Pozicioniranje u prostoru – GPS

Većina sigurno zna šta je GPS, ali možemo da se kladimo da tek manji deo zna kako funkcioniše. Evo objašnjenja i male pomoći kako izabrati savršen aparat!

GPS ili GLOBAL POSITIONING SYSTEM je satelitski baziran radio – navigacioni sistem koji je razvijen, održavan i kojim upravlja Ministarstvo odbrane SAD. Pun naziv ovog sistema je NAVSTAR GPS, a korisnicima omogućava da, uz pomoć GPS prijemnika, ustanove svoju poziciju (geografsku dužinu, geografsku širinu i nadmorsku visinu) sa velikom preciznošću bilo gde na ili u blizini Zemljine površine, pod uslovom da postoji optička vidljivost prijemnika i navigacionih satelita. Drugim rečima, nije upotrebljiv u zatvorenim prostorima ili pod zemljom, ali funkcioniše u svim vremenskim uslovima. NAVSTAR GPS sistem sastoji se od tri komponente, i to: svemirske, kontrolne i korisničke.

Svemirsku komponentu čine najmanje 24 operativna satelita u šest kružnih orbita, na visini od 20.200 km koji konstantno odašilju radio signal sa informacijom o svom položaju i o tačnom vremenu. U svakom trenutku, sa bilo koje tačke na Zemlji, postoji optička vidljivost sa najmanje šest satelita. Trenutno se u orbiti nalazi 31 navigacioni satelit, od kojih je 27 u funkciji. Prosečan životni vek jednog satelita starije generacije je oko sedam godina, dok sateliti novijeg datuma mogu biti u upotrebi i do 12 godina. Kontrolnu komponentu čine stanice za praćenje satelita, kontrolne stanice i zemljišne antene.
Stanice za praćenje satelita se nalaze na Havajima, Kvajlin ostrvu, Aknezijskom ostrvu, ostrvu Dijego Garsija i Kolorado Springsu u Koloradu. Uloga ovih stanica je da prate kretanje satelita i podatke šalju glavnoj kontrolnoj stanici u Kolorado Springsu. Tu se vrše proračuni i preko zemljišnih antena koje se nalaze na Kvajlin ostrvu, Aknezijskom ostrvu i ostrvu Dijego Garsija. Satelitima se šalju ažurirani podaci o njihovoj tačnoj poziciji i vremenu. Ažuriranje se vrši dva puta dnevno, čime se vrše precizna podešavanja sistema. Novija generacija satelita je u stanju da međusobno komunicira i sinhronizuje podatke, pa preciznost određivanja pozicije ne bi bila bitno narušena, ni kad bi sateliti danima radili nezavisno od kontrolne komponente sa Zemlje.

Korisničku komponentu čine GPS prijemnici na Zemlji. Prijemnici mogu biti komponente uključene u druge uređaje, kao na primer mobilni telefon, časovnik i slično, ili samostalni uređaji. Na primer, GPS prijemnik baziran na SiRF Star III čipu ima dimenzije samo 12 x 15 mm. Drugi, samostalni uređaji, imaju displej za prikazivanje pozicije, brzine i/ili vremena i mogu imati interfejse sa drugim uređajima. Sistem je postao potpuno funkcionalan 1994. godine kada je postignuta konstalacija od 24 satelita. Do 2000. godine, puna preciznost bila je dostupna samo za potrebe vojske SAD, dok je civilnim korisnicima odašiljan signal sa namerno ubačenom greškom. Od 2000. godine, ukinuto je namerno ubacivanje greške u GPS signal, pa je puna preciznost postala dostupna i civilnom sektoru što je omogućilo komercijalizaciju celog sistema. Inače, pored američkog NAVSTAR GPS, od 2007. godine operativan je i ruski sistem GLONASS (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система), a od decembra 2011. i kineski regionalni BEIDOU NAVIGATION SYSTEM koji je dostupan pretežno za teritoriju Kine, a planirano je da preraste u globalni navigacioni sistem COMPASS do 2020. godine. U razvoju su još evropski GALILEO, i indijski IRNSS, francuski DORIS i japanski QZSS sistemi satelitske navigacije.

