jest nawigacja satelitarna?

Nawigacja satelitarna, czyli z angielskiego Global Navigation Satellite System (GNSS), to konstelacja satelitów zapewniająca sygnał z kosmosu, który dostarcza dane pozycjonujące oraz dokładny czas. Do przekazywania informacji wykorzystywane są fale radiowe o określonych częstotliwościach. Po odebraniu takich danych odbiornik przelicza je i wskazuje nam naszą lokalizację zawierającą długość i szerokość geograficzną oraz wysokość nad poziomem morza.

Poza systemem rdzeniowym (GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo) w kosmosie znajdują się również wspomagające systemy pomocnicze. Są to tzw. Satellite Based Augmentation Systems (SBAS), takie jak globalne Omnistar i StarFire wykorzystywane w rolnictwie.

Nad nami znajdują się też regionalne systemy wspomagające, takie jak WAAS w USA, EGNOS w EU, MSAC w Japonii i GAGAN w Indiach, które dbają o doprecyzowywanie danych na mniejszych wycinkach globu. Wszystko to wspierają komponenty naziemne, o których powiemy więcej później. Tyle definicji bez wdawania się w szczegóły.

Nawigacja satelitarna. Rodzaje

System GPS systemowi GPS nierówny. Obecnie nad naszymi głowami lata kilka rodzajów satelitów odpowiadających za pozycjonowanie urządzeń, które trzymamy w kieszeniach. Dlaczego jest kilka systemów, a nie jeden? Ponieważ ten pierwotny był wojskowy i wojsko ma nadal nad nim kontrolę. W związku z tym poważni gracze na światowej szachownicy postanowili zrobić sobie swoje, tak by to ich wojsko miało nad nimi kontrolę. Wszystko to zgodnie z zasadą „mój GPS jest najmojszy”.

satelita GPS
Satelita systemu GPS przygotowywany do startu. Źródło: Lockheed Martin

Amerykański system GPS

To ten pierwszy, z którego korzystamy najczęściej. Potocznie mamy w zwyczaju mówić system GPS, kiedy myślimy o  nawigacji satelitarnej. Amerykański system GPS pierwotnie nazywał się NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System, czyli w skrócie NAVSTAR-GPS.

System GPS jest we władaniu sił zbrojnych USA, a właściwie United States Space Force. Kontrola poprawności działania wszystkich urządzeń realizowana jest przez jednostkę Space Delta 8 ulokowaną w bazie Schriever Air Force Base znajdującej się nieopodal Colorado Springs i działającej w ramach GPS Master Control Station.

Zastosowania cywilne są jedynie pobocznym dodatkiem do zastosowań wojskowych, dla których zarezerwowano priorytet przy tworzeniu układu oraz największą precyzję. My dostajemy wersję okrojoną, ale i tak całkiem niezłą. Do jeżdżenia samochodem i biegania nie potrzebujemy precyzji rzędu kilkudziesięciu centymetrów, choć rolnicy na polach domagają się coraz większej dokładności. Wiadomo. Optymalizacja.

W trakcie użytkowania system podlegał i nadal podlega modernizacji i co jakiś czas do sieci wprowadzane są satelity o większych możliwościach, a stare, zużyte są deorbitowane.

Gotowość operacyjna systemu GPS została osiągnięta w roku 1993 (pełna liczba satelitów), a dopuszczenie do użytku cywilnego zapoczątkowała jeszcze administracja Ronalda Regana w roku 1983. Stało się po zestrzeleniu przez Rosjan koreańskiego samolotu cywilnego, który nieświadomie naruszył rosyjską przestrzeń powietrzną. Początkowo precyzję systemu dla cywili ograniczono jednak do 100 metrów. Na potrzeby uniknięcia kolejnych katastrof wystarczyło.

Działanie systemu GPS z kosmosu dodatkowo wspierają satelity Wide Area Augmentation System (WAAS), zapewniając niezbędne poprawki podnoszące precyzję układu. Działają nad terenem Ameryki Północnej (i częściowo południowej) i są pod opieką FAA (Federal Aviation Administration). WAAS przewidziany jest do wspierania cywilnych zastosowań nawigacji satelitarnej.

model GLONASS K
Model statelity GLONASS K. Źródło: Wikipedia

System GPS po rosyjsku, czyli GLONASS

GLONASS to skrót od GLObalnaja NAwigacionnaja Sputnikowaja Sistiema, czyli rosyjskiego systemu nawigacji satelitarnej działającego na podobnej zasadzie co system amerykański. Całość składa się z 24 satelitów operacyjnych, które znajdują się na wysokości około 19100 kilometrów nad ziemią, a ich lot dookoła niej zajmuje 11 godzin i 15 minut. Testy systemu rozpoczęły się w roku 1982, a formalna gotowość operacyjna została ogłoszona w roku 1993. Z kolei w roku 1995 na niebie znalazła się cała konstelacja 24 satelitów.

By nie było tak kolorowo, przyznać trzeba, że Jelcynowska wielka smuta odcisnęła swoje piętno również na kosmosie. W efekcie w 2002 roku jedynie 7 satelitów było nadal operacyjnych. Rosjanie wzięli się jednak za robotę i w ramach programu naprawczego z lat 2002-2011 wprowadzili do służby udoskonalone satelity GLONASS-K, wraz z towarzyszącymi im nowoczesnymi systemami kontroli naziemnej.

