GPScentrala

GPS teorija U ovom, prvom delu priče o GPS tehnologiji pozabavićemo se malo teorijom. Možda vas sve to i ne zanima, a možda i nije zaista bitno za vašu sposobnost uspešnog korišćenja GPS uređaja u cikloturingu ili planinarenju. Ako je tako, slobodno pređite na sledeću sekciju. Ako pak želite da vas argumentovano uverimo da GPS nije nikakva "špijunska" naprava pomoću koje neka tajna služba može da "zna" gde se vi nalazite, odnosno ako želite da saznate kako zapravo GPS sistem funkcioniše, pročitajte sledeće redove, od početka ili na preskok. Poglavlja su: Šta je GPS Kako radi GPS Polja primene

 

dr Boris Stanojević

Šta je GPS?

Možemo posmatrati razvoj ideje GPSa iz dve perspektive. Jedna se odnosi na samo funkcionisanje, sa sve tehničkim detaljima i izazovima, kao i sa njenom prvobitnom namenom. Drugi pravac je mnogo romantičniji i ističe razvoj potrebe za takvom vrstom uređaja kod običnih ljudi. Uzima se da je prva pojava navigacije u kolima bila u filmu o Džems Bondu (ljubitelji ovog serijala bi primetili da je to normalno) pod nazivom „Goldfinger“, daleke 1964, gde je sličan uređaj bio ugrađen u „Aston Martina“. Iako je bio namenjen za praćenje „neprijatelja“, sve druge odlike sistema su bile prisutne: pokazivao je poziciju Bonda, ali i Goldfingera. Zanimljivo je da je u filmu ekran bio na istom mestu na kome se nalazi i danas kod većine kola sa ugrađenim GPS sistemom.

Dalje su se ideje samo množile i raspaljivale maštu gledalaca, ali i pronalazača, tako da se istinski razvila potreba za takvim uređajem. Nakon primene u vojne svrhe, ceo sistem se probio u civilnu sferu prvenstveno u automobilima. Ovakav razvoj događaja je logičan iz više uglova: glavni razlozi su dimenzije uređaja, potrošnja struje i antena. Kod automobila uvek ima mesta da se tako nešto postavi, ima i dovoljno struje i pogodnih lokacija za prijemnu antenu. Drugi razlog leži u činjenici da vam takav uređaj najčešće i treba u kolima, jer ćete njima najlakše i zalutati, pogotovu u zemlji gde nema pristojnih putokaza na putevima. Kao kuriozitet vezan za ovu temu vredi pomenuti urbanu legendu iz pionirskih dana GPS-a, po kojoj je mladi par u Mercedesu slepo verovao navigacionom sistemu koji ih nije obavestio da nema mosta preko reke već da treba sačekati trajekt – early adopter par se okupao u sred noći. Ne mogu da proverim istinitost ove priče, ali znam da sam pre par meseci verovao više putokazu nego GPS uređaju u Deliblatskoj peščari i omašio izlaz (loše okrenut – dvosmisleno postavljen putokaz).

Kako se elektronika razvijala, tako su se širili modaliteti upotrebe i namene. Danas imamo primere da i proizvođači patika u neke modele ugrađuju GPS senzore tako da kasnije možete bolje analizirati rekreaciju ili trening, što mi sada deluje preterano, ali pitajte me ponovo kroz 10 godina. Onaj pravi istorijat GPS sistema odnosi se na njegov tehnički razvoj. Moderno je tvrditi da su nove tehnologije što starije, pa ako su počeli da slave nastanak Interneta kada sa pojavom prvog umrežavanja kompjutera, onda je u redu reći da je začetak ove tehnologije u 1957. godini kada su Rusi lansirali prvi veštački satelit – veštačku „zvezdu“, a američki naučnici sa MIT računali njen položaj samo proučavajući radio-signal sa nje. Na osnovu ovih iskustava bilo je nekoliko ideja i pokušaja (što uspelih što neuspelih) realizacije navigacije pomoću satelita, ali to nisu bili sistemi koji su omogućavali ovako široku primenu. Svi projekti su, očekivano, bili vezani za vojne potrebe, pre svega kao podrška podmornicama i raketama.

