A földrajzi helyzet meghatározása az emberiség történetében mindig fontos szerepet játszott. A technika és a technológia fejlődésével a különböző korokban a helymeghatározás pontossága egyre javult. A XX. század elején a rádió iránymérés technológiája, majd az 1950-es években a műholdas technológia megjelenése a helymeghatározásban is új lehetőségeket teremtett.
1972-ben az Amerikai Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma (US. Department of Defense, röviden DoD) kezdeményezte egy új, műholdas technológián alapuló helymeghatározási rendszer fejlesztését. Az új rendszer 1973-ban a NAVSTAR GPS nevet kapta (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System, Globális helymeghatározó rendszer navigációs műholdakkal idő- és távolságmeghatározás útján).
A rendszerrel szemben támasztott legfontosabb követelmények, hogy a földön bárhol, bármikor, bármilyen időjárási körülmények között gyorsan, pontosan meghatározható legyen a pillanatnyi tartózkodási hely, a sebesség, és a pontos idő. A NAVSTAR GPS rendszer 1990-ben kezdte működését, a teljes kiépítés 1994-re történt meg.
A GPS rendszerben a Föld körüli pályán keringő műholdak rádiójeleket sugároznak a Föld felszíne felé, ezen jelekből a GPS vevőkészülékek meghatározzák a földrajzi helyzetüket. A rendszerben a műholdak aktívak, a vevőkészülékek passzívak, szükséges továbbá, hogy a vevőkészülékek lássák a műholdakat, ezért csak a szabadban lehet használni a vevőket.
A GPS rendszer az ún. űrszegmensből, a vezérlő szegmensből és a felhasználói szegmensből áll.
Az űrszegmens a Föld körül keringő műholdakat jelenti. A NAVSTAR rendszerben legalább 24 műhold működik, amelyek 20.200 km magasságban minden nap kétszer kerülik meg a Földet (a keringési idő pontosan 11óra 58perc). Ez a konstelláció biztosítja, hogy a felhasználók 5-11 műholdat mindig láthatnak a Föld bármelyik pontjáról. A műholdak hat pályasíkon keringenek, amelyek egymáshoz képest 60 fokkal vannak elforgatva. Minden pályasíkon négy műhold kering, az egyenlítőhöz viszonyított pályaelhajlásuk 55°. A kísérleti műholdak után 1978 és 1985 között 11 darab Block-I típusú műholdat bocsátottak fel, ezek tervezett élettartama 4,5év volt, majd 1989. február és 1990 októbere között a már továbbfejlesztett Block–II típusokból 9 darabot állítottak Föld körüli pályára, ezzel a GPS rendszer használata elkezdődhetett. A későbbiekben is biztosítani kellett az elhasználódott műholdak pótlását. A pótlások egyben biztosították a folyamatos fejlesztés lehetőségét, az újabb generációs műholdak újabb szolgáltatásokkal bővítették a rendszert, valamint a kikapcsolt műholdak tartalékként egy ideig rendelkezésre álltak (jelenleg 32 műhold kering ebből 30 aktív). A műholdak elnevezése a fejlesztésekkel folyamatosan változott, a későbbiekben Block-IIA, Block-IIR, Block-IIRM típusúak kerültek a rendszerbe.
A vezérlő szegmensnek azt a földi követő hálózatot nevezik, melynek feladata a műholdak működésének folyamatos figyelése, állapotának ellenőrzése, a műholdak pályaadatainak folyamatos mérése, a műholdon tárolt adatok frissítése, a műhold fedélzeti óráinak szinkronizálása, a műholdon tárolt navigációs üzenettár frissítése, a helymeghatározáshoz szükséges korrekciós adatok (időjárási adatok, a légkör és az ionoszféra állapotjellemzői) gyűjtése és továbbítása a műholdak felé.
A földi követő hálózat öt vezérlő- és monitorállomásból áll, melyek az egyenlítő közelében találhatók a következő helyeken: Hawaii, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein, Colorado Springs, ez utóbbi a vezérlő központ. A követő állomások rendszerét az USA Védelmi Minisztériuma működteti.
Tervezik újabb 6 követőállomás kiépítését, mellyel 10-15%-kal javulni fog a helymeghatározás pontossága.
A felhasználói szegmens a GPS vevőt használók széles tábora. A rendszert alapvetően katonai célra fejlesztették és használják, de az űrkutatástól a járműnavigációig, a mezőgazdasági alkalmazásoktól a katasztrófavédelemig egyre több alkalmazás támaszkodik e technika nyújtotta szolgáltatásokra.
