Εισαγωγή
Η πρώτη επαφή μου με το GPS ήταν πίσω στο 2005. Ακόμα τότε, τα συστήματα πλοήγησης ήταν πολύ ακριβά και στην Ελλάδα πολύ σπάνια. Οι λίγοι που εκείνη την εποχή αποφάσισαν να επενδύσουν σε εξοπλισμό GPS, ανακάλυψαν πρώτοι πως αυτό το θαύμα της τεχνολογίας λειτουργούσε. Η δωρεάν χρήση του συστήματος ξεκίνησε ουσιαστικά το 2001, αλλά το ενδιαφέρον για τη δημιουργία χαρτών πλοήγησης ξεκίνησε στην Ελλάδα με την ευκαιρία των Ολυμπιακών αγώνων του 2004, κι ενός σχετικού διαγωνισμού για την παροχή χαρτών. Ο σπόρος είχε πέσει, και οι περισσότεροι που τότε ασχολήθηκαν με τον ένα ή τον άλλο τρόπο με το θέμα, βρέθηκαν αργότερα να προσφέρουν χάρτες Ελλάδας, μάλιστα μετά από απίστευτες μεταξύ τους διαμάχες, και τη διαμόρφωση τελικά μερικών μετρημένων στα δάχτυλα του ενός χεριού εταιριών, όπως σήμερα τις γνωρίζουμε, αλλά πλέον με αμφίβολο μέλλον.

Πραγματικά, είναι ένα θαύμα, πως ένα μικρό μαύρο κουτί κάθεται στο ταμπλό του αυτοκινήτου μας ή βρίσκεται στο χέρι μας, αναγνωρίζοντας πού βρισκόμαστε οπουδήποτε στην επιφάνεια του πλανήτη, με ακρίβεια περίπου 10 μέτρων για τους καταναλωτές, και σήμερα πολύ καλύτερα μέσω διαφόρων συστημάτων βελτιστοποίησης. Οι συσκευές λαμβάνουν σήμα από δορυφόρους που βρίσκονται σε τροχιά πάνω από τη γη, σε υψόμετρο πάνω από 11.000 μίλια. Καθόλου άσχημα για συσκευές που δεν είναι συνδεδεμένες με κάποιο δίμετρο πιάτο.

Ιστορικό - Navstar
Το Global Positioning System (GPS) που χρησιμοποιούμε λέγεται επίσης Navstar, και πληρώνεται και λειτουργεί από το Αμερικανικό Υπουργείο Άμυνας. Αυτό το Παγκόσμιο Δορυφορικό Σύστημα Πλοήγησης (GNSS) είναι σήμερα το μόνο πλήρως λειτουργικό σύστημα. Βεβαίως η Ρωσία έχει το GLONASS, η Κίνα έχει το COMPASS, και η Ευρωπαϊκή Ένωση το GALILEO, σε διάφορα στάδια της ανάπτυξης ή δοκιμών.

Ως στρατιωτικό σύστημα, το Navstar είχε αρχικά σχεδιαστεί για αποκλειστική στρατιωτική χρήση, αλλά δόθηκε πρόσβαση σε πολιτικούς χρήστες από το 1983. Τότε η ακρίβεια για τους πολιτικούς χρήστες ήταν σκόπιμα υποβαθμισμένη σε περίπου 100 μέτρα, χρησιμοποιώντας ένα σύστημα γνωστό ως επιλεκτική διαθεσιμότητα, κάτι που εξαλήφθηκε το Μάιο του 2000.