Ideja GPS-a u današnjem smislu te reči nastaje i dalje daleke 1973. godine kada se tražio neki nepogrešivi način navigacije. Tvorac ideje i realizacije bilo je ministarstvo odbrane Sjedinjenih država. Brzo se započelo sa operacionalizacijom te ideje i već je 1978. godine lansiran prvi od 24 satelita ovog navigacionog sistema. Poslednji satelit postavljen je u orbitu 26. juna 1993. godine, čime je kompletiran satelitski prsten oko naše planete, koji se sastoji od šest slojeva po četiri satelita, tako da je na bilo kojoj tački na svetu moguće videti najmanje 4, a maksimalno 12 satelita. Treba istaći da ovo nije jedini satelitski sistem za navigaciju – Evropa (Galileo) i Rusija (Glonass) imaju svoje, od kojih je ovaj potonji spreman i za civilnu upotrebu.

Da bi i „obični smrtnici“ koristili sistem, mora da bude ispunjen još jedan uslov – ne sme biti ratnih dejstava u regionu u kome želite da ga koristite a u kome zemlja koja je vlasnik ovog sistema ima interes. Naime, ovaj sistem je izgrađen za vojne potrebe i koštao je 12 milijardi dolara. Iako u početku nije bilo predviđeno da se tačne informacije prosleđuju civilima, ovo se kasnije promenilo pod pritiskom kompanija koje su videle velike profite od nove tehnologije. Ipak, u početku su emitovana dva signala, jedan precizni, namenjen vojnoj upotrebi, i drugi, primetno manje precizan, u koji su dodatno unosili greške. Tada su pojedine institucije (razni geo instituti) imale pravo da koriste precizan GPS u naučne svrhe, ali su na dešifrovanje podataka koje je senzor očitao morali da čekaju i po nekoliko nedelja, čime su se štitili vojni interesi – GPS navigacija nije mogla da radi u realnom vremenu.

Godine 1998. ubrzo nakon što je sistem postigao punu funkcionalnost, predsednik SAD Bil Klinton potpisao je ukaz kojim se nalaže da se u periodu od 2000. do 2006. godine ovaj sistem u potpunosti ponudi i civilnom sektoru. Ova odluka sprovedena je vrlo brzo tako da je od 2. maja 2000. GPS navigacija postala precizna i za obične korisnike u realnom vremenu. U daljem tekstu ćemo pokazati koliko precizna, a do tada napomena da SAD uvek mogu ukinuti tačan signal ako im je to neophodno za vojna dejstva, tj. šifrovati ga. Da bi stvar bila komplikovanija, postoje ometači GPS-a čija je osnovna namena ometanje kretanja navođenih raketa. Filmski stvaraoci su ovakvu temu iskoristili za još jedan film o Džems Bondu – Tomorow never dies, kada je lažni GPS signal skrenuo brod sa kursa. No, nadamo se da su ta nesrećna vremena iza nas i da ćemo sa te strane moći mirno da koristimo tehnologiju na koju smo se već navikli, a u filmovima samo uživati.

Kako radi GPS

Da počnemo od nečega što unosi zabunu kod mnogih ljudi: GPS sateliti vas ne prate niti „znaju“ gde se vi nalazite. Delu starije populacije, kojoj su pričali bajke o satelitima, deluje logičnije da vaš GPS uređaj šalje nešto što sateliti vide pa vam onda jave vaš položaj, ali bi to bilo mnogo komplikovanije uraditi od stvarnog rešenja. Kad sam bio mali, u okviru radio-amaterskih takmičenja postojao je „lov na lisicu“, tj. na skriveni radio predajnik – takmičenje u radio-goniometrisanju. Dobili biste mapu, zatim merili u kom je pravcu predajnik na osnovu minimuma prijema, ucrtali ga, zatim se udaljili i opet izmerili pravac, i u preseku te dve prave nalazila se „lisica“.