Az Egyesült Államok NAVSTAR GPS rendszere mellett Oroszország is elkészítette a saját műholdas helymeghatározó rendszerét, melynek neve Glonass (GLObalnaja NAvigacionnaja SZputnyikovaja SZisztyema). Az első Glonass műholdat 1982 októberében lőtték fel. A teljes kiépítésben a 24 darab műhold 19.100 km-es magasságban, három pályasíkon kering, melyek 120º-os szöget zárnak be egymással. A pályánként 8 műhold egyenlő távolságra van egymástól. A kezdetekben a fejlesztés lassan haladt, de az elmúlt években felgyorsult és egyre több műholdat állítottak rendszerbe, 2009-re várható a teljes kiépítés. Több GPS vevőkészülék-gyártó új modelljei már mind a két GPS rendszer jeleinek vételére alkalmasak.
A Galileo GPS rendszer fejlesztését az Európai Unió kezdeményezte, fő oka volt, hogy a Pentagon nem vállal semmiféle garanciát a szolgáltatás folyamatos biztosítására, emiatt egy konfliktus esetén csökkentheti vagy akár meg is szüntetheti a GPS polgári használatát. Cél volt továbbá a katonaságtól független, polgári ellenőrzésű rendszer fejlesztése is. Az EU 2002 márciusában fogadta el a sok milliárd eurós projectet, melynek fejlesztése lassan halad. A rendszer 27 működő és 3 tartalék műholdból fog állni, melyek 23.600 kilométeres magasságban keringenek majd a Föld körül, a GPS rendszer pontossága egy méteren belül lesz. Az első tesztműholdat a GIOVE-A-t 2005. decemberében, a másodikat, a GIOVE-B-t 2008. április végén állították Föld körüli pályára. A teljes kiépítettség 2013-ra várható. E három GPS rendszert nevezik GNSS rendszereknek is (az angol Global Navigational Satellite System-globális navigációs műholdrendszer kifejezés rövidítéséből).
Tekintsük át, hogyan működik a GPS, milyen módon történik a pozíció meghatározása.
A mérés alapja a távolságmérés, a műhold és a vevő közötti távolság s, [m] meghatározása indirekt módon, időmérésre visszavezetve történik. A rádióhullámok terjedési idejének t [s] és a rádióhullám terjedési sebességének – a fénysebességnek v=3*108m/s – ismeretében a távolság meghatározható:
Tehát a műholdak által sugárzott jelek alapján a GPS vevő meghatározza a műholdak helyzetét, az elektromágneses hullámok terjedési sebessége és a rádiójelnek a műhold-vevőkészülék közötti megmért futási idő alapján a műholdak távolsága meghatározható.
Három darab műhold-vevő távolság kiszámítása után a felhasználó helyzetét a műholdak köré rajzolt gömbök metszéspontjának kiszámításával lehet meghatározni. Mivel a futási időt pontosan kell mérni, az idő szinkronizálásához szükséges a negyedik műhold jeleinek vétele is, emiatt a GPS pozíció meghatározásához legalább négy műhold egyidejű észlelése szükséges. A távolságmérés pontossága az időmérés pontosságától függ, ezért a műholdakon nagy pontosságú atomórákat helyeznek el.
A műholdak a jeleket két frekvencián sugározzák, az L1= 1575,42 MHz (hullámhossza λ1=19,03cm), és az L2= 1227,60 MHz-es (hullámhossza λ2=24,42cm) frekvenciákon. Mindkét vivőfrekvencia több információt is hordoz. A polgári használatra az ún. C/A kódot (Course Acquisition-durva adatnyerés, vagy használják még a Clear Access-szabad elérés szavakat is), míg a katonai használatra a P-kódot (Protected-védett, más szerzők szerint Precise-pontos) modulálják a vivőfrekvenciákra. A „P”-kód nem nyilvános, a hadsereg használja, elérhetőségét a Precise Positioning Service (PPS) szolgáltatás tartalmazza, itt a helyzetmeghatározás pontossága 1-10m. A „C/A”-kód mindenki számára szabadon hozzáférhető, leírását a Standard Positioning Service (SPS) szolgáltatás tartalmazza, a kódmérés pontossága: 15-30m. A kereskedelmi forgalomba kerülő, polgári használatú GPS vevők (használatos még a navigációs vevők kifejezés is) a C/A kód vételét biztosítják. A műholdak mindkét frekvencián sugározzák még az ún. „almanach”-ot, azaz a navigációs üzeneteteket, melyek a műholdak fedélzeti pályaadatait (Broadcast Ephemeris) és a korrekciókat tartalmazzák. Minden gyártó köteles, az általa gyártott GPS vevő minden csatornájába beépíteni egy ún. Auxiliary Output Chipet (AOC), mely 18288m magasság, és 515m/s sebesség felett letiltja a GPS vevő adatainak továbbítását, tehát a GPS vevő kimenetén nem jelennek meg a navigációs adatok.