KAKO RADI GPS

GPS prijemnik određuje svoju poziciju u prostoru mereći udaljenost od navigacionih satelita. Za uspešno 2D pozicioniranje (geografska dužina i geografska širina bez nadmorske visine) potrebno je da prijemnik odredi udaljenost od najmanje tri satelita, dok je za 3D pozicioniranje (geografska dužina, geografska širina i nadmorska visina) potrebno odrediti udaljenost od najmanje četiri satelita. Svaki satelit emituje mikrotalasnu sekvencu radio signala koja je poznata prijemniku.

Dok prijemnik prima taj signal, u stanju je da odredi vreme koje protekne od emitovanja radio signala sa satelita do prijema na svojoj poziciji. Udaljenost prijemnika od satelita se proračunava na osnovu tog vremena, budući da radio signal putuje poznatom brzinom. Signal takođe nosi informaciju o trenutnom položaju satelita sa kog se emituje. Ako se zna udaljenost prijemnika od satelita i pozicija satelita, poznato je da se prijemnik nalazi negde na sferi određene dimenzije u čijem je centru satelit. Pošto su poznate pozicije tri satelita i udaljenost prijemnika od svakog od njih, postupkom trilateracije se može odrediti pozicija prijemnika. Trilateracija se bazira na činjenici da se tri sfere seku u najviše dve tačke (od kojih jedna obično nema smisla). Da bi se postigla velika preciznost prilikom trilateracije, od ključnog je značaja da svi časovnici budu što tačniji i potpuno sinhronizovani. Zato se na satelitima nalaze atomski časovnici – veoma precizni i skupi, dok prijemnici imaju daleko manje precizan časovnik – kristalni oscilator. Nedostatak preciznosti se rešava uvođenjem merenja udaljenosti od još jednog satelita. Sat na prijemniku uvodi istu vremensku i prostornu grešku kada proračunava udaljenost od sva četiri satelita. Može se izračunati za koliko treba korigovati sat da bi se četiri sfere sekle u jednoj tački. Na taj način se sat na prijemniku neprekidno koriguje. Jedna od primena GPS-a je veoma precizno računanje vremena i sinhronizacija časovnika. Danas, koristeći civilne komercijalne prijemnike moguće je odrediti poziciju sa greškom od tri do 15 m, dok se upotrebom specijalnih prijemnika može odrediti pozicija sa greškom do 30 cm. Iako mogu biti veoma korisni i van grada, u prirodi, ipak je preporuka svima kojima GPS služi za orijentaciju u slabo pristupačnim i nenaseljenim područijima da nabave neki od outdoor uređaja. Najpre zbog toga što u slučaju gubljenja ne treba da prave kompromis za trošenje preko potrebne električne energije između mobilnog telefona i navigacione opreme, a onda zbog otpornosti na habanje, preciznosti i namenski osmišljenog menija, te planski raspoređenih funkcionalnih tastera što umnogome olakšava rad u odnosu na prilično komplikovanu manipulaciju sa podacima na mobilnom telefonu.

OD ČEGA SE SASTOJI

Osnovne komponente GSP prijemnika su antena podešena na frekvenciju GPS satelita, kristalni oscilator koji služi kao časovnik i mikroprocesor koji obrađuje signale. Prijemnici se često opisuju prema tome koliko kanala imaju. Svaki kanal prati po jedan satelit. Stariji modeli su imali četiri do pet kanala, a današnji uglavnom 12 do 20 kanala. GPS prijemnici mogu imati u sastavu komponentu koja prima diferencijalne signale. Diferencijalni signal se dobija preko standardnog RS-232 porta ili preko interne antene. Od 2006. godine čak i jeftini prijemnici uključuju i prijemnike za oblasne sisteme augmentacije. Neki GPS prijemnici komuniciraju sa drugim uređajima preko serijskih interfejsa, kao što su USB ili Bluetooth, koristeći standardne protokole. NMEA 0183 i NMEA 2000 široko su rasprostranjeni protokoli. Iako su zaštićeni protokoli, objavljeno je dovoljno javnih dokumenata koji ih opisuju da se mogu koristiti bez kršenja autorskih prava. Postoje i drugi protokoli, kao SiRF i MTK.