U slučaju GPS sistema nije tako – sistem je zasnovan na obratnoj situaciji u kojoj vi znate gde se sateliti nalaze i na osnovu njihovih položaja (potrebno je najmanje 3-4 satelita za iole preciznu navigaciju) računate gde se nalazite na zemlji. Sve to uopšte nije jednostavno kao što možda deluje na prvi pogled. Ovde se ne radi o običnoj triangulaciji koja se koristi za lociranje npr. predajnika na zemljinoj površini. Da uzgred objasnimo i taj čuveni motiv u akcionim filmovima: naći nekoga preko signala mobilnog telefona. Princip je sličan kao i kod GPS-a ali se odvija u dve dimenzije tj. u ravni. Određivanje lokacije mobilnog se opet ne zasniva na „lovu na lisice“, već na računanju udaljenosti aparata od antene. Jedan od parametara koji se meri prilikom komunikacije mobilnim telefonima jeste vremensko kašnjenje od bazne stanice do aparata. Na osnovu ovog podatka i poznate brzine prostiranja signala dolazimo do dužine puta koji signal pređe. U idealnom slučaju to jeste udaljenost, ali ima varijacija zbog odbitaka (signal prelazi put koji je duži nego kada bi pratio pravu liniju). Oko jedne stanice opiše se kružnica na kojoj se može nalaziti aparat. Ako se uzme podatak sa još jedne dobijamo dve tačke u kojima može biti telefon – presek te dve kružnice. Sa trećom već imamo tačnu lokaciju.

U preseku tri sfere oko satelita nalazi se GPS prijemnik

U slučaju GPS sistema računaju se preseci sfera opisanih oko satelita. GPS prijemnik očitava signale koje emituju sateliti, na osnovu njih određuje koliko je kašnjenje i time određuje udaljenost satelita od njega. Pošto je brzina svetlosti velika, potrebni su zaista precizni časovnici u satelitima da bi svi signali bili sinhronizovani. Zato se u njima nalaze atomski časovnici koji mogu obezbediti traženi nivo preciznosti.

Ovde dolazi priča o Ajnštajnu i teoriji relativnosti. Kada smo je učili u školi, izgledalo nam je da nam neće biti potrebna u svakodnevnom životu, ali pojavila se namena za čiju realizaciju je neophodno uzeti u obzir fenomene koji proističu iz opšte i specijalne teorije relativnosti. Da bi preciznost bila zadovoljavajuća, potrebna je odlična sinhronizacija satova na satelitima u poređenju sa zemaljskim vremenom – da bi se ostvario tipičan nivo greške pozicije od 5-10 metara potrebna je preciznost satova od 20 do 30 nanosekundi. Atomski časovnici to garantuju, ali dok su na Zemlji tj. dok „stoje“. U satelitima se nalaze na popriličnoj udaljenosti od Zemlje (20.000 km), pa moramo uzeti u obzir dejstvo opšte teorije relativnosti i bržeg „kucanja sata“ ako je dalje od velike mase, što znači da je greška koju unosi u sistem 45 mikrosekundi dnevno.

Sateliti se kreću u odnosu na posmatrača (nisu geostacionarni) brzinom od 14.000 km/ Kako radi GPS U preseku tri sfere oko satelita nalazi se GPS prijemnik tako da je efekat specijalne teorije kašnjenje od 7 mikrosekundi dnevno. Razlika od 38 mikrosekundi što dovodi do pojave brzog nagomilavanje greške koja postaje vidljivo posle samo par minuta, na dnevnom nivou meri se kilometrima. Na sreću, ovi fenomeni su poznati nau ci odranije, pa su na vreme anticipirani problemi koje oni stvaraju, tako da danas zahvaljujući Ajnštajnu i modernoj fizici imamo uređaje koji rade praktično besprekorno.