W kolejnej fazie modernizacji, rozpisanej na lata 2012-2020, skupiono się na doskonaleniu właściwości PNT (Positioning, Navigation and Timing) w celu podniesienia bezpieczeństwa państwa i możliwości jego systemów obronnych i cywilnych. Obecnie trwają prace nad kolejną generacją satelitów oznaczanych jako GLONASS-K2.

BeiDou start satelity
Start rakiety nośnej z chińskim satelitą BeiDou. Źródło: beidou.gov.cn

System GPS BeiDou z Chin dołącza do układanki

Chiny rozpoczęły prace nad systemem nawigacji satelitarnej pod koniec XX wieku. W roku 2000 udało się im zamknąć pierwszy etap BDS-1 (BeiDou Navigation Satellite System-1). W jego ramach pozycjonowanie zapewnione było na ternie Chin i w najbliższej zagranicy. Kolejnym etapem było BDS-2 z siatką satelitów zapewniającą pokrycie w regionie Azji i Pacyfiku. W roku 2020 w ramach BDS-3 Beidou zaczął operować globalnie.

Obecnie na orbicie znajduje się 35 satelitów, a w sumie program zaliczył już 59 startów z ładunkiem wynoszącym na orbitę kolejne generacje BeiDou. Według zapewnień władz chińskich nad programem BDS-3 pracowało w sumie ponad 400 agencji  i 300000 osób personelu badawczego i techników. Do obsługi najnowszej konstelacji powstało ponad 40 stacji naziemnych zajmujących się monitorowaniem poprawności działania układu. Globalna dostępność systemu oceniana jest na 99%, a dla kluczowego rejonu Azji i Pacyfiku jest on jeszcze większa. Również tam postarano się o większą dokładność działania systemu.

BeiDou pozwala również transmitować krótkie wiadomości tekstowe o wielkości do 14000 bitów (1000 chińskich znaków). W wartości tej mogą mieścić się również zdjęcia czy nagrania dźwiękowe.

Podobnie jak ma to miejsce w przypadku innych twórców systemów nawigacji satelitarnej – za obsługę płacą lokalni podatnicy.

satelita systemu Galileo
Satelita systemu Galileo: Źródło: European GNSS Agency

System GPS Galileo. Europa nie chce być w tyle

Jaka jest największa zaleta systemu Galileo? W przeciwieństwie do GPS i GLONASS pozostaje w rękach cywilnych i nie są to ręce komunistyczne jak w Chinach. Zbudowany został tylko z myślą o rynku cywilnym i ostateczne zdanie na temat tego, jak przebiegać ma jego rozwój, mają cywile. Trzeba przyznać, że to zdrowy powiew świeżości w zmilitaryzowanych systemach pozycjonowania.

Do tej pory program Galileo zaliczył 28 startów i wyniósł na orbitę okołoziemską 30 satelitów. Obecnie system korzysta z pełnej konstelacji, ale nie zawsze wszystkie urządzenia są dostępne i część pozostaje w zapasie.

Segment kontroli naziemnej zlokalizowany jest w dwóch ośrodkach, którymi są Oberpfaffenhofen w Niemczech i Fucino we Włoszech. Dodatkowo w system wpięta jest rozlokowana na całym świecie sieć czujników monitorujących, stacji pomiarowych i przesyłania danych.

W związku z tym, że na orbicie od tych wszystkich systemów robi się coraz ciaśniej, to Galileo lata nieco wyżej, bo patrzy na nas aż z 23222 kilometrów (najniżej jest GLONASS, następnie GPS, chiński BeiDou i na szczycie piramidy Galileo). Pełny przelot wokół ziemi zajmuje każdemu z satelitów około 14 godzin. Dla większości miejsc na ziemi stale dostępne jest od 6 do 8 satelitów systemu Galileo, co oznacza bardzo wysoką precyzję sięgającą w niektórych sytuacjach centymetrów, a nie metrów.

System Galileo jest kompatybilny z systemem GPS, co dodatkowo pozwala nam podnieść precyzję pomiarów, a jego działanie wspiera również system EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) składający się z komponentów naziemnych oraz satelitów odpowiadających za poprawę działania i precyzji systemów nawigacji satelitarnej.

Schematyczne zobrazowanie zasady działania systemy QZS. Źródło: JAXA

Japonia też ma coś swojego – Michibiki

By zapewnić sobie precyzję nawigowania na własnym terenie, Japonia utworzyła niewielką konstelację satelitów nazywaną Quasi-Zenith Satellite System (QZSS), czyli Michibiki. Na górzystym i silnie zurbanizowanym obszarze sam system GPS często nie wystarczać w związku ze zbyt dużą liczbą przeszkód. Działające od listopada 2018 roku cztery satelity wspomagające niwelują ten problem. Trzy z nich są cały czas widoczne w regionie Azji i Oceanii. W roku 2024 planuje się osiągnąć konstelację satelitów składającą się z siedmiu sztuk. Pozwoli to dalej poprawić działanie całego systemu i uczyni go niezależnym od GPS. Tym samym Japonia zapewni sobie pełną autonomię na swoim terenie.