A GPS rendszer „túl jól sikerült”, ezért az első Öböl háború idején, 1990. március 26-án a Pentagon bevezette az ún. korlátozott hozzáférést (Selective Available (SA)), ami a rendszer pontosságának mesterséges rontását jelentette. A műholdak által a sugárzott pályaelemeket és idő-információt elrontották, emiatt a helymeghatározás pontossága C/A-kódú vevőknél 100-150 méter körülire romlott. Az S/A-t 2000. május 1-én kapcsolták ki.
A kódmérés mellett a drágább kategóriájú vevők a két vivőfrekvenciának a fázisát is mérik, ezáltal pontosabb helymeghatározás valósítható meg.
A helymeghatározás pontosságát befolyásoló tényezők
Tekintsük át hogy milyen tényezők befolyásolják helymeghatározás pontosságát. A műholdak pálya- és időadatainak hibája rontja a pontosságot, amelyet a monitor állomások ellenőriznek és korrigálnak. A következő hibaforrást a műholdakról érkező rádiójelek ionoszférán történő áthaladása okozza, mert az ionoszféra állapota befolyásolja a jelek terjedési sebességet. Az ionoszféra állapota függ a napszaktól, évszaktól, napfolttevékenységtől (11 évenkénti maximumokkal). A hibás időmérés okozza a legnagyobb pontatlanságot, mivel a vevőkészülékekben kvarc-oszcillátorokat (órákat) használnak. Növeli a pontatlanságot az is, hogy a GPS jelek nem csak közvetlenül a műholdról, de a különböző tereptárgyakról visszaverődve is érkezhetnek a vevőkészülékbe, amit többutas (multipath) terjedésnek nevezünk. Mivel a visszavert jel hosszabb utat tesz meg mint a közvetlenül érkező, ez szabályos hibát eredményez. Hibát okozott a már emlitett szelektív hozzáférés (S/A) bevezetése, melyet szerencsére már nem alkalmaznak, továbbá a műholdak geometriai elhelyezkedése, melyet a szakirodalom GDOP értékkel jelöl (Geometric Dilution of Precision, geometriai pontosság hígulás).
Ennek lényege, hogy ha a műholdak túl közel vannak egymáshoz, akkor a mérés bizonytalansága nagyobb, ezért jobb, ha a nagyobb térben láthatók a műholdak. A GDOP mellett létezik a PDOP, HDOP, VDOP, TDOP érték, ezeknek minél kisebb az értékük a mérés pontossága annál jobb.
A GPS vevőkkel elérhető pontosság sok esetben nem volt elegendő, ezért már a 90-es évek elejétől felmerült a pontosság növelésének igénye. A geodéziai méréseknél pl. a GPS vevővel hosszú ideig észleltek egy helyen, majd a gyűjtött adatokat utófeldolgozták (post-processing), aminek során a pontos műholdas pályaadatok, a hullámterjedéssel kapcsolatos korrekciós adatok ismeretében növelni lehetett a helymeghatározás pontosságát. Pontosabb mérést tesz lehetővé a mindkét frekvencián történő mérés is, ezzel a technikával az ionoszféra által okozott hullámterjedési késleltetés küszöbölhető ki.
Ezen technikák alkalmazása azonban igen drága volt és professzionális eszközök használatát feltételezte. A megoldást a differenciális helymeghatározási módszer adta. A DGPS technika a helymeghatározás pontosságát azáltal növeli, hogy a felhasználó vevője által számított pozíciót egy ismert helyzetű referencia-vevőkészülék helyzetéhez viszonyítva számoljuk. A gyakorlatban ez úgy működik, hogy egy ismert koordinátájú pontra helyezünk egy ún. bázisállomást (más néven referenciaállomást) és mivel a bázisállomás földrajzi helyzete pontosan ismert, a bázisállomás koordinátáit a GPS vevőnek is megadjuk. A felhasználónál működik a másik vevő, melyet rover-nek neveznek. Amennyiben a két vevő között a távolság rövid (40-50km), mindkét vevő ugyanazon műholdak jeleit veszi, és ennek alapján mindkét vevő folyamatosan meghatározza saját pozícióját. A referenciaállomás (bázisállomás) vevőkészüléke a meghatározott pozíció adatai és az általunk magadott ismert koordináta adataiból kiszámolja, hogy mekkora az eltérés az ismert és a számolt koordináta között, ezt a mérési hibát egy külön rádiócsatornán keresztül folyamatosan küldi a rover vevőnek. A rover vevő a pozíció meghatározásánál a műholdas jelek mellett a bázis vevő által küldött korrekciós adatokat is figyelembe veszi. (real-time DGPS).