Zbog mogućnosti greške poželjno je primati signal sa što većeg broja satelita. Potrebno je najmanje 3 do 4 satelita i to iz različitih pravaca da bi se pravilno odredila lokacija. Ako se određuju koordinate novog položaja, biće potrebno duže vreme očitavati podatke sa satelita, meriti vreme i računati udaljenost pre nego što se postigne prihvatljiva tačnost – to je tzv. hladni start. Ukoliko samo nastavljate gde ste stali – npr. parkirali kola, odmorili se neko vreme i nastavljate put, onda je to vrući start i GPS će osetno brže imati željene podatke. I još je važno da se pokrije što veći segment neba, da su sateliti koje prima uređaj što udaljeniji jedni od drugih jer će tako i preciznost biti bolja.

Ima više faktora koji mogu uticati na tačnost merenja koordinata. Prvi se odnosi na propagaciju signala kroz jonosferu i troposferu – zbog promene svojstava u tim slojevima atmosfere će doći do „prelamanja“ puta kojim ide signal tako da će prelaziti veći put pa će izgledati da je uređaj dalje od satelita nego što stvarno jeste. Takođe, signal se odbija od okolnih objekata pa nemate pravu informaciju o daljini ili preciznom položaju satelita. Na smanjenje preciznosti utiče i broj vidljivih satelita i loša geometrija, ako ih primate samo iz jednog pravca, što je problem u urbanim uslovima.

Dodatna preciznost postiže se na nekoliko načina koji uglavnom podrazumevaju da merite poziciju stacionarnog objekta (npr. planinskog vrha), te imate i dovoljno vremena za što veći broj merenja. Greške nastale zbog satelita i propagacije njihovih signala mogu se kompenzovati uz pomoć predajnika na zemlji. Postoje stanice na zemlji koje se nalaze na poznatim lokacijama i koje primaju signale sa GPS satelita i upoređuju ih sa onime što treba da se dobije od njih. Na taj način primetiće grešku, izračunaće je i ona će biti prosleđena geostacionarnim satelitima koji emituju ove podatke. Tako je izbegnuta potreba za mrežom zemaljskih stanica za emitovanje ovih signala. Ako je vaš GPS risiver opremljen WAAS opcijom (a većina novijih jeste), uključite je i dobićete veću preciznost, a poznaćete je po tome što će vam negde na ekranu pisati DGPS ili diff. GPS, ili će na sličici sa satelitima na nekim barovima koji označavaju jačinu signala sa njih stajati slovo D.

Taj sistem se u Evropi zove EGNOS i potpuno je kompatibilan sa WAAS u Americi, tako da će ga razumeti svi GPS uređaji. Možete odlučiti da ga ne uključite samo da biste prištedeli bateriju na uštrb preciznosti, koja vam nije uvek neophodna. Kada se, na primer, vozite glavnim putevima i koristite mapu koja na sebi ima mrežu puteva, a ne običnu topografsku mapu, onda preciznost koju vam WAAS tehnologija omogućuje nije neophodna jer se podrazumeva da ste na putu pa se auto „lepi“ za najbliži put ili ulicu. Retko kada će dve ulice biti na međusobnom rastojanju manjem od 10 m koje bi moglo da zbuni uređaj.

Rezimirajmo, dakle, sve što je rečeno o GPS uređajima:

• GPS uređaj je u suštini samo prijemnik, ništa ne emituje
• Pozicija korisnika servisa se računa na osnovu merenja kašnjenja signala sa satelita poznatog položaja
• Što više satelita sa što veće površine neba je vidljivo za GPS uređaj, to se pozicija preciznije računa
• Postoje raznorazni načini za dodatno poboljšanje preciznosti koji su dostupni civilnom sektoru

Polja primene

Prva asocijacija kada se spomene GPS tehnologija je automobil – ko nije zalutao u nepoznatom (a ponekad i u poznatom) gradu? Zato su GPS uređaji najpre ugrađivani u automobile i jahte, a javila se i ideja praćenja vozila, što je opet imalo svoje lepe početke u filmovima. Umesto predajnika koji mora da se „goniometriše“ (pominjani „lov na lisice“), u vozilo se postavi GPS prijemnik koji će određivati lokaciju vozila. Drugi deo priče se odnosi na emitovanje te pozicije preko nekog uređaja na mesto odakle se prati vozilo. Nekako u isto vreme mobilna telefonija je postala zrela i raširena tehnologija tako da je logično bilo da se preko njene mreže šalju podaci. Zato nekada nastaje zabuna oko terminologije – GPS, GSM, GPRS – samo se prva skraćenica odnosi na navigaciju. Kad se ostvari sprega sa trećom tehnologijom koja je krajem prošlog veka imala veliku ekspanziju – Internetom – eto lepota iz filmova: sedite u kancelariji i na ekranu pratite crvene tačkice koje označavaju položaje vozila vaših zaposlenih.