Choć skromy w swych rozmiarach, system ten spełnia wszystkie oczekiwania państwa nim władającego, a dodatkowo wspiera również nawigowanie w tych wszystkich krajach, które znajdują się na południkach zbliżonych do tych przebiegających przez terytorium Japonii.

Dodatkowo Japonia posiada również system wspomagający precyzję GPS/Michibiki nazywany MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS).  Składa się on z dwóch satelitów zapewniających dodatkowo również dane pogodowe.

Start indyjskiego satelity. Źródło: isro.gov.in

Indyjski system nawigacji satelitarnej

NavIC (Navigation with Indian Constellation) zwany również Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS) to indyjska wersja regionalnego systemu nawigacji podobna w swym działaniu do systemu japońskiego (po osiągnięciu jego pełnych możliwości). Na orbicie znajduje się obecnie siedem satelitów, które zapewniają pozycjonowanie na obszarze Indii oraz do 1500 kilometrów od indyjskich granic. System jest niezależny od systemu GPS.

Działanie NavIC wspiera system GAGAN (GPS-Aided Geosynchronous Augmented Navigation System), w skład którego wchodzą trzy dodatkowe satelity i infrastruktura naziemna. Dzięki wprowadzeniu go do służby doszło do wypełnienia luki pomiędzy EGNOS i MSAS co dalej podniosło poziom bezpieczeństwa lotnictwa cywilnego.

StarFire John Deere
Nowoczesne systemy nawigacji satelitarnej pozwalają na centymetrową precyzję w rolnictwie wielkopowierzchniowym. Źródło: deere.pl

Globalne systemy wspomagające

Przy opisywaniu poszczególnych systemów wspominaliśmy o regionalnych systemach wspomagających. Działanie nawigacji satelitarnej poza regionalnymi, mogą jednak również wspomagać globalne systemy pomocnicze. Obecnie wyróżnić możemy dwa. Są to Omnistar i StarFire. Oba z nich służą do wspomagania nawigacji satelitarnej wykorzystywanej na potrzeby nowoczesnego rolnictwa precyzyjnego. By z nich korzystać, niezbędne są specjalne odbiorniki, dzięki którym rolnik poruszając się po swoich polach, może operować z dokładnością nawet do 5-10 centymetrów (rekordowe systemy wspomagające dają dokładność rzędu 1-2 centymetrów). Tak dokładne pozycjonowanie traktowane jest jako usługa i wymaga dodatkowych opłat realizowanych bezpośrednio na rzecz dostawy danego systemu.

Usługa działa w oparciu o różnicowy GPS (DGPS – Differential Global Positioning System) i sprowadza się do wykorzystywania odbiornika bazowego, który umiejscowiony jest w idealnie oznaczonym miejscu. Odbiornik na maszynie poza sygnałem z satelitów odbiera również poprawki ze stacjonarnego odbiornika bazowego.

Omnistar jest niezależną firmą i jej nadajniki można dokupić do różnych maszyn, natomiast za firmą StarFire stoi producent ciągników John Deere, który oferuje systemy już zabudowane lub zewnętrzne, chwaląc się dokładnością rzędu +/- 3cm i współpracą zarówno z GPS, jak i GLONASS.

Jak działa system GPS?

W związku z największą ilością dostępnych danych działanie systemu GPS opiszemy na przykładzie wersji pierwotnej, czyli amerykańskiej. Inne działają podobnie.

Konstelacja systemu GPS

Do poprawnego działania na całym globie potrzebna jest odpowiednio gęsta sieć satelitów. Już przy konstelacji 24 sztuk mamy pewność, że w każdym momencie, w dowolnym punkcie na ziemi, znajdujemy się w zasięgu działania 4 z nich. Amerykanie zobowiązali się, że przez 95% czasu dostępne będą przynajmniej 24 sztuki. By wszystko szło gładko, lata nad nami 31 sztuk. Ziemia podzielona jest na 6 równych stref, po których poruszają się satelity, a każda z nich ma 4 pola do pokrycia.

W czerwcu 2011 roku doszło do uruchomienia modyfikacji nazwanej Expendable 24. Trzy z 24 satelitów, a co za tym idzie pola, które kontrolują, zostały wzmocnione dodatkowym satelitą po to, by uzyskać szybsze łapanie sygnału oraz lepszą dokładność w trudnych warunkach terenowych. Doszło też do pewnych roszad, by cała siatka składająca się teraz z 27 satelitów działała jak najefektywniej.

Satelity systemu GPS poruszają się po przewidywalnych orbitach MEO (medium Earth orbit) na wysokości około 20200 kilometrów, więc zawsze wiemy, gdzie akurat się znajdują. Dodatkowo ich położenie jest weryfikowane z ziemi przy pomocy radioteleskopów. Naziemna siatka kontroli składa się z głównego centrum zarządzania, zapasowego centrum zarządzania, 11 anten dowodzenia i kontroli i 16 stacji monitorujących. Nie ma zatem mowy, że będą gdzie indziej, niż zakładamy. Jedna rundka wokół ziemi zajmuje każdemu satelicie 12 godzin.