Auto navigacija

Kada je reč o uređajima za auto navigaciju, izbor je veoma veliki, a posebnu pažnju treba obratiti na dostupnost i kvalitet rutabilnih karata za željeno područje. Kada je reč o Srbiji, najdetaljniju kartu ima GARMIN, koji svojim korisnicima nudi besplatan update karte, koji izlazi u pristojnom roku. Najveća prednost GARMIN-ove karte je obilje informacija u ruralnim i slabo naseljenim područijima, te integrisani topografski podaci za nekoliko regija. Savet svima koji koriste GPS za auto navigaciju jeste da detaljno prođu kroz sva podešavanja odabira rute, jer se od tačke A do tačke B uvek može doći na više različitih načina, a na nama je da podesimo da to bude ili najkraći ili najbrži put, korišćenjem ili izbegavanjem autoputeva ili lokalnih kolskih puteva. U poslednje vreme, GPS tehnologija se masovno integriše u mobilne telefone što može biti odlično rešenje za sve one kojima je skupo da kupuju zaseban GPS prijemnik, a GPS tehnologiju koriste pretežno u urbanim sredinama i za auto navigaciju. Prvi chipset za mobilne telefone, koji podržava i GPS i GLONASS, izašao je krajem decembra 2011. godine, i to je Qualcomm MSM7X30 chipset, a prvi telefon u koji je ovaj chip implementiran je MTS 945 koji radi na android platformi, a za ruskog operatera MTS pravi kineski ZTE. TESTIR’O ZA VAS

Predstavljamo vam seriju odličnih aparata koje obavezno treba imati u vidu prilikom kupovine GPS uređaja…

Kako je polje primene GPS tehnologije veoma široko, grubo se mogu razlikovati sledeće oblasti primene, a samim tim i tipovi GPS prijemnika koji se namenski proizvode za: vojnu primenu, razna naučno – istraživačka merenja, kopnenu saobraćajnu navigaciju, pomorsku navigaciju, vazduhoplovnu navigaciju kao i „outdoor” navigaciju. Obzirom da se prijemnici za vazduhoplovnu i pomorsku navigaciju najčešće proizvode u kombinaciji sa drugim senzorima (na primer GPS plotteri za pomorsku navigaciju najčešće su upareni sa sonar senzorima), najrasprostranjeniji samostalni GPS uređaji se prave za kopnenu saobraćajnu navigaciju, kao i ručni prenosivi prijemnici za boravak u prirodi, takozvani outdoor uređaji. Do skoro su svi uređaji koristili isključivo prijemnike za NAVSTAR GPS, a odnedavno su se pojavili čipovi koji mogu da primaju signal i NAVSTAR i GLONASS sistema, čime se povećava preciznost lociranja, obzirom da je na nebu veći broj upotrebljivih satelita. Ovo i nije toliko bitno ukoliko se nalazimo na lokaciji sa koje vidimo veliki deo nebeskog svoda (ravnica, livada, planinski vrh…) jer je preciznost od tri do pet metara koja se postiže pomoću samo jednog sistema više nego dovoljna za prosečnog korisnika. Međutim, u uskim gradskim ulicama okruženim veoma visokim zgradama, u kanjonima ili u gustim šumama – dostupnost još jednog sistema svakako je dobrodošla. Pritom, preciznost je uvek veća ukoliko smo okruženi objektima sa ravnim površinama (velike staklene površene zgrada, velike stene sa pravilnim površinama) zato što prijemnici imaju mogućnost da obrade signal koji se nekoliko puta odbio o neku površinu pre nego je stigao do našeg prijemnika. Preciznost je značajno smanjena ukoliko smo okruženi amorfnim oblicima, na primer, ako se nalazimo u listopadnoj šumi u kojoj je podloga prekrivena mokrim i opalim lišćem. Najnoviji modeli iz GARMIN-ove eTrex serije, eTrex 10, eTrex 20 i eTrex 30 su među prvima u komercijalnom segmentu koji imaju mogućnost istovremene obrade signala i sa GPS i sa GLONASS satelita.

eTrex 10, eTrex 20, eTrex 30 i eTrex H

Iako slični, ova tri modela se veoma razlikuju. Prvi i najjeftiniji, eTrex 10, iako novije generacije, osim podrške za GLONASS ne donosi ništa revolucionarno u svetu GPS uređaja, a korisniku pruža osnovne informacije koje su bile dostupne i u prvim modelima eTrex serije. Ipak, razlike postoje u odnosu na slavnog prethodnika, eTrex H, koji je i najprodavaniji outdoor uređaj u poslednjih nekoliko godina. Najveći pomak u odnosu na prethodnika je svakako zamena starog i veoma specifičnog serijskog porta, sada za većinu elektronike standardnim, široko rasprostranjenim i daleko upotrebljivijim mini USB portom. Ekran je bolji, monohromatski, transflective – a rezolucija je 128 x 160 piksela, umesto 64 x 128 piksela. Bitno je poboljšana i autonomija, pa nova desetica sa 2 AA baterije sada može da „izgura” i do 25 sati, za razliku od 17 sati kod eTrex H. Ove podatke treba uvek uzeti sa rezervom, obzirom da su to fabrički navedeni maksimumi, koji su teško ostvarivi u realnim uslovima, a potrošnja energije puno zavisi i od načina korišćenja (česta upotreba pozadinskog osvetljenja, manipulacija podacima prikazanim na ekranu, snimanje tracklog-a…), pa baterije često treba zameniti znatno ranije.

Međutim, sigurno je da novi model ima bolju autonomiju, a pametnim planiranjem izbegava se situacija da u planaini ostanete bez rezervnih baterija. Takođe, prisutan je, sada za Garmin outdoor uređaje već standardni sistem za nošenje sa karabinerom. GPS senzor je ostao isti (high sensitive), a od korisnih novina tu je osnovna mapa (bez mogućnosti ubacivanja detaljnih mapa), kao i memorija za čuvanje do 100 trekova, za razliku od deset kod starijeg modela, te 1.000 waypoint-a i 50 ruta naspram 500 wp i 20 ruta. Glavni nedostaci su svakako nemogućnost korišćenja detaljnih karata, izostanak interne memorije, kao i slota za memorijsku karticu. Međutim, ovaj uređaj nije ni namenjen za komforniju navigaciju i zahtevnije korisnike, a za novac za koji se prodaje pruža sve potrebne informacije i predstavlja jako dobru kupovinu. Bitne prednosti kod ostalih modela, koje treba razmatrati pri kupovini, svakako su mogućnost učitavanja detaljnih elektronskih vektorskih karata, zatim mogućnost postavljanja rasterske podloge (na primer skenirana topografska karta, satelitski ili ortofoto snimak), kao i količina raspoložive memorije za učitavanje pomenutih mapa i mogućnost njenog proširivanja dodatnim memorijskim karticama. Neki modeli imaju mogućnost i bežičnog slanja i primanja podataka između sebe, što u planini može biti veoma korisno za razmenu tačaka i trekova bez upotrebe kablova i računara. Za korisnike koji vode aktivan stil života, takođe je važno obratiti pažnju na robusnost samog uređaja, otpornost na udarce, prašinu, vlagu… Obično su outdoor GPS-ovi u otpornom kućištu, napajaju se običnim, jeftinim i široko dostupnim AA baterijama koje pružaju autonomiju do 20 sati sa jednim parom baterija, a ekran im je posebno presvučen tankim slojem koji stvara efekat ogledala, pa su informacije na ekranu vidljive i pri direktnom izlagajnu sunčevim zracima. Najjači modeli opremljeni su i boljim QUAD HELIX antenama, kao i dodatnim modulima kao što su troosni kompas i barometar, te pružaju daleko više informacija od same pozicije. Naravno, ovi modeli su i znatno skuplji, pa uvek treba dobro razmisliti da li je takvo ulaganje opravdano i u skladu sa realnim potrebama.

Ukratko: GARMIN-ova ETREX serija uređaja je uvek preporuka za sve ljubitelje prirode, dok su modeli sa oznakom 60 ili 62 iz GPSMAP serije vrh ponude u ovom segmentu.

Tekst: Igor Janošević, GSS Srbije , Foto: SXC, Dremastime