U poslovnim ili ozbiljnim aplikacijama, pored pomenutog praćenja vozila, GPS sistem pomaže čitavom nizu delatnosti, od raznih građevinskih poduhvata do proučavanja geoloških fenomena – vulkani, zemljotresi i sl. Građevinci će brže i tačnije odrediti optimalne tačke za izgradnju velikih objekata, projektovati trase puteva, dalekovoda, gasovoda i sl. Geolozi mogu da mere pomeranja tla, razdvajanja pukotina i sl. pojava koje mogu ukazati na neke od potencijalnih katastrofa kao što je erupcija vulkana.

Razvojem prihvatljivo malih uređaja koje ste mogli nositi sa sobom ljubitelji prirode su ostvarili veću slobodu kretanja. Iako se u početku mislilo na lovce i ribolovce, spisak korisnika se proširio. Lovcima je od značaja bilo da na kraju nađu svoja kola, što nije uvek lako – i kod nas ima divljina u kojima je lako zalutati, a kamoli na nekim drugim kontinentima. Ribolovcima je više značilo da mogu da se vrate na mesto koje su otkrili. U početku su se zadovoljavali osnovnim funkcionalnostima bez snalaženja na mapi: uređaj je mogao da pamti nekoliko pozicija, od kojih je jedna obično polazna tačka (kola) a ostalo su raskrsnice i sl. markeri. Uređaj je mogao da vam pokaže pravac u kome se nalazi tačka do koje želite da dođete. Kad ste u prirodi i to je nekada dovoljno, a svakako pruža veće mogućnosti od onih koje su vam ranije bile dostupne.

Iako ovako rudimentarni sistem navigacije bez mapa deluje zastarelo, njega možete sresti i na novim generacijama uređaja jer je minijaturizacija uzela maha, tako da se sada mogu kupiti GPS uređaji koji se nose kao ručni sat. Ovi gedžeti namenjeni su pre svega rekreativcima koji džogiraju, šetaju ili voze bicikl. Obično su spojeni sa uređajem za kontrolu rada srca, a moguće su dodatne funkcije kao što je merenje kadence (broj obrtaja pedala) na biciklu. Kada završite trening, na kompjuter prebacite putanju (tracklog) kojom ste išli sa svim potrebnim parametrima, tako da je možete analizirati i unaprediti svoj trening.

Dalji razvoj tehnologije PDA uređaja koji su dobili jake procesore, više memorije i bolje ekrane, doveo je do pojave novih GPS dodataka koji postaju mali, vodootporni i slično, ali i do ekrana koji mogu prikazati mapu. Memorija je tu bila bitan faktor, jer u kolima ili na notebook uređajima mape držite ili na CD/DVD-u ili na hard disku. Flash memorijske kartice su drastično pojeftinile u poslednjih par godina, ekrani su napredovali, dobili boju, procesori su sve brži, baterije sve duže izdržavaju, a i broj modela je sve veći, tako da će svako naći „idealnu“ kombinaciju. Ako želite da se šetate po gradu i ponekad krenete kolima, usput dobijate i plejer za muziku i druge multimedijalne sadržaje. Ako pak želite da istražujete prirodu, imate uređaje u mnogo verzija, sa ugrađenim kompasima, barometrima, toki-voki opcijama, otporne na vremenske uslove. Počeli su da se ugrađuju i u fotoaparate. Svi se povezuju sa kompjuterom tako da vam je omogućeno da čuvate detaljne podatke o svom kretanju. Još samo da nam žene ne traže tracklog sa službenih putovanja i sastanaka...

GPScentrala