Το Δορυφορικό Δίκτυο
Οι δορυφόροι GPS μεταδίδουν σήματα σε ένα δέκτη GPS. Αυτοί οι δέκτες λαμβάνουν παθητικά το δορυφορικό σήμα. Δεν μεταδίδουν και απαιτούν μια ανεμπόδιστη θέα του ουρανού, έτσι ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά σε εξωτερικούς χώρους. Οι πρώτοι δέκτες δεν απέδιδαν καλά σε δασικές περιοχές ή κοντά σε ψηλά κτίρια, αλλά αργότερα δέκτες όπως οι SiRFstarIII, ΜΤΚ κ.α. έχουν ξεπεράσει σε μεγάλο βαθμό αυτό το πρόβλημα και διαθέτουν βελτιωμένη απόδοση και σημαντική ευαισθησία. Οι λειτουργίες του GPS εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την πολύ ακριβή χρονική αναφορά, η οποία παρέχεται από ατομικά ρολόγια επί των δορυφόρων.

Κάθε δορυφόρος μεταδίδει τα δεδομένα που δείχνουν τη θέση του και την τρέχουσα ώρα. Όλοι οι δορυφόροι του συστήματος GPS εκτελούν συγχρονισμένες εργασίες, έτσι ώστε αυτά τα επαναλαμβανόμενα σήματα να μεταδίδονται ακριβώς την ίδια στιγμή. Τα σήματα, που κινούνται με την ταχύτητα του φωτός, φτάνουν στο δέκτη GPS σε ελαφρώς διαφορετικούς χρόνους, επειδή ορισμένοι δορυφόροι βρίσκονται μακρύτερα από άλλους. Η απόσταση από τους δορυφόρους καθορίζεται με υπολογισμό του του χρόνου που χρειάζεται για να φθάσουν τα σήματά τους στο δέκτη. Όταν ο δέκτης υπολογίσει την απόσταση από τουλάχιστον τέσσερις δορυφόρους GPS, τότε μπορεί να υπολογίσει τη θέση μας σε τρεις διαστάσεις.

Υπάρχουν τουλάχιστον 24 επιχειρησιακά ενεργοί δορυφόροι GPS σε λειτουργία ανά πάσα στιγμή, καθώς και ένας αριθμός εναλλακτικών. Οι δορυφόροι, που λειτουργούν από το Υπουργείο Άμυνας των ΗΠΑ, ολοκληρώνουν μια τροχιά με περίοδο 12 ωρών (δύο τροχιές ανά ημέρα) σε ύψος περίπου 11.500 μιλίων, ταξιδεύοντας με ταχύτητα 9.000 μίλια/ώρα (3,9 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ή 14.000 χλμ. την ώρα). Σταθμοί εδάφους χρησιμοποιούνται για να παρακολουθούν με ακρίβεια την τροχιά του κάθε δορυφόρου.

Τα σήματα GPS μεταδίδονται με ισχύ που ισοδυναμεί με αυτή μιας λάμπας 50 Watt. Σκεφτείτε αυτό το χαμηλής ισχύος σήμα να διαπερνά την ατμόσφαιρα, πριν φτάσει στις συσκευές μας μετά από ένα ταξίδι 11.500 μιλίων. Συγκρίνετε αυτό με ένα τηλεοπτικό σήμα, που διαβιβάζεται από ένα μεγάλο πύργο 10 - 50 χιλιόμετρα μακριά μας, με ένα επίπεδο ισχύος της τάξης των 5 - 10.000 Watt. Συγκρίνετε τώρα το μέγεθος της κεραίας της τηλεόρασής σας, με εκείνη του GPS σας. Εκπληκτικό!

Πώς προσδιορίζεται η Θέση
Ένας δέκτης GPS γνωρίζει τη θέση των δορυφόρων, επειδή οι πληροφορίες αυτές περιλαμβάνονται στη μεταδιδόμενη Εφημερίδα των δεδομένων (δείτε παρακάτω). Εκτιμώντας από την ταχύτητα μετάδοσης πόσο μακριά είναι ένας δορυφόρος, γνωρίζοντας επίσης ότι βρίσκεται κάπου στην επιφάνεια μιας φανταστικής σφαίρας. Από τα διαφορετικά σήματα κάθε δορυφόρου ξεχωριστά, καθορίζει που βρίσκεται το σημείο διασταύρωσης, δηλαδή η θέση μας πάνω στη σφαίρα.