Porównanie orbit satelitów. Źródło: Wikipedia

Jak to wszystko działa w praktyce?

Znajdujący się na orbicie okołoziemskiej satelita cały czas wysyła sygnały radiowe, których nasłuchują nasze sprzęty wyposażone w odpowiednie odbiorniki. Każdy satelita przekazuje swoją pozycję i czas nadania sygnału. Wiedząc, dodatkowo, z jaką prędkością przemieszczają się fale radiowe, możemy wyliczyć odległość od tego satelity. Jeśli do tej jednej dodamy jeszcze trzy satelity i będziemy pobierać dane z czterech naraz, to urządzenie wyliczy naszą lokalizację w punkcie przecięcia danych napływających z wszystkich satelitów.

By wszystko działało sprawnie i dokładnie, potrzeba nam jeszcze precyzyjnego pomiaru czasu i jego nadawania. Jak to uzyskano? Każdy z satelitów przenosi na swoim pokładzie zegar atomowy, czyli najprecyzyjniejszy chronometr, jaki człowiek wynalazł. Jaka jest precyzja takiego zegara? Czas podawany jest z dokładnością do milionowej części sekundy. Całkiem nieźle!

To, że satelita ma precyzyjny czas, oczywiście nie wystarcza. W związku z tym urządzenie odbierające korzysta z tych danych i również dostosowuje czas tak, by osiągnąć precyzję satelitów i skutecznie wyliczyć naszą pozycję.

Jakby tego było mało, cały system musi jeszcze uwzględnić takie kwestie jak szczególna teoria względności, którą wymyślił pewien pan z rozczochraną fryzurą, powszechnie znany jest jako Albert Einstein. Słowem całość jest dość skomplikowana, ale na szczęście działa i tego się trzymajmy!

By system działał poprawnie wymagany jest udział wysoko wykwalifikowanego personelu. Źródło: Wikipedia

System GPS to nie są tanie sprawy. Koszty programu

Raz wystrzelony na orbitę satelita nie działa tam wiecznie. Starsze wersje miał cykl życiowy obliczany na 7,5 roku, nowsze na 12 lat, a najnowsze GPS III/IIIF mają pozostawać na orbicie przez 15 lat (dane dla amerykańskiej wersji systemu). Po tym czasie dochodzi do wymiany, a więc ktoś musi w sterylnych warunkach zbudować nowy egzemplarz, a następnie musi taka sztuka zostać wyniesiona na orbitę.

Poza samym sprzętem znajdującym się w kosmosie jest jeszcze sprzęt monitorujący na ziemi, no i wysoko wykwalifikowana kadra odpowiedzialna za kontrolę.

Cały czas trwają także prace nad udoskonalaniem komponentu naziemnego i obecnie skupiają się one na nowym centrum operacyjnym Next Generation Operational Control System (OCX) i powiązanych z nim podsystemach. Zmiany wprowadzane są stopniowo, tak by nie zakłócić operowania systemu GPS.

Rocznie utrzymanie całego systemu w pełnej sprawności kosztuje około 1,7 miliarda dolarów (rok budżetowy 2020). Na rok budżetowy 2021 zawnioskowano o 1,8 miliarda dolarów. Przy takich sumach tylko największe kraje mogą sobie pozwolić na utrzymanie autonomicznego systemu, a reszta musi korzystać z tego, co jest. By pokazać, jak koszty programu rosną, można jedynie powiedzieć, że w roku 2012 było to 750 milionów dolarów (nie wdajemy się tu już w przepychanki na temat inflacji, metodologii liczenia i jej poziomu).

Współczesne bomby poza systemem GPS wspierane są innymi rozwiązaniami naprowadzającymi by niwelować ryzyko zakłócania sygnału wysyłanego przez satelity. Źródło: Lockheed Martin

System GPS odchodzi do lamusa? W wojsku trochę tak!

Złote czasy systemu GPS w siłach zbrojnych odchodzą powoli w niepamięć. Coraz powszechniejsze staje się zakłócanie i blokowanie sygnału satelitarnego i w efekcie uzbrojenie precyzyjne oparte tylko na danych z kosmosu nie jest już tak skuteczne, jak kiedyś. Problem dotyka nie tylko samej broni, ale również samolotów, okrętów, pojazdów lądowych i każdego innego urządzenia, które wyposażone jest w odbiornik GPS.

Przykłady blokowania sygnału GPS w zapalnych regionach mogliśmy obserwować już wielokrotnie. Wielkie statki dokujące w porcie czy pływające po Morzu Czarnym nagle znikały z map i pojawiały się na nich 30 kilometrów dalej. W głębi lądu. Oczywiście Rosjanie nic o tym nie wiedzą.

Idąc dalej, w Syrii realizowane są podobne działania po to, by zabezpieczać rosyjskie bazy w regionie. Odpryskiem dostaje się nawet Izraelowi, gdzie GPS czasem działa gorzej, a to już jest poważny problem choćby dla cywilnego ruchu lotniczego.

Zakłócanie sygnału GPS w danym regionie nie jest szczególnie wyszukanym działaniem. W pobliżu ochranianego celu umieszcza się nadajnik radiowy o odpowiedniej mocy i częstotliwości, który sprawia, że odbiorniki GPS nie mogą pobierać prawidłowych danych. Producenci satelitów starają się z tym walczyć, przygotowując w najnowszych odmianach sygnały coraz bardziej odporne na zakłócenia. Jest to jednak zabawa w kotka i myszkę i przewaga leży po stronie zakłócaczy. Mogą szybciej reagować na zmiany z racji mniejszych kosztów i większej możliwości wprowadzania zmian. Wszak satelitów w tydzień się nie wymienia.

Poza niecnymi celami techniki blokowanie sygnału GPS wykorzystywane są również po to, by chronić głowy państw. Szczególnie w takich przedsięwzięciach lubują się o dziwo… Rosjanie i tam, gdzie Putin, tam można spodziewać się zakłóceń. O ile łatwo jest walić politpoprawną pałką w Rosjan w niemal każdym przypadku, o tyle w takich zastosowaniach zagłuszanie jest sensowne. Pozwalają przynajmniej częściowo wykluczyć atak przy pomocy dronów wykorzystujących do poruszania się po wyznaczonej trasie systemy nawigacji satelitarnej.

Mimo wymienionych problemów i wad nie należy spodziewać się odejścia wojska od systemu GPS. Raczej trwać będzie wojenka podjazdowa z systemami zakłócającymi, a do możliwości sprzętu i uzbrojenia dodawane będą dodatkowe systemy działające nawet w przypadku zakłócania sygnału GPS.

Coraz bardziej udoskonalana będzie nawigacja inercyjna, a broń precyzyjna będzie miała zawsze w odwodzie inny, równie dobry sposób namierzania. Intensywne prace nad takimi rozwiązaniami właśnie trwają. Mówi się o nawigacji obrazowej, astronawigacji (powrót do przeszłości w wersji zautomatyzowanej?) i nawigacji wspomaganej anomaliami magnetycznymi. High tech!

System GPS. Zastosowania cywilne

Mogłoby się wydawać, że wiemy, do czego używa się systemu GPS. Przecież niemal codziennie włączamy go w naszej nawigacji w telefonie lub samochodzie. Zastosowań jest jednak o wiele więcej i wykraczają one daleko poza podstawowe potrzeby użytkownika cywilnego. W zasadzie można powiedzieć, że nawet jak nie korzystamy z systemu GPS bezpośrednio, czyli sami nie włączmy odbiornika, to i tak możemy z niego korzystać.

GPS w rolnictwie

Czasy małych gospodarstw rolnych odeszły już niestety w niepamięć. Królują wielkie przedsiębiorstwa rolne, a tam dąży się do optymalizacji. Wszak klient końcowy chce, by było tanio.

System GPS jest zatem wykorzystywany do mapowania pól i planowania tras dla pojazdów rolniczych przy każdym elemencie pracy na roli. Nasiona i nawóz rozsiewa się tak, by wykonać, jak najmniej przejazdów oraz zużyć jak najmniej surowca, jak i paliwa w ciągniku. Jeśli jakiś kawałek pola wymaga dodatkowych zabiegów, to przy pomocy dokładnych danych z systemów GPS możliwe jest precyzyjne dawkowanie nawozów czy też herbicydów.

Lotnictwo cywilne

Lotnictwo jest jednym z największych beneficjentów systemu GPS. Precyzyjna nawigacja ułatwiła planowanie i realizację lotów, skróciła czasy podróży i wykluczyła błędy ludzkie powstające przy kreśleniu tras. Pozwoliła również na redukcję kosztów przelotów, a to ma przecież kolosalne znaczenie dla popularyzacji tego środka transportu. Tyczy się to zwłaszcza przelotów nad trudnymi terenami, takimi jak duże akweny morskie. Dzięki GPS możliwe było zmniejszenie separacji pomiędzy poszczególnymi samolotami i tym samym większe „upakowanie” ich na najdogodniejszej a tym samym najekonomiczniejszej trasie. GPS poprawił również takie aspekty lotu jak podejście do lądowania czy też odlot z lotniska.

Żegluga

Skoro było lotnictwo, to musi być też żegluga. W zglobalizowanym świecie morskie szlaki transportowe to życiodajne arterie dla wymiany handlowej. Utrzymanie płynnego i optymalnego kursowania statków jest zatem kluczowe dla zachowania tempa rozwoju współczesnego świata, a do takich celów idealnie sprawdza się system GPS. Podobnie jak w przypadku samolotów, również tutaj wejście i wyjście z portu mogło zostać zoptymalizowane. Podniesiono również wielokrotnie poziom bezpieczeństwa rejsów.

Systemy GPS wykorzystywane są również do optymalizacji połowów oraz do mierzenia pływów morskich. Pomagają również w przewidywaniu i lokalizowaniu niezwykle groźnych fal tsunami.

port żurawie
Systemy GPS usprawniły nie tylko ruch lotniczy, ale również morski.

Transport szynowy i komunikacja miejska

Również ta gałąź przemieszczania dóbr na odległość wykorzystuje systemy GPS. Dzięki niemu kolejarze i zarządcy infrastruktury cały czas mają pełną wiedzą gdzie który pociąg się znajduje i mogą na bieżąco optymalizować ruch na trudnych trasach kolejowych.

W miastach systemy GPS wykorzystywane są choćby w tramwajach i autobusach. Dzięki nim na montowanych wewnątrz wyświetlaczach pasażer widzi swoją aktualną pozycję. Jeśli mieszkamy w danym mieście, jest to ciekawostka i gadżet, ale jeśli jesteśmy nowi… może to ułatwić nam podróżowanie.

Poza wyświetlaniem wewnątrz pojazdów dane te są przekazywane również do centrali i dzięki temu tablice na przystankach mogą precyzyjnie określić, kiedy przyjdzie dany tramwaj lub autobus, a wszystko to dzięki systemowi GPS, który śledzi cały czas każdy pojazd.

Informacje o natężeniu ruchu

Któż z nas nie korzystał z nawigacji w telefonie, która pokazuje natężenie ruchu i najszybszą trasę dojazdu? Usługa ta możliwa jest dzięki systemowi GPS. Poszczególni użytkownicy ruchu mają włączone odbiorniki i nawigując, poruszają się w określonym tempie. Zebrane dane są następnie obrabiane przez odpowiednie algorytmy i na tej podstawie wyliczane są najszybsze trasy. To dzięki GPS Google może nam powiedzieć, że skręcając za chwilę w lewo, zaoszczędzimy 2 minuty.

Dane o natężeniu ruchu pozwalają też odpowiednio reagować służbom, choćby tym drogowym, których nomen omen każdy pojazd ma już zazwyczaj zamontowany system GPS. Dzięki temu doskonale wiadomo, gdzie jest dana pługopiaskarka, wojująca akurat z zimą i czy kierowca akurat ma przerwę na papieroska 😉.

Kartografia z systemem GPS

To, że na naszym smartfonie na wyświetlanej mapie pojawia się konkretny obiekt, wynika również z użycia systemów GPS. Jeśli gdzieś zaznaczony jest na przykład parking, to ktoś najpewniej kiedyś na nim się zatrzymał i zapisał jego koordynaty (lub zobrazowano go ze zdjęć, to alternatywna wersja). Tak m.in. powstają otwarte mapy openstreetmap.org, do których cegiełkę możemy dołożyć wszyscy. Dzięki temu na takiej mapie może znaleźć się cała masa szczegółów i ich ilość zależy tylko od naszej wyobraźni. Później możemy sobie filtrować to, co nawigacja nam wyświetla.

Powyższe to zastosowania dla zwykłego człowieka. Służby ratunkowe w wielu krajach mają natomiast dostęp do precyzyjnie zapisanych danych takich jak choćby rozmieszczenie hydrantów, które dla nas są nieistotne, ale strażakom ułatwiają życie.

Dodatkowo używanie systemu GPS do mapowania terenu jest znacznie szybsze, łatwiejsze i tańsze. Przeszkody terenowe nie są już zawalidrogą i wystarczy, by mieć dobry widok nieba. W połączeniu z sonarem systemy GPS pomagają przygotować odpowiednie mapy morskie ostrzegające kapitanów o niebezpieczeństwach czających się pod lustrem wody.

Czas to pieniądz! System GPS i dokładny czas

Systemy GPS zapewniają również bezpłatny i nieograniczony dostęp do niezwykle precyzyjnych zegarów, które znajdują się na ich pokładach satelitów nawigacyjnych. Sygnał czasu, jakim dysponują, może być następnie transmitowany na ziemię i służyć do synchronizacji i korekty wszystkiego, co wymaga precyzyjnych zegarów.

Tu przydałby się jakiś mocny przykład. Nic prostszego. Na pewno każdego dnia przechodzimy lub przejeżdżamy koło kilku stacji bazowych telefonii komórkowej. Wszystkie one pracują w idealnej harmonii i synchronizacji właśnie dzięki precyzyjnemu czasowi rozprowadzanemu przez satelity systemu GPS. A może dziś skorzystaliśmy z bankomatu? Tam również wykorzystywany jest sygnał GPS po to, by czas transakcji był ujednolicony i jej księgowanie prawidłowe. Przykłady można by mnożyć, ale chyba wiadomo, o co chodzi.

Ochrona przyrody z systemem GPS

Precyzyjna geolokalizacja nałożona na inne gromadzone dane pozwala nam lepiej zrozumieć to, co dzieje się z otaczającą nas przyrodą. Tym samym podejmowane przez nas działania mogą być znacznie skuteczniejsze. GPS to nie tylko działania prewencyjne. W trakcie wielkiego wycieku ropy w Zatoce Meksykańskiej dokładne koordynaty rozlewającej się plamy ropy pozwalały lepiej walczyć ze skutkami tej tragedii i planować z wyprzedzeniem podejmowane kroki. W regionach zagrożonych trzęsieniami ziemi systemy GPS pomagają ustalić narastające w płytach tektonicznych napięcie, co być może przyczyni się z czasem do umiejętności przewidywania kiedy trzęsienia ziemi wystąpią.

Jak wygląda Tesla Semi?
Autonomiczne ciężarówki, również te elektryczne, są coraz bliżej. Źródło: Tesla

Pojazdy autonomiczne

Jeśli komuś marzy się świat jak z Jetsonów, to bez GPS to marzenie się nie spełni. Potrzebujemy idealnego wręcz sygnału z centymetrową precyzją, tak by samochody, które są wpięte w sieć, mogły poruszać się szybko i sprawnie.

Wielkogabarytowy transport dalekobieżny może być pierwszym beneficjentem tego typu rozwiązań i wejść wcześniej do linii niż samochody osobowe. Oczywiście osobówki też są coraz bliżej coraz większej autonomii, a dodatkowo sprzyja im medialny szum i moda. Przemysł robi swoje po cichu.

Oczywiście system GPS będzie jedynie jednym z całego szeregu elementów pojazdów autonomicznych, ale bez niego trudno w ogóle wyobrazić sobie myślenie o takim systemie.

Kierowane przy pomocy systemu GPS Drony

Z dronami wszyscy mniej lub bardziej się już oswoiliśmy. Bzyczy to nad głową, filmuje wesela, robi w reklamie. Ot codzienność. Potrafi jednak wiele więcej. Choćby latać po wyznaczonej trasie, a to przydaje się w tak krytycznej infrastrukturze, jak rurociągi. Ich nadzór jest konieczny, a dzięki dronom poruszającym się zgodnie z wytyczoną przy pomocy precyzyjnych map trasą praca ta przestała być żmudna i czasochłonna. Drony można również wykorzystywać do mapowania terenu i potrafią to zrobić z centymetrową precyzją. Dzięki GPS oczywiście.

Coraz powszechniej testowane są również drony przeznaczone do doręczania paczek. Bez dokładnych systemów GPS i precyzyjnych map powstałych dzięki nim nasz sąsiad mógłby otrzymać z dawna oczekiwaną paczkę. Tego byśmy chcieli uniknąć prawda? Na szczęście GPS we współpracy z innymi systemami będzie czuwał, by do takich błędów nie dochodziło.

helikopter ratunek

Bezpieczeństwo publiczne i misje ratunkowe

Tutaj chyba nie trzeba zbyt wiele tłumaczyć i opisywać. By komuś pomóc, musimy wiedzieć, gdzie on się znajduje. W mieście nie ma z tym większego problemu. Zawsze można podać ulicę, charakterystyczny budynek obok siebie i jakoś służby nad odnajdą. W przypadku terenów niezabudowanych jest znacznie gorzej. Na hasło „złamałem nogę, jestem koło lasku i dużego głazu” nie za bardzo wiadomo, gdzie ruszać z pomocą. Dokładna pozycja uzyskiwana dzięki konstelacjom satelitów systemu GPS pozwala nam wyjść cało z niejednej opresji, zwłaszcza że odpowiednie urządzenia mamy zawsze w kieszeni.

Dane z systemu GPS nałożone na mapy w podczerwieni pomagają również lokalizować zarzewia pożarów, a wszyscy dobrze wiemy, jak katastrofalne skutki mogą one mieć. Jeśli spojrzymy na problem szerzej, to systemy GPS montowane na pojazdach ratowniczych i przenoszone przez samych ratowników pozwalają lepiej koordynować całe akcje ratownicze i zarządzać dostępnymi zasobami. Dowództwo operacji zawsze ma jasny wgląd w sytuację i decyzje mogą być podejmowane znacznie sprawniej. O monitorowaniu furgonetek przewożących gotówkę nawet nie warto pisać.

Kosmos bez GPS jest jak bez ręki

Wydawać by się mogło, że system GPS ułatwia życie jedynie nam, tu na dole, ale nic bardziej mylnego. Konstelacje satelitów systemów nawigacji satelitarnej pozwalają również na ustalanie orbity innych obiektów, ich pozycji i pomagają nakierować je we właściwe miejsce. Gdy wszystko jest już tak jak trzeba, zapewniają kontrolę nad całymi sieciami satelitów, na przykład komunikacyjnych. Satelity zapewniają również dostęp do precyzyjnego czasu, a gdy z ziemi w kosmos leci kolejny ładunek, możliwe jest śledzenie i zarządzanie lotem bezzałogowych pojazdów autonomicznych.

Rekreacja

Zanim powstał system GPS, wypad w teren z samą mapą był czymś znacznie trudniejszym. Niósł za sobą również większe ryzyko utraty zdrowia lub nawet życia. Wyposażeni w przenośne odbiorniki lub nawet w zegarki jesteśmy obecnie w stanie zapuścić się nawet w najgłębszą głuszę i samemu z niej wyjść bez liczenia na wielką akcję poszukiwawczą za miliony złotych. Dzięki GPS zdobywanie przyrody przynajmniej w niektórych aspektach przestało być walką i wyzwaniem, a stało się przyjemnością i okazją do ruchu na świeżym powietrzu.

Sport zawodowy i amatorski

Jak to mówią, sport to zdrowie, a można dopowiedzieć, że sport z GPS to zdrowie z precyzją. Na rynku mamy mnóstwo urządzeń, dzięki którym w dokładny sposób zmierzymy pokonaną odległość i poznamy cały szereg innych danych. Bez latających nad naszymi głowami satelitów tego typu działania nie byłyby możliwe.

Pamiętajmy również o fanach motoryzacji. Dla nich dostępne są bardzo dokładne urządzenia pozwalające mierzyć czas okrążenia czy też przyspieszenie 100-200 (na niemieckiej autostradzie, oczywiście). Na dokładkę mamy również systemy przewidziane dla sportu profesjonalnego. Jeszcze dokładniejsze i zapewniające widzom większą dawkę informacji na temat odbywających się zawodów.

Sami zaś sportowcy mogą dzięki systemowi GPS dodatkowo udoskonalić swój trening, ale z tym lepiej uważać, by nie skończyć jak Amerykanie. Ich jednostki specjalne trenowały przy pomocy takich urządzeń w tajnej bazie, a że informacje geolokalizacyjne były udostępniane… to baza przestała być tajna. 😉

Podsumowanie

Pomimo tego, że tekst wyszedł nam sążnisty, to ledwie dotknęliśmy tematu, ale konkluzja może być jednak  tylko jedna. Bez systemu GPS ani rusz. Gdyby w jakiś sposób doszło do globalnej awarii wszystkich systemów nawigacji satelitarnej, świat niemal stanąłby w miejscu. Spowolnienie byłoby ogromne. Wszystkie te większe i mniejsze zastosowania systemów GPS wyszłyby natychmiast na jaw i trudno dziś spodziewać się szybkiego przestawienia całych gospodarek. Właśnie z tego powodu w nawigacji króluje redundancja i stałe powiększanie i polepszanie możliwości. Ciekawe co przyniesie nam przyszłość.

Źródła:
  • http://www.kt.agh.edu.pl/~brus/satelity/navi.html
  • https://geoforum.pl/gnss/gps
  • https://www.popularmechanics.com/technology/gadgets/a26980/why-the-military-released-gps-to-the-public/
  • https://www.youtube.com/watch?v=ozAPGnr-934
  • https://www.nasa.gov/feature/jpl/what-is-an-atomic-clock/
  • https://www.gps.gov/applications/timing/
  • https://www.fuw.edu.pl/~dragan/Fizyka/Nstw.pdf
  • https://www.spaceforce.mil/About-Us/Fact-Sheets/Article/2197765/global-positioning-system/
  • https://www.lockheedmartin.com/en-us/products/gps.html
  • https://www.navcen.uscg.gov/?Do=constellationStatus
  • https://www.wired.co.uk/article/black-sea-ship-hacking-russia
  • https://www.newscientist.com/article/2143499-ships-fooled-in-gps-spoofing-attack-suggest-russian-cyberweapon/
  • https://foreignpolicy.com/2019/04/03/russia-is-tricking-gps-to-protect-putin/
  • https://www.popularmechanics.com/military/weapons/a28250133/russia-gps-signals-israel/
  • http://poznan.cdr.gov.pl/normatywy/public/pdf/13_35.pdf
  • https://www.glonass-iac.ru/en/
  • https://www.transportation.gov/pnt/what-positioning-navigation-and-timing-pnt
  • http://en.beidou.gov.cn/SYSTEMS/System/
  • https://www.forbes.com/sites/ramseyfaragher/2020/08/01/chinas-homegrown-gps-is-now-fully-operational/
  • https://nation.time.com/2012/05/21/how-much-does-gps-cost/
  • https://www.esa.int/Applications/Navigation/Galileo
  • https://www.gsc-europa.eu/
  • https://qzss.go.jp/en/overview/services/sv01_what.html
  • https://www.newscientist.com/article/dn9456-gps-can-help-give-early-warning-of-tsunamis/
  • https://www.c4isrnet.com/battlefield-tech/2021/03/18/israel-starts-research-center-for-gps-free-navigation/
  • https://www.forbes.com/sites/stevebanker/2021/05/11/the-autonomous-truck-revolution-is-right-around-the-corner/
  • https://medium.com/dronamaps/81-villages-in-21-days-pipeline-survey-with-drones-5431be9e5576
  • https://www.flightglobal.com/defence/honeywell-pushes-development-of-alternatives-to-gps/143377.article
  • https://www.ion.org/jnc/abstracts.cfm?paperID=10219
  • https://www.euspa.europa.eu/european-space/eu-space-programme/what-gnss
  • https://gssc.esa.int/navipedia/index.php/WAAS_Space_Segment
  • https://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/ato/service_units/techops/navservices/gnss/waas/
  • https://www.isro.gov.in/irnss-programme
  • https://zentrale-stelle-sapos.de/dienste-anwendungen-alternativ/
  • https://www.deere.pl/pl/rozwi%C4%85zania-rolnictwa-precyzyjnego/odbiornik-i-wy%C5%9Bwietlacze/odbiornik-starFire-6000/
  • https://www.theguardian.com/world/2018/jan/28/fitness-tracking-app-gives-away-location-of-secret-us-army-bases
  • https://www.dailymail.co.uk/news/article-9516893/US-special-forces-tracked-missions-Syria-commercially-available-phone-data.html