Wszystko, czego możesz nie wiedzieć o systemie GPS

Ogólnie przyjęło się dla określania nawigacji satelitarnej używać skrótu GPS. Jak łatwo się domyślić, pochodzi on od słów Global Positioning System, czyli Globalny System Pozycjonowania. Jednak mało kto wie, że pełna nazwa brzmi NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging - Globan Positioning System), co w wolnym tłumaczeniu można rozumieć jako "Satelitarny Globalny Pozycyjny System Nawigacyjny z Pomiarem Czasu i Odległości). Twórcami tej nazwy są gen. Hank Stehling, John Walsh oraz Bradford W. Parkinson.

W 1957 roku z kosmodromu w Bajkonurze został wystrzelony pierwszy w historii sztuczny satelita Ziemi. Sputnik-1 w celu dawania oznak życia emitował fale elektromagnetyczne. Grupa naukowców z Laboratorium Fizyki Stosowanej na Uniwersytecie Johna Hopkinsa na podstawie pomiarów dopplerowskich, ustawiając przyrząd mierniczy na punkcie o znanych współrzędnych, określiła aktualne położenie satelity. Powstała koncepcja, że skoro można określić współrzędne satelity na podstawie współrzędnych na Ziemi za pomocą fali elektromagnetycznej, to czemu nie zrobić tego na odwrót i za pomocą znanych współrzędnych satelitów określać współrzędne na powierzchni Ziemi.

Realizacja koncepcji przedstawionej powyżej miała ujście w formie budowy pierwszego systemu nawigacji satelitarnej TRANSIT. Przeznaczono go dla okrętów podwodnych Marynarki Wojennej USA, która podjęła się sfinansowania tego projektu. Był to okres lat 60., więc szalała w najlepsze zimna wojna. Nawigowanie pocisków balistycznych w tym czasie opierało się na systemie inercyjnym. Im dłuższy był lot rakiety, tym z większym błędem określić można było jej współrzędne. Stąd system TRANSIT wspomagał pozycjonowanie takiego układu. Dopiero w roku 1967, czyli po 9 latach od wystrzelenia pierwszego satelity, system ten został udostępniony cywilnym użytkownikom, jednak w ograniczonej formie. TRANSIT dawał możliwość pozycjonowania z dokładnością kilkuset metrów i był wykorzystywany do połowy lat 80.

Nowa idea pozycjonowania rezygnowała z pomiarów dopplerowskich na rzecz pomiaru czasu i odległości. Pierwsza seria próbna satelitów to satelity z serii TIMATION. Dopiero od roku 1979 zaczęto budować kompletny system nawigacyjny z satelitami tzw. Pierwszego Bloku, składającego się z 11 sztuk satelitów. Pozwalały one na pozycjonowanie z dokładnością nawet do 3 metrów. Kolejne etapy to lata 80. i budowa bloku II i III. W połowie lat 90. system GPS uzyskał pełną operacyjność, to znaczy zapewniał dla każdego miejsca na Ziemi dostępność minimum 3 satelitów. Koszt budowy wyniósł wtedy 10 mld dolarów.

Jak już wspomniano, w celu określenia naszych współrzędnych w terenie niezbędna jest znajomość odległości między satelitą a odbiornikiem. Jak ją policzyć? Nic prostszego, korzystamy ze wzoru, który każdy z nas pewnie zna, a jeżeli nie, to zapewne się z nim spotkał, mianowicie droga=prędkość*czas. Prędkość to oczywiście prędkość światła. Do obliczenia naszego położenia potrzebujemy minimum 3 satelitów. Tak by się mogło wydawać, jednak nie jest tak kolorowo...

Cały problem rozbija się właśnie o pomiar czasu. Prędkość światła to w przybliżeniu 300 000 km/s, co oznacza, że fala przemierza 300 000 km w ciągu jednej sekundy. Odległość satelity GPS od Ziemi to około 20 000 km. Na pokonanie tej odległości fala potrzebuje więc w przybliżeniu 0,085 s. Powszechnie używane zegary kwarcowe osiągają dokładność max mikrosekundy. Mikrosekunda, czyli 0,000 001 s, co daje dokładność 300 m. Są to dokładności całkowicie dyskwalifikujące nawigację dla większości zastosowań. Problem ten rozwiązano używając zegarów atomowych, których dokładność pomiaru czasu wynosi 0,1 nanosekundy, czyli 0,000 000 000 1 s. Dlatego też na każdym satelicie znajduje się zegar atomowy, najczęściej rubidowy.

Satelity GPS okrążają Ziemię dwa razy na dobę, co oznacza, że ich prędkość wynosi około 10 000 km/h. Jak zauważył Albert Einstein, im szybciej się poruszasz, tym wolniej płynie czas. Jak się okazuje, ma to kolosalne znaczenie dla systemu GPS. Gdyby nie wprowadzane poprawki niwelujące wpływ prędkości na czas, system straciłby swoją użyteczność w przeciągu kilku godzin.

Aktualnie aktywnych jest 31 satelitów (stan na 5 maja 2016) z 32 docelowych.

Zwieńczeniem modernizacji systemu GPS ma być wystrzelenie satelitów generacji IIIA, IIIB i IIIC. Pierwszy ma wystartować w maju 2018 (pierwotnie zakładano, że uda się to jeszcze w roku 2014). Nową generację ma wyróżniać przede wszystkim nadawanie czwartego sygnału cywilnego, oznaczonego L1C. Ma on umożliwić wyznaczanie pozycji z dokładnością sięgającą nawet 1,5 metra (na poziomie prawdopodobieństwa 95%). Jego zaletą będzie także większa zgodność z europejskim systemem Galileo. Globalna dostępność L1C ma zostać osiągnięta w roku 2026. Trzecią generację mają także charakteryzować dokładniejsze zegary atomowe oraz zwiększona odporność na zakłócenia.