Ακρίβεια GPS
Η ακρίβεια της θέσης που καθορίζεται με το GPS εξαρτάται από τον τύπο του δέκτη. Οι περισσότερες καταναλωτικές συσκευές GPS έχουν ακρίβεια της τάξης των 10 μέτρων. Άλλοι τύποι δεκτών χρησιμοποιούν μια μέθοδο που ονομάζεται Differential GPS (DGPS), για να λάβουν πολύ υψηλότερη ακρίβεια.

Πώς καθορίζεται ο χρόνος;
Όλοι οι δορυφόροι GPS έχουν πολλά ατομικά ρολόγια. Το σήμα που στέλνεται έχει μια τυχαία σειρά, κάθε μέρος της οποίας είναι διαφορετικό από κάθε άλλο, που ονομάζεται pseudo-random code. Αυτή η τυχαία ακολουθία επαναλαμβάνεται συνεχώς. Όλοι οι δέκτες GPS γνωρίζουν αυτή τη σειρά και την επαναλαμβάνουν εσωτερικά. Ως εκ τούτου, οι δορυφόροι και οι δέκτες πρέπει να είναι σε συγχρονισμό. Ο δέκτης παίρνει τη μετάδοση του δορυφόρου και συγκρίνει το εισερχόμενο σήμα με το εσωτερικό. Με τη σύγκριση, ο χρόνος που χρειάζεται ένα σήμα για να φθάσει μπορεί να υπολογιστεί με ακρίβεια.

Από τι αποτελείται το σήμα των δορυφόρων;
Οι δορυφόροι GPS μεταβιβάζουν σήματα δύο συχνοτήτων. Αυτά χαρακτηρίζονται ως L1 και L2. Ένα πολιτικό GPS χρησιμοποιεί τη συχνότητα του σήματος L1 (1575.42 MHz) στη ζώνη των UHF. Τα σήματα θα περάσουν μέσα από σύννεφα, γυαλί, πλαστικά κ.α., αλλά δεν θα περάσουν μέσα από στερεά αντικείμενα, όπως τα κτίρια και τα βουνά.

Το σήμα GPS περιέχει τρεις διαφορετικές πληροφορίες
Pseudo random code - Ψευδο-τυχαίος κωδικός: Είναι απλά ένας κωδικός αναγνώρισης που εντοπίζει ποιος δορυφόρος διαβιβάζει πληροφορίες.
Almanac data - Ημερολόγιο δεδομένων: Είναι δεδομένα που περιγράφουν την τροχιακή θέση των δορυφόρων. Κάθε δορυφόρος μεταδίδει τέτοια δεδομένα για κάθε άλλο δορυφόρο. Ο δέκτης GPS χρησιμοποιεί αυτά τα δεδομένα για να καθορίσει τους δορυφόρους που περιμένει να δει στον τοπικό ουρανό. Στη συνέχεια μπορεί να καθορίσει τους δορυφόρους που θα πρέπει να παρακολουθεί. Έτσι ο δέκτης μπορεί να επικεντρωθεί σε αυτούς τους δορυφόρους που μπορεί να δει και να αγνοήσει αυτούς που θα είναι εκτός του οπτικού του πεδίου. Τα στοιχεία αυτά δεν είναι ακριβή και μπορεί να έχουν ισχύ πολλών μηνών.
Ephemeris data - Εφημερίδα των δεδομένων: Είναι τα δεδομένα που ενημερώνουν το δέκτη που θα πρέπει να βρίσκεται κάθε δορυφόρος ανά πάσα στιγμή στη διάρκεια της ημέρας. Κάθε δορυφόρος μεταδίδει τα δικά του στοιχεία που δείχνουν την τροχιακή πορεία του. Επειδή τα στοιχεία αυτά είναι πολύ ακριβή και απαιτούνται για τον ακριβή προσδιορισμό της θέσης, η ισχύς τους είναι πολύ μικρότερη. Μεταδίδονται κάθε 30 δευτερόλεπτα, και θεωρούνται έγκυρα μέχρι για 4 ώρες. Κάποιοι κατασκευαστές τα θεωρούν άχρηστα μετά από μόλις 2 ώρες.

Cold Start & Warm Start και κλείδωμα θέσης
Οι τρεις διαφορετικές εκδοχές που ξεκινά ένας δέκτης GPS:
Factory Start: Όλα τα δεδομένα θεωρούνται άκυρα.
Cold Start: Το ημερολόγιο δεδομένων είναι εντάξει, αλλά η Εφημερίδα έχει λήξει.
Warm Start: Το ημερολόγιο δεδομένων και η Εφημερίδα έχουν λήξει.

Για να υπολογιστεί ένα PVT (θέση, ώρα, ταχύτητα) ο δέκτης θα ψάξει για δορυφόρους με βάση το ημερολόγιο. Αν βρει έναν ή περισσότερους από τους δορυφόρους που αναμένεται να δεί, θα κλειδώσει το δορυφόρο και θα αρχίσει η λήψη δεδομένων του αστρονομικού ημερολογίου. Όταν τα δεδομένα από τρεις δορυφόρους έχουν ληφθεί, μια ακριβής αποτύπωση θέσης υπολογίζεται.

Εάν κινείστε, ενώ ο δέκτης προσπαθεί να κανει αυτή τη διαδικασία, μπορεί το κλείδωμα της θέσης να διαρκέσει πολύ περισσότερο από ότι θα κάνει αν είστε σε στάση. Ο δέκτης πρέπει να κάνει τη λήψη των αστρονομικών δεδομένων χωρίς σφάλματα, τα δεδομένα μεταδίδονται σε τρία πακέτα. Σε περίπτωση που κάποιο πακέτο δεν ληφθεί σωστά, τότε θα πρέπει να ξεκινήσει από την αρχή.

Αν προσπαθείστε να ενεργοποιήσετε το δέκτη GPS σε απόσταση μεγαλύτερη από μια - δυο εκατοντάδες χιλιόμετρα από την τελευταία φορά, τότε τα δεδομένα του αστρονομικού ημερολογίου στις περισσότερες περιπτώσεις δεν θα είναι πλέον έγκυρα. Ο δέκτης θα πρέπει να ψάξει για δορυφόρους στον ουρανό, και στην ουσία θα κάνει ένα εργοστασιακό ξεκίνημα. Αυτό θα οδηγήσει πιθανώς σε αυξημένο χρόνο κλειδώματος θέσης.

QuickFix
Το QuickFix είναι ένα χαρακτηριστικό που παρέχεται από ορισμένους κατασκευαστές / συσκευές. Για τον αρχικό υπολογισμό του στίγματος, το GPS chipset πρέπει να βρει τουλάχιστον 4 δορυφόρους με ένα αρκετά ισχυρό σήμα (28 dBHz ή περισσότερο). Πρέπει επίσης να διατηρήσει τους δορυφόρους και την ισχύ του σήματος για περίπου ένα λεπτό, ώστε να κατέβουν τα απαραίτητα δεδομένα για τον υπολογισμό της θέσης μας.

Εάν σε οποιαδήποτε στιγμή ο δέκτης GPS χάσει το σήμα του δορυφόρου ή το σήμα πέσει κάτω από τα 28 dBHz, τότε πρέπει να αρχίσει ξανά από την αρχή. Σε ένα πραγματικό σενάριο για παράδειγμα, μπορεί οδηγώντας μεταξύ ψηλών κτιρίων σε αστικές χαράδρες, η κατάσταση να γίνει προβληματική.

Το αρχείο QuickFix που κατεβαίνει μέσω διαδικτύου αