GPS

GPS (inglise Global Positioning System, pikem lühend NAVSTAR GPS) on ülemaailmne asukohamääramise süsteem.

Selle süsteemi lõi Ameerika Ühendriikide Kaitseministeerium 1995. aastal. GPS on üks GNSS-i (Global Navigation Satellite System) liike ja 2009. aasta alguse seisuga ainuke täisfunktsionaalne GNSS. GPS-il on 2009. a seisuga kasutusel kuni 32 satelliiti 20 200 km kõrgustel orbiitidel.

Teised GNSS-id

• Nüüdseks Venemaa ja India koostööna arendatav GLONASS, mille jaoks oli veebruaris 2009 20 satelliiti 19 100 km kõrgustel orbiitidel, kokku peab tulema 24 satelliiti.
• Euroopa Liidu ja Euroopa Kosmoseagentuuri arendatav GALILEO, mis peaks töökorda saama 2013. aastal. Selle jaoks on 30 satelliiti 23 222 km kõrgustel orbiitidel.
• Hiina arendatav Compass, mille töökorda saamise aeg on teadmata. Selle jaoks on plaanitud 30 satelliiti 21 150 km kõrgustel orbiitidel ja 5 geostatsionaarsetel orbiitidel 35 786 km kõrgusel.
• Lisaks neile arendab India eraldi regionaalset satelliitsüsteemi IRNSS, mille jaoks on kokku 7 satelliiti, neist 3 geostatsionaarsel orbiidil, ja see peaks tööle hakkama 2012. aastal ning see kataks India ja India ookeani.
• Regionaalne GPS-i täiendamiseks mõeldud satelliitsüsteem on arendamisel Jaapanis. See on töökorras eeldatavalt 2013. aastal ja koosneb 3 satelliidist.

GNSS-i nimetusest olenemata koosnevad need kõik kolmest segmendist:

• kosmosesegment (satelliidid),
• kontrollsegment (maapealsed kontrolljaamad),
• kasutaja segment (vastuvõtjad).

Lihtsustatud tööpõhimõte

GPS vastuvõtja arvutab asukoha, kasutades enda ja nelja või rohkema satelliidi vahelist kaugust. Kaugused omakorda leitakse, võrreldes satelliitide ja vastuvõtjate genereeritud kodeeritud signaalide täpseid algus- ja lõppaegu. Nii satelliidid kui ka vastuvõtjad genereerivad täpselt ühel ajal identselt kodeeritud signaale. Kui vastuvõtja püüab satelliidi signaali kinni, siis ta otsib kodeeringu (Pseudo Random Code) järgi üles signaali alguse ja lõpu ning võrdleb neid aegu enda tekitatud signaali algus- ja lõppajaga – nii saab kätte ajanihke, mis signaalil kulus satelliidilt vastuvõtjani jõudmiseks, eeldatavalt valguse kiirusel, ja sealt siis saab ka kauguse.

GPS kasutab signaalide saatmiseks kaht sagedust: L1 (1575,42 MHz) ja L2 (122,60 MHz ). Seoses GPS-i moderniseerimisega on tulemas ka uus sagedus L5 (1176,45 MHz ). L1 on moduleeritud nn C/A koodiga (Coarse acquisition) ja P koodiga (Precise). L2 kannab ainult P koodi.

Need koodid on iga satelliidi kohta veidi erinevad, see annab vastuvõtjale võimaluse satelliitidel vahet teha, kuna vastuvõtja teab, milliseid koode mingi satelliit väljastab.

Lisaks saadavad satelliidid välja ka infot enda kohta: almanac, mis sisaldab kellaaega (UTC aeg), infot oma korrasoleku kohta ja jämedalt orbiidi andmeid ning ephemeris-t, mis sisaldab täpseid orbiidi andmed.

Maapealsed kontrolljaamad monitoorivad pidevalt satelliite, uuendavad neid andmeid regulaarselt (ephemeris uueneb iga 2 tunni tagant) ning vajadusel ka korrigeerivad satelliitide orbiite. Kui vastuvõtja teab oma kaugust vähemalt kolmest satelliidist, arvutab ta oma asukoha, kasutades trilateratsiooni meetodit (vähemalt kolme satelliiti on vaja, et määrata oma asukoht tasapinnal (pikkus- ja laiuskraad), neljas satelliit annab võimaluse määrata ka kõrguse merepinnast ning leida vastuvõtja kella vigu. Asukoht arvutatakse WGS-84 koordinaatsüsteemis (laiused ja pikkused), selleks on vaja veel teada täpseid satelliitide asukohti samas süsteemis – need saabki ephemeris-est.

Lisaks koodidele saab satelliidi ja vastuvõtja vahelist kaugust mõõta ka signaali lainepikkustes (Carrier Phase). Kui C/A koodi kasutamisel on teoreetiliseks asukoha määramise täpsuseks 3 m ja P koodi puhul 0,3 m, siis signaali lainepikkustega kaugusi mõõtes on võimalik saavutada täpsuseks 2 mm. See tehnika eeldab vastavaid kõrgema (geodeetilise) klassi GPS vastuvõtjaid.

GPS-i mõjutavad vead

• 1. Vastuvõtja kella ebatäpsused. Need mõjutavad signaali levimiseks kuluva aja määramist ja seega kauguste määramist satelliitideni. Seda viga saab vähendada vastuvõtjates täpsemaid kelli kasutades. Küll aga jääb alles absoluutne ajavahe määramise viga, mis on tingitud C/A ja P koodi täpsusest ning on esimesel juhul 3 m ja teisel 0,3 m. Sellest aitab üle saada ainult lainepikkuste (Carrier Phase) kasutamine ajavahemiku määramisel.
• 2. Atmosfääriefektid, mis on tingitud ionosfääri ja troposfääri ebaühtlustest. Need mõjutavad signaali levikiirust, s.t signaal ei levi täpselt valguse kiirusel ja valguse kiiruse alusel arvutatud kaugused on ebatäpsed. Neid vigu saab märgatavalt vähendada kahesageduslikke vastuvõtjaid kasutades (L1 ja L2), kuna eri sagedustel on atmosfääriefektide mõju veidi erinev ja seda saab hinnata ning vastavalt kauguste määramist korrigeerida.

Samuti aitab võrdlemine tuntud punktides asuvate GPS vastuvõtjate andmetega ja vastavate korrektsioonide sisseviimine satelliitide kaugustesse. Neid korrektsioone edastatakse kas üle spetsiaalsete satelliitide: WAAS (Põhja-Ameerika ja Havai), EGNOS (Euroopa ja Aasia), OMNISTAR (kogu planeet), MSAS (Jaapan) või spetsiaalsete raadiosaatjate kaudu (DGPS e Diferentsiaal GPS).

• 3. Signaali peegeldustest vastuvõtjat ümbritsevatest objektidest tingitud vead (multipath). Need mõjutavad ajavahemiku ja seega kauguste määramist ning neid vähendatakse spetsiaalsete tarkvaraliste filtrite abil või spetsiaalsete antennidega (Choke-Ring). Liikuvate vastuvõtjate puhul on see efekt märgatavalt väiksem kui staatiliste korral. Seega, mida kaugemal on GPS-i antenn igasugustest nähtavust blokeerivatest või muidu signaali levikut mõjutavatest objektidest, seda parem.
• 4. Satelliitide orbiitide (ephemeris) ja kellade ebatäpsused. Esimene põhjustab satelliidi asukoha ebatäpsusi WGS-84 koordinaatsüsteemis ja see kandub üle ka vastuvõtjale ning teine mõjutab satelliitide kauguste hindamist. Ka siin aitab DGPS-i kasutamine, kuna lähedases piirkonnas (mõnesaja kilomeetri raadiuses) on need vead korrigeeritavad, kõrvutades samaaegselt töötavate vastuvõtjate andmeid, kui neist üks või mitu asuvad tuntud punktides.

Reaalaja Kinemaatiline GPS

DGPS-i erijuhuks võib nimetada ka Reaalaja Kinemaatilist GPS-i (RTK), mille puhul kasutatakse satelliitide kauguste määramiseks ja ka korrektsioonideks signaali lainepikkusi. Üldjuhul kasutatakse üht baas- ja mitut liikuvat jaama ning korrektsioone edastatakse raadiosaatjate, GSM-i või Interneti abil. On võimalik kasutada ka mitut baasjaama eraldi ning võrguna (Network RTK). Viimase tuntumad meetodid on virtuaalne referentsjaam (VRS) ja pea ning abijaamade meetod (MAC e Master Auxiliary Concept).

Esimesel juhul arvutatakse paljude baasjaamade parandite alusel liikuva GPS-i lähedale uus nn virtuaalne jaam ja edastatakse korrektsioonid selle põhjal. Teisel juhul edastatakse ühe nn peajaama parandid, mida on toetatud teiste võrgus olevate jaamade e abijaamade paranditega. VRS-i puhul peab kommunikatsioon RTK võrgu ja liikuva GPS-i vahel olema kahepoolne, kuna virtuaalse jaama genereerimiseks on vaja esmalt teada liikuva GPS-i ligikaudset asukohta. MAC-i puhul pole seda aga tarvis ja kommunikatsioon võib olla ühepoolne, s.t liikuv GPS võtab ainult parandeid vastu.

RTK täpsus võib olla 1 cm horisontaalselt ja 2 cm vertikaalselt, aga see sõltub muidugi baasjaama(de) asukoha täpsusest ja samuti kaugusest baasjaamast. Viimast omakorda mõjutab kasutatav korrektsioonide edastusviis (UHF saatjate puhul on kaugus tavaliselt kuni 30—40 km), aga ka asjaolu, et mida kaugemal baasjaamast, seda ebatäpsemad on korrektsioonid liikuva jaama suhtes, kuna töötingimused (eelkõige atmosfäärinähtused) ei pruugi täpselt samad olla.

RTK võrgulahenduste täpsus on sama, kuid usaldusväärsus ja töökindlus on kõrgem kui ühe baasjaamaga RTK. Samuti saab RTK võrku kasutada märksa suuremate vahemaadega baasjaamade ja liikuva GPS-i vahel (kuni 70 km). Muidugi loeb ka siin väga palju kasutusel olev sidevahend.

Kasutusvaldkonnad

GPS-i kasutatakse üksi või koos teiste GNSS-idega (GLONASS, varsti ka GALILEO) praktiliselt igal pool, kus on vaja määrata mingeid asukohti. Kasutusvaldkonnad ulatuvad seenelisele sobivast tasku-GPS-ist kuni ballistiliste rakettide sihtmärgile juhatamiseni. GPS vastuvõtja valik sõltub vajalikust tegevusalast ja ulatub alates lihtsatest L1 vastuvõtjatest, mida kasutatakse näiteks mobiiltelefonides, kuni väga kallite L1/L2 GPS/GLONASS/GALILEO RTK vastuvõtjateni, mida kasutatakse geodeetilistel töödel. Samuti on GPS-id laialdaselt kasutusel ajamääranguteks (Time server).

Vaata ka

GPS-seade

Autor: Peeter Väling