A differenciális technika használatával a mérési pontosság egy nagyságrenddel növelhető. Természetesen itt is használható az utófeldolgozás technikája. A DGPS módszer hátránya, hogy két GPS vevő szükséges hozzá, ezért több országban építettek ki korrekciós rendszereket. Több műszaki megoldás is született, melyeket kiegészítő rendszereknek nevezünk. Ezek lehetnek műholdas alapúak (SBAS: Satellite Based Augmentation Service), vagy pedig földi telepítésű kiegészítő rendszerek (GBAS: Ground Based Augmentation System). A műholdas alapú kiegészítő rendszereknél a korrekciós jeleket geostacionárius pályán keringő műholdak sugározzák, amerikában WAAS, Európában EGNOS, Japánban MTSAT elnevezéssel. A hazánkban vehető EGNOS-t (European Geostationary Navigation Overlay Service) az ESA (European Space Agency- Európai Űrkutatási Ügynökség), az EC (European Commission) és az Eurocontrol (European Organisation for the Safety of Air Navigation) közösen üzemeltetik. A teljes Európa lefedésére két Inmarsat, (INternational MARitime SATellite Organisation) műholdat használnak. Az egyik az Atlanti Óceán, a másik az Indiai Óceán felett helyezkedik el. Az EGNOS rendszer egy harmadik műholdat is tartalmaz, neve Artemis és a két Inmarsat műhold között geostacionárius pályán biztosítja a kommunikációt.
Az EGNOS szolgáltatása ingyenes, de a jelek fogadására és feldolgozására erre alkalmas vevő szükséges, a helymeghatározás pontossága az EGNOS korrekciók alkalmazásával jobb, mint 5m. Manapság a kereskedelemben kapható vevőkészülékek többsége alkalmas az EGNOS vételére. Léteznek pontosabb szolgáltatást nyújtó SBAS rendszerek is, ezekre azonban elő kell fizetni, és megfelelő vevőkészülék is szükséges hozzájuk. Európában az OmniStar rendszere biztosítja az 1m-nél pontosabb valós idejű (real-time) helymeghatározást.
Hazánkban a Földmérési és Távérzékelési Intézet (FÖMI) 2000-től fejleszti a hazai országos földi telepítésű kiegészítő rendszert (GBAS). A szolgáltatás a leírása megtekinthető a www.gpsnet.hu internet oldalon. A rendszer lényege, hogy a cm pontos helymeghatározáshoz 60-70 km-ként fel kell állítani egy-egy referenciaállomást, (folyamatosan üzemelő permanens állomást). Kétféle szolgáltatás fizethető elő. Az egyik az utófeldolgozáshoz szükséges adatok letöltése, a másik a real-time méréshez korrekciós jelek NTRIP technológiával történő vétele. A GPS-NET permanens állomásainak elhelyezkedése Magyarországon.
Összefoglaljuk milyen mérési módszer alapján működhetnek a vevők. A GPS vevők működhetnek úgy, hogy a kódot használják a helymeghatározásra, és úgy, hogy kód- és fázismérést használnak. A mérés történhet abszulút, vagy relatív helymeghatározási üzemmódban, statikusan, vagy mozgás közben (kinematikus mérés), az eredmények rendelkezésre állhatnak valós időben (real-time) vagy utófeldolgozás (post-processing) során.
A vevőkészülékek nagy része csak a C/A kód alapján határozza meg a pozíciót, ez röviden a kódmérésen alapuló helymeghatározás. A vevők kisebb része a kód mellett méri vagy az L1, vagy mindkét vivő (L1+L2) fázisát is. Ezt nevezzük fázismérésnek. A centiméteres pontosságú vevőknél a fázist is kell mérni.
Abszulút üzemmódban mér a vevő, amikor csak a navigációs műholdak jeleiből számol pozíciót. Kódmérést használó vevőknél ekkor a pontosság 5-25m. A pontosságot javíthatjuk a relatív mérési módszerrel. A kódvevőknél a differenciális technikát DGPS-nek, a fázisvevőknél RTK-nak hívják. (real-time kinematic)
Statikus mérésnél a vevő az észlelés teljes ideje alatt helyben marad, általában a mérési eredmények átlagát képezik.
Kinematikus módszernél a vevőkészülék folyamatosan mozog, például a járműnavigációnál.
Valós idejű (real-time) az adatfeldolgozás, akkor, ha méréskor rendelkezésre áll a pozíció. Utófeldolgozásnál (post-processing) méréskor csak rögzítjük az adatokat, majd egy későbbi időpontban vagy letöltjük pl. a GPSNET hálózatról a permanens állomások által gyűjtött adatokat, vagy a saját bázisállomásunk adatait felhasználva dolgozzuk fel a rover által gyűjtött adatokat.
A GPS vevőkészülékeket többféleképpen csoportosíthatjuk. Egyik szempont lehet a pontosság. Az L1 frekvenciát, és C/A kódmérést használó készülékeket navigációs vevőknek hívják. Ezek legtöbbje ma már képes az EGNOS korrekciók vételére. Áruk néhány tízezer forint. Pontosságuk EGNOS korrekcióval 5m, vagy ettől jobb. Az egy m-en belüli vevők már mérik a vivők fázisát is, továbbá DGPS korrekciók vételére is fel vannak készítve. Térinformatikai célokra használják. A geodéziai vevőket professzionális célokra használják pontosságuk 1-2cm, mindkét frekvencián mérik a kódot és a fázist. RTK-üzemmódra és utófeldolgozásra egyaránt alkalmasak.
A rendszerrel szemben támasztott legfontosabb követelmények, hogy a földön bárhol, bármikor, bármilyen időjárási körülmények között gyorsan, pontosan meghatározható legyen a pillanatnyi tartózkodási hely, a sebesség, és a pontos idő. A NAVSTAR GPS rendszer 1990-ben kezdte működését, a teljes kiépítés 1994-re történt meg.
A GPS rendszerben a Föld körüli pályán keringő műholdak rádiójeleket sugároznak a Föld felszíne felé, ezen jelekből a GPS vevőkészülékek meghatározzák a földrajzi helyzetüket. A rendszerben a műholdak aktívak, a vevőkészülékek passzívak, szükséges továbbá, hogy a vevőkészülékek lássák a műholdakat, ezért csak a szabadban lehet használni a vevőket.
A NAVSTAR GPS rendszer részei
A GPS rendszer az ún. űrszegmensből, a vezérlő szegmensből és a felhasználói szegmensből áll.
Az űrszegmens a Föld körül keringő műholdakat jelenti. A NAVSTAR rendszerben legalább 24 műhold működik, amelyek 20.200 km magasságban minden nap kétszer kerülik meg a Földet (a keringési idő pontosan 11óra 58perc). Ez a konstelláció biztosítja, hogy a felhasználók 5-11 műholdat mindig láthatnak a Föld bármelyik pontjáról. A műholdak hat pályasíkon keringenek, amelyek egymáshoz képest 60 fokkal vannak elforgatva. Minden pályasíkon négy műhold kering, az egyenlítőhöz viszonyított pályaelhajlásuk 55°. A kísérleti műholdak után 1978 és 1985 között 11 darab Block-I típusú műholdat bocsátottak fel, ezek tervezett élettartama 4,5év volt, majd 1989. február és 1990 októbere között a már továbbfejlesztett Block–II típusokból 9 darabot állítottak Föld körüli pályára, ezzel a GPS rendszer használata elkezdődhetett. A későbbiekben is biztosítani kellett az elhasználódott műholdak pótlását. A pótlások egyben biztosították a folyamatos fejlesztés lehetőségét, az újabb generációs műholdak újabb szolgáltatásokkal bővítették a rendszert, valamint a kikapcsolt műholdak tartalékként egy ideig rendelkezésre álltak (jelenleg 32 műhold kering ebből 30 aktív). A műholdak elnevezése a fejlesztésekkel folyamatosan változott, a későbbiekben Block-IIA, Block-IIR, Block-IIRM típusúak kerültek a rendszerbe.
A vezérlő szegmensnek azt a földi követő hálózatot nevezik, melynek feladata a műholdak működésének folyamatos figyelése, állapotának ellenőrzése, a műholdak pályaadatainak folyamatos mérése, a műholdon tárolt adatok frissítése, a műhold fedélzeti óráinak szinkronizálása, a műholdon tárolt navigációs üzenettár frissítése, a helymeghatározáshoz szükséges korrekciós adatok (időjárási adatok, a légkör és az ionoszféra állapotjellemzői) gyűjtése és továbbítása a műholdak felé.
A földi követő hálózat öt vezérlő- és monitorállomásból áll, melyek az egyenlítő közelében találhatók a következő helyeken: Hawaii, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein, Colorado Springs, ez utóbbi a vezérlő központ. A követő állomások rendszerét az USA Védelmi Minisztériuma működteti.
Tervezik újabb 6 követőállomás kiépítését, mellyel 10-15%-kal javulni fog a helymeghatározás pontossága.
A felhasználói szegmens a GPS vevőt használók széles tábora. A rendszert alapvetően katonai célra fejlesztették és használják, de az űrkutatástól a járműnavigációig, a mezőgazdasági alkalmazásoktól a katasztrófavédelemig egyre több alkalmazás támaszkodik e technika nyújtotta szolgáltatásokra.
A Glonass és a Galileo GPS rendszerek
Az Egyesült Államok NAVSTAR GPS rendszere mellett Oroszország is elkészítette a saját műholdas helymeghatározó rendszerét, melynek neve Glonass (GLObalnaja NAvigacionnaja SZputnyikovaja SZisztyema). Az első Glonass műholdat 1982 októberében lőtték fel. A teljes kiépítésben a 24 darab műhold 19.100 km-es magasságban, három pályasíkon kering, melyek 120º-os szöget zárnak be egymással. A pályánként 8 műhold egyenlő távolságra van egymástól. A kezdetekben a fejlesztés lassan haladt, de az elmúlt években felgyorsult és egyre több műholdat állítottak rendszerbe, 2009-re várható a teljes kiépítés. Több GPS vevőkészülék-gyártó új modelljei már mind a két GPS rendszer jeleinek vételére alkalmasak.
A Galileo GPS rendszer fejlesztését az Európai Unió kezdeményezte, fő oka volt, hogy a Pentagon nem vállal semmiféle garanciát a szolgáltatás folyamatos biztosítására, emiatt egy konfliktus esetén csökkentheti vagy akár meg is szüntetheti a GPS polgári használatát. Cél volt továbbá a katonaságtól független, polgári ellenőrzésű rendszer fejlesztése is. Az EU 2002 márciusában fogadta el a sok milliárd eurós projectet, melynek fejlesztése lassan halad. A rendszer 27 működő és 3 tartalék műholdból fog állni, melyek 23.600 kilométeres magasságban keringenek majd a Föld körül, a GPS rendszer pontossága egy méteren belül lesz. Az első tesztműholdat a GIOVE-A-t 2005. decemberében, a másodikat, a GIOVE-B-t 2008. április végén állították Föld körüli pályára. A teljes kiépítettség 2013-ra várható. E három GPS rendszert nevezik GNSS rendszereknek is (az angol Global Navigational Satellite System-globális navigációs műholdrendszer kifejezés rövidítéséből).
A GPS működésének elméleti alapjai
Tekintsük át, hogyan működik a GPS, milyen módon történik a pozíció meghatározása.
A mérés alapja a távolságmérés, a műhold és a vevő közötti távolság s, [m] meghatározása indirekt módon, időmérésre visszavezetve történik. A rádióhullámok terjedési idejének t [s] és a rádióhullám terjedési sebességének – a fénysebességnek v=3*108m/s – ismeretében a távolság meghatározható:
Tehát a műholdak által sugárzott jelek alapján a GPS vevő meghatározza a műholdak helyzetét, az elektromágneses hullámok terjedési sebessége és a rádiójelnek a műhold-vevőkészülék közötti megmért futási idő alapján a műholdak távolsága meghatározható.
Három darab műhold-vevő távolság kiszámítása után a felhasználó helyzetét a műholdak köré rajzolt gömbök metszéspontjának kiszámításával lehet meghatározni. Mivel a futási időt pontosan kell mérni, az idő szinkronizálásához szükséges a negyedik műhold jeleinek vétele is, emiatt a GPS pozíció meghatározásához legalább négy műhold egyidejű észlelése szükséges. A távolságmérés pontossága az időmérés pontosságától függ, ezért a műholdakon nagy pontosságú atomórákat helyeznek el.
A műholdak a jeleket két frekvencián sugározzák, az L1= 1575,42 MHz (hullámhossza λ1=19,03cm), és az L2= 1227,60 MHz-es (hullámhossza λ2=24,42cm) frekvenciákon. Mindkét vivőfrekvencia több információt is hordoz. A polgári használatra az ún. C/A kódot (Course Acquisition-durva adatnyerés, vagy használják még a Clear Access-szabad elérés szavakat is), míg a katonai használatra a P-kódot (Protected-védett, más szerzők szerint Precise-pontos) modulálják a vivőfrekvenciákra. A „P”-kód nem nyilvános, a hadsereg használja, elérhetőségét a Precise Positioning Service (PPS) szolgáltatás tartalmazza, itt a helyzetmeghatározás pontossága 1-10m. A „C/A”-kód mindenki számára szabadon hozzáférhető, leírását a Standard Positioning Service (SPS) szolgáltatás tartalmazza, a kódmérés pontossága: 15-30m. A kereskedelmi forgalomba kerülő, polgári használatú GPS vevők (használatos még a navigációs vevők kifejezés is) a C/A kód vételét biztosítják. A műholdak mindkét frekvencián sugározzák még az ún. „almanach”-ot, azaz a navigációs üzeneteteket, melyek a műholdak fedélzeti pályaadatait (Broadcast Ephemeris) és a korrekciókat tartalmazzák. Minden gyártó köteles, az általa gyártott GPS vevő minden csatornájába beépíteni egy ún. Auxiliary Output Chipet (AOC), mely 18288m magasság, és 515m/s sebesség felett letiltja a GPS vevő adatainak továbbítását, tehát a GPS vevő kimenetén nem jelennek meg a navigációs adatok.
A GPS rendszer „túl jól sikerült”, ezért az első Öböl háború idején, 1990. március 26-án a Pentagon bevezette az ún. korlátozott hozzáférést (Selective Available (SA)), ami a rendszer pontosságának mesterséges rontását jelentette. A műholdak által a sugárzott pályaelemeket és idő-információt elrontották, emiatt a helymeghatározás pontossága C/A-kódú vevőknél 100-150 méter körülire romlott. Az S/A-t 2000. május 1-én kapcsolták ki.
A kódmérés mellett a drágább kategóriájú vevők a két vivőfrekvenciának a fázisát is mérik, ezáltal pontosabb helymeghatározás valósítható meg.
A helymeghatározás pontosságát befolyásoló tényezők
Tekintsük át hogy milyen tényezők befolyásolják helymeghatározás pontosságát. A műholdak pálya- és időadatainak hibája rontja a pontosságot, amelyet a monitor állomások ellenőriznek és korrigálnak. A következő hibaforrást a műholdakról érkező rádiójelek ionoszférán történő áthaladása okozza, mert az ionoszféra állapota befolyásolja a jelek terjedési sebességet. Az ionoszféra állapota függ a napszaktól, évszaktól, napfolttevékenységtől (11 évenkénti maximumokkal). A hibás időmérés okozza a legnagyobb pontatlanságot, mivel a vevőkészülékekben kvarc-oszcillátorokat (órákat) használnak. Növeli a pontatlanságot az is, hogy a GPS jelek nem csak közvetlenül a műholdról, de a különböző tereptárgyakról visszaverődve is érkezhetnek a vevőkészülékbe, amit többutas (multipath) terjedésnek nevezünk. Mivel a visszavert jel hosszabb utat tesz meg mint a közvetlenül érkező, ez szabályos hibát eredményez. Hibát okozott a már emlitett szelektív hozzáférés (S/A) bevezetése, melyet szerencsére már nem alkalmaznak, továbbá a műholdak geometriai elhelyezkedése, melyet a szakirodalom GDOP értékkel jelöl (Geometric Dilution of Precision, geometriai pontosság hígulás).
Ennek lényege, hogy ha a műholdak túl közel vannak egymáshoz, akkor a mérés bizonytalansága nagyobb, ezért jobb, ha a nagyobb térben láthatók a műholdak. A GDOP mellett létezik a PDOP, HDOP, VDOP, TDOP érték, ezeknek minél kisebb az értékük a mérés pontossága annál jobb.
A pontosság növelésének módszerei
A GPS vevőkkel elérhető pontosság sok esetben nem volt elegendő, ezért már a 90-es évek elejétől felmerült a pontosság növelésének igénye. A geodéziai méréseknél pl. a GPS vevővel hosszú ideig észleltek egy helyen, majd a gyűjtött adatokat utófeldolgozták (post-processing), aminek során a pontos műholdas pályaadatok, a hullámterjedéssel kapcsolatos korrekciós adatok ismeretében növelni lehetett a helymeghatározás pontosságát. Pontosabb mérést tesz lehetővé a mindkét frekvencián történő mérés is, ezzel a technikával az ionoszféra által okozott hullámterjedési késleltetés küszöbölhető ki.
Ezen technikák alkalmazása azonban igen drága volt és professzionális eszközök használatát feltételezte. A megoldást a differenciális helymeghatározási módszer adta. A DGPS technika a helymeghatározás pontosságát azáltal növeli, hogy a felhasználó vevője által számított pozíciót egy ismert helyzetű referencia-vevőkészülék helyzetéhez viszonyítva számoljuk. A gyakorlatban ez úgy működik, hogy egy ismert koordinátájú pontra helyezünk egy ún. bázisállomást (más néven referenciaállomást) és mivel a bázisállomás földrajzi helyzete pontosan ismert, a bázisállomás koordinátáit a GPS vevőnek is megadjuk. A felhasználónál működik a másik vevő, melyet rover-nek neveznek. Amennyiben a két vevő között a távolság rövid (40-50km), mindkét vevő ugyanazon műholdak jeleit veszi, és ennek alapján mindkét vevő folyamatosan meghatározza saját pozícióját. A referenciaállomás (bázisállomás) vevőkészüléke a meghatározott pozíció adatai és az általunk magadott ismert koordináta adataiból kiszámolja, hogy mekkora az eltérés az ismert és a számolt koordináta között, ezt a mérési hibát egy külön rádiócsatornán keresztül folyamatosan küldi a rover vevőnek. A rover vevő a pozíció meghatározásánál a műholdas jelek mellett a bázis vevő által küldött korrekciós adatokat is figyelembe veszi. (real-time DGPS).
A differenciális technika használatával a mérési pontosság egy nagyságrenddel növelhető. Természetesen itt is használható az utófeldolgozás technikája. A DGPS módszer hátránya, hogy két GPS vevő szükséges hozzá, ezért több országban építettek ki korrekciós rendszereket. Több műszaki megoldás is született, melyeket kiegészítő rendszereknek nevezünk. Ezek lehetnek műholdas alapúak (SBAS: Satellite Based Augmentation Service), vagy pedig földi telepítésű kiegészítő rendszerek (GBAS: Ground Based Augmentation System). A műholdas alapú kiegészítő rendszereknél a korrekciós jeleket geostacionárius pályán keringő műholdak sugározzák, amerikában WAAS, Európában EGNOS, Japánban MTSAT elnevezéssel. A hazánkban vehető EGNOS-t (European Geostationary Navigation Overlay Service) az ESA (European Space Agency- Európai Űrkutatási Ügynökség), az EC (European Commission) és az Eurocontrol (European Organisation for the Safety of Air Navigation) közösen üzemeltetik. A teljes Európa lefedésére két Inmarsat, (INternational MARitime SATellite Organisation) műholdat használnak. Az egyik az Atlanti Óceán, a másik az Indiai Óceán felett helyezkedik el. Az EGNOS rendszer egy harmadik műholdat is tartalmaz, neve Artemis és a két Inmarsat műhold között geostacionárius pályán biztosítja a kommunikációt.
Az EGNOS szolgáltatása ingyenes, de a jelek fogadására és feldolgozására erre alkalmas vevő szükséges, a helymeghatározás pontossága az EGNOS korrekciók alkalmazásával jobb, mint 5m. Manapság a kereskedelemben kapható vevőkészülékek többsége alkalmas az EGNOS vételére. Léteznek pontosabb szolgáltatást nyújtó SBAS rendszerek is, ezekre azonban elő kell fizetni, és megfelelő vevőkészülék is szükséges hozzájuk. Európában az OmniStar rendszere biztosítja az 1m-nél pontosabb valós idejű (real-time) helymeghatározást.
Hazánkban a Földmérési és Távérzékelési Intézet (FÖMI) 2000-től fejleszti a hazai országos földi telepítésű kiegészítő rendszert (GBAS). A szolgáltatás a leírása megtekinthető a www.gpsnet.hu internet oldalon. A rendszer lényege, hogy a cm pontos helymeghatározáshoz 60-70 km-ként fel kell állítani egy-egy referenciaállomást, (folyamatosan üzemelő permanens állomást). Kétféle szolgáltatás fizethető elő. Az egyik az utófeldolgozáshoz szükséges adatok letöltése, a másik a real-time méréshez korrekciós jelek NTRIP technológiával történő vétele. A GPS-NET permanens állomásainak elhelyezkedése Magyarországon.
A GPS vevőkészülékek mérési módszerei
Összefoglaljuk milyen mérési módszer alapján működhetnek a vevők. A GPS vevők működhetnek úgy, hogy a kódot használják a helymeghatározásra, és úgy, hogy kód- és fázismérést használnak. A mérés történhet abszulút, vagy relatív helymeghatározási üzemmódban, statikusan, vagy mozgás közben (kinematikus mérés), az eredmények rendelkezésre állhatnak valós időben (real-time) vagy utófeldolgozás (post-processing) során.
A vevőkészülékek nagy része csak a C/A kód alapján határozza meg a pozíciót, ez röviden a kódmérésen alapuló helymeghatározás. A vevők kisebb része a kód mellett méri vagy az L1, vagy mindkét vivő (L1+L2) fázisát is. Ezt nevezzük fázismérésnek. A centiméteres pontosságú vevőknél a fázist is kell mérni.
Abszulút üzemmódban mér a vevő, amikor csak a navigációs műholdak jeleiből számol pozíciót. Kódmérést használó vevőknél ekkor a pontosság 5-25m. A pontosságot javíthatjuk a relatív mérési módszerrel. A kódvevőknél a differenciális technikát DGPS-nek, a fázisvevőknél RTK-nak hívják. (real-time kinematic)
Statikus mérésnél a vevő az észlelés teljes ideje alatt helyben marad, általában a mérési eredmények átlagát képezik.
Kinematikus módszernél a vevőkészülék folyamatosan mozog, például a járműnavigációnál.
Valós idejű (real-time) az adatfeldolgozás, akkor, ha méréskor rendelkezésre áll a pozíció. Utófeldolgozásnál (post-processing) méréskor csak rögzítjük az adatokat, majd egy későbbi időpontban vagy letöltjük pl. a GPSNET hálózatról a permanens állomások által gyűjtött adatokat, vagy a saját bázisállomásunk adatait felhasználva dolgozzuk fel a rover által gyűjtött adatokat.
A GPS vevőkészülékek csoportosítása
A GPS vevőkészülékeket többféleképpen csoportosíthatjuk. Egyik szempont lehet a pontosság. Az L1 frekvenciát, és C/A kódmérést használó készülékeket navigációs vevőknek hívják. Ezek legtöbbje ma már képes az EGNOS korrekciók vételére. Áruk néhány tízezer forint. Pontosságuk EGNOS korrekcióval 5m, vagy ettől jobb. Az egy m-en belüli vevők már mérik a vivők fázisát is, továbbá DGPS korrekciók vételére is fel vannak készítve. Térinformatikai célokra használják. A geodéziai vevőket professzionális célokra használják pontosságuk 1-2cm, mindkét frekvencián mérik a kódot és a fázist. RTK-üzemmódra és utófeldolgozásra egyaránt alkalmasak.
Forrás: Agrárágazat
