SEMINARSKI RAD GPS - Global Positioning System

1. SEMINARSKI RAD GPS - Global Positioning System

2. UVOD • Još je “rani” čovek koristio tehniku prepoznavanja i pamćenja objekata i struktura u prirodi koristeći ih kao putokaz. Ostavljanje kamenčića, označavanje drveća i posmatranje planina i zvezda činili su najraniji oblik orjentacije koja je uz razvoj tehnike i instrumenata evoluirala do današnjih satelitskih sistema. • Danas je potreba za pozicioniranjem i praćenjem objekata ili ljudi izraženija nego ikada ranije, pa i ne čudi toliko ulaganje u razvoj navigacionih sistema. Kao rezultat toga,danas se za navigaciju koriste GPS sateliti koji pokrivaju celu zemljinu kuglu. Merenjem dužina do satelita, moguće je odrediti položaj bilo koje tačke na zemlji sa tačnošću od nekoliko desetina metara do samo nekoliko milimetara. slika 1

3. ŠTA JE GPS? • GPS - Globalni Pozicioni Sistem (Global Positioning System) je sistem za pozicioniranje pomoću satelita.To je ustvari satelitski radionavigacijski sistem namenjen globalnom pozicioniranju. Sistem je razvijen za potrebe američkog ministarstva odbrane (U.S. Department of Defence -DoD) da bi nakon nekoliko godina bio odobren i za civilnu upotrebu. GPS omogućuje korisnicima na moru, kopnu i u vazduhu određivanje 3D pozicije, brzine i tačnog vremena 24 sata dnevno bez obzira na atmosferske prilike, tačnošću većom nego bilo koji radionavigacioni sistem do sada. • Izgradnja Globalnog Pozicionog Sistema počela je 1973 godne, prvo lansiranje satelita usledilo je u februaru 1978. godine, zatim je sistem proširen u februaru 1989. godine lansiranjem druge generacije satelita, a sistem je proglašen potpuno operativnim 17. 07.1995. godine. • GPS sistem čine tri osnovna segmenta: • svemirski segment (24 satelita na visini od 20.200 km) • kontrolni segment (serija kontrolnih stanica širom sveta i glavni kontrolni centar Colorado Springsu,California,USA) • korisnički segment (GPS prijemnik i antena)

4. IZRAČUNAVANJE POZICIJE POMOĆU GPS-a • Izračunavanje pozicije zasniva se na određivanju pseudo-udaljenosti (pseudo-ranges). Udaljenost između satelita i prijemnika može biti izračunata merenjem proteklog vremena od trenutka odašiljanja signala sa satelita do trenutka prijema signala u prijemnik. Vremensko kašnjenje množi se brzinom svetlosti da bi se odredila udaljenost satelit-prijemnik. • Određivanje pozicije tačke najjednostavniji je način korišćenja GPS sistema. Za određivanje trodomenzionalnih koordinata (geografske dužine, širine i nadmorske visine) prijemnika potrebni su podaci minimum tri satelita, dok je četvrti potreban radi sinhronizacije vremena. • Sateliti lete na visini od oko 20.000 km iznad zemlje. Ukoliko znamo rastojanja od nekoliko satelita, a zatim sa svakog od njih opišemo sferu čiji je poluprečnik rastojanje do satelita, u preseku ćemo dobiti našu poziciju. Pogledajte sledeće slike:

5. slika 2 • Opišimo sferu čiji je poluprečnik udaljenost od satelita do tražene tačke. Ta tačka se nalazi negde na površini sfere (slika 2). • slika 3 • Ako se zatim opiše i sfera oko drugog satelita, naš položaj biće sužen na kružnicu nastalu kao presek dve sfere(slika 3).

6. slika 4 • Presekom i sfere opisane oko trećeg satelita, mogući položaj svodi se na samo dve tačke (slika 4). Jedna od njih je obično negde u svemiru, čime je isključena kao tačan odgovor. Ovim je naš položaj precizno određen na osnovu preseka dužina sa tri satelita.

7. UPOTREBA GPS-a • Razvoj globalnog satelitskog sistema za određivanje pozicije – GPS, prihvaćen je ne samo u navigaciji već i u raznim GEO-naukama. Mogućnost izračunavanja koordinata 24 sata dnevno bez obzira na meteorološke prilike i nepotrebnost dogledanja među tačkama, vrlo brzo su GPS prijemnike učinile korisnim i opšteprihvaćenim terenskim instrumentom. • Upotreba GPS prijemnika sve je češća, a iznenađuje raznolikost zadataka u kojima ovaj sistem daje pouzdane rezultate. Danas GPS prijemnike osim za vojne potrebe, što je bio osnovni povod izrade sistema, koriste geodeti, šumari, geolozi, geofizičari, geografi, hidrografi, agronomi, ukratko sve struke kojima je neophodan terenski rad. Tako npr, klasična geodetska merenja uglova i dužina elektrooptičkim daljinomjerima radi uspostavljanja državne mreže prvog i drugog reda, prelaze u istoriju geodezije. Mogućnosti tehnologije GPS-a izazvale su, nesumnjivo, najveci skok u razvoju savremene geodezije, tako da mnogi naučnici smatraju metodu GPS-a revolucijom u razvoju geodetske nauke.

8. Osim stručne i profesionalne upotrebe u raznim naukama GPS je našao široku primenu i u svakidašnjem civilnom životu – razni oblici transporta (zemljom, vodom i vazduhom), sport (nautika, padobranstvo, planinarenje, …), pa sve do ugrađivanja GPS-a kao sistema za navigaciju u automobile. Ovo je već jako korisno ako treba da pronađete put do nekog udaljenog grada ili odmarališta.Takođe,razvijeni su sistemi za praćenje vozila koji podatak o svojoj lokaciji putem mreže mobilne telefonije šalju u poseban nadzorni centar. Jednostavnim pozivom u ovaj centar, ili slanjem SMS zahteva, dobićete informaciju o trenutnom položaju, a službe nadzora su povezane i sa nadležnim institucijama koje, u slučaju da je vozilo otuđeno mogu pravovremeno da reaguju. • Prednosti precizne navigacije na moru, u pustinjama, džunglama ili, pak, snežnim bespućima su očigledne. Sve što vam je potrebno za dobru orjentaciju jeste GPS uređaj sa mapama i uvek znate gde ste, bez obzira na nedostatak vizuelnih orjentira.

9. NEDOSTACI • Kao prvo, GPS prijemnik mora da “vidi” satelite da bi uopšte bio u stanju da izračuna svoju poziciju. Ukoliko se između neba i prijemnika nalazi netrasparentna prepreka, GPS uređaj je praktično “slep” i sve što može jeste da korisniku javi da nema očitavanja. Prepreke mogu biti, zidovi tunela, zgrada, garaža... • Atmosferski uticaji takođe mogu da utiču na smanjenje preciznosti uređaja, pa se tako može desiti da utvrđeni položaj odstupa i do više desetina metara od stvarnog. Ovo za uslove pustinje ili otvorenog mora apsolutno nije bitno, ali za naprimer navigaciju u automobilima predstavlja velika odstupanja. • Što se sistema nadzora tiče, ozbiljan problem nastaje i ukoliko nema komunikacije između mobilnog uređaja na vozilu i nadzornog centra. U tom slučaju mobilni uređaj zna gde je ali nije u stanju da tu informaciju prosledi nadzornoj službi. To direktno znači da je nadzorni centar ostao na informaciji o poslednjem položaju koji je očitan i na podacima o praćenim parametrima koje je do tada primio. Takođe, ni GPS uređaji nisu večni i nepokvarljivi. Iako su konstruisani za rad u ekstremnim uslovima (kolebanjatemperature,vlaga,vibracije...), uređaj može da otkaže.

10. GREŠKE PRI MERENJU Postoji nekoliko tipičnih izvora grešaka u GPS pozicioniranju: • SA (Selective Availability) - selektivna dostupnost • greške efemerida • greške časovnika • uticaj jonosfere i troposfere • višestruka refleksija signala • uticaj geometrije satelita slika 5: Sumarni uticaj svih grešaka

11. Selective Availability - SA je namerno kvarenje GPS signala. Kao rezultat uticaja SA, sa jednim autonomnim prijemnikom ne može se postići veća tačnost pozicioniranja od 100 metara. SA je program američkog ministarstva odbrane (DoD) koji je uveden kako bi se otežalo korišćenje ove tehnologije u armijama potencijalnih protivnika SAD. Uticaj SA se uspešno može otkloniti tehnikom diferenciranja, odnosno istovremenim korišćenjem dva GPS prijemnika. Vojni prijemnici imaju mogućnost dekodiranja signala i automatskog uklanjanja uticaja ove greške. Ta vrsta prijemnika u upotrebi je u NATO snagama. OVAJ TIP GREŠKE VIŠE NIJE PRISUTAN, JER JE AMERIČKA VLADA DEKRETOM UKINULA SA DEGRADACIJU 01.05.2000. GODINE. • TAČNOST GPS POZICIONIRANJA • Pozicioniranje samostalnim prijemnikom • Prijemnici sa P(Y) kodom • GIS prijemnici • Geodetski prijemnici • Tačnost GPS prijemnika određena je kvalitetom samog uređaja, kao i primenjenim tehnikama merenja.

12. Geodetski prijemnici • Geodetski prijemnici se koriste za merenja najviše preciznosti. Zavisno od tehnike merenja postiže se tačnost od 1cm pa do nekoliko milimetara. U realnom vremenu obično se postiže tačnost od oko 1 cm. Međutim naknadnom obradom i tehnikama statičkih merenja tačnost se može podići na samo par milimetara. • Primer visoko kvalitetnog prijemnika za mjerenja u realnom vremenu je 4700SL. Osim visoko preciznih geodetskih merenja ovi prijemnici se koriste i za seizmička osmatranja, merenja u rudarstvu i građevinarstvu, kao i brojnim drugim strukama koje zahtevaju precizna mjerenja. IZBOR GPS PRIJEMNIKA • Izbor GPS prijemnika u prvom redu je određen našim potrebama u pogledu tačnosti, a zatim i drugim opcijama (mogućnost registracije podataka, veličina memorije, prateći softver, dimenzije, podrška). Prikazani nivoi tačnosti određuju i klase cena. U klasu najniže tačnosti ulazite sa prijemnicima od nekoliko stotina dolara. Metarska tačnost vas košta nekoliko hiljada dolara, dok za centimetarsku i višu tačnost morate da odvojite od jedne do više desetina hiljada dolara. • Osnovni kriterijumi za izbor GPS prijemnika su: • potreban nivo tačnosti • namena prijemnika (aplikacije) • Tek potom na red dolazi izbor modela i konfigurisanje sistema

13. Izbor prema aplikaciji • Pre izbora GPS sistema korisnik mora specificirati funkcionalne zahteve koje oprema mora zadovoljiti. Ista kategorija prijemnika u različitim konfiguracijima može zadovoljiti različitie potrebe. Na primer slična oprema može biti namenjena za: • merenje • obeležavanje tačaka, linija ili površi • registraciju GIS podataka • navigaciju u vozilu • dispečersku kontrolu vozila • pomorsku ili avio navigaciju • daljinsko upravljanje ili kontrolu raznih uređaja . • U okviru pojedinih oblasti primene, moguće je precizno konfigurisanje opreme. Iako isti prijemnik može podržati razlitčite opcije, postoji čitav niz aplikacija u kojima bi pojedine opcije bile nepotrebne, a svojim učešćem bi povisile cenu sistema.

14. REZULTATI U REALNOM VREMENU I SA NAKNADNOM OBRADOM • Rezultati GPS merenja se mogu dobiti nakon obrade u birou (post processing)ili u realnom vremenu još u toku merenja (real-time). Za rad sa naknadnom obradom dovoljna su dva ili više prijemnika i odgovarajući softver za naknadnu obradu. Za neke aplikacije (obeležavanje, precizna navigacija) ne mogu da se koriste sistemi sa naknadnom obradom. • Sistemi za rad u realnom vremenu zahtevaju dodatnu opremu, kao i dogradnju samih prijemnika (zavisno od modela), tako da su skuplji od sistema sa naknadnom obradom. • Opremu za rad u realnom vremenu, pored odgovarajućih prijemnika, čine još i radio modemi sa odgovarajućim antenama, koji su namenjeni komunikaciji između baze i pokretnih prijemnika .

15. KOMENTAR • Sve brže širenje upotrebe GPS-a prati i stalni razvoj prijemnika. Oni postaju sve manji, brži, pouzdaniji i jeftiniji, potencirajući time svoje korištenje. Današnji ručni GPS prijemnici veličine mobilnog telefona poseduju mogućnost simultanog praćenja do 12 satelita, omogućavajući time rad i u područjima slabijeg prijema signala, npr. u šumi, uskim kanjonima ili u ulicama koje su zaklonjene zgradama. Takvi uređaji prvu poziciju izračunavaju za svega 1-2 minuta, a zatim svake sekunde daju novo izračunate koordinate. Osim pozicije GPS prijemnik računa i brzinu (maksimalna, trenutna i srednja brzina), i smer kretanja. Skoro svi ručni uređaji omogućuju memorisanje od 500 i više tačaka s geografskom koordinatom, vremenom memorisanja podatka i komentarom (kuća, most, potok, i dr.) i 20-tak ruta od 30 tačaka. Memorisane tačke se mogu kablom prebaciti u računar za kasniju obradu. • Noviji ručni GPS uređaji imaju ugrađenu i mapu određenog područja (eMAP, GPS III Plus, Street Pilot, eTrex Legend, eTrex Vista itd.). Ovi prikazi mogu varirati od jednostavne skice okoline, koja služi kao pomoć u orjentaciji, do vrlo detaljnog prikaza ulica u gradovima ili obale sa simbolima svetionika, kablova, marina, sidrišta i sl. Sve češće se u takvim prijemnicima nalaze i baze podataka gradova, mesta, ulica, muzeja, bolnica, restorana, itd. sortirane po određenoj tematici.

16. Služiti se takvim uređajem jednostavno je i gotovo automatizovano. Nakon uključivanja i prijema signala s četiri neophodna satelita uređaj računa prvu poziciju (FIX) nakon čega se možemo kretati po zamišljenoj ili planiranoj ruti. • Budućnost GPS-a je zaista zadivljujuća. Krug korisnika svakodnevno se širi, i iako je kod nas njegova upotreba ograničena ponajpre nedostatkom pokrivenosti teritorije kvalitetnim mapama, sigurno je da GPS prijemnici ulaze u naš svakodnevni život poput telefona, radio prijemnika ili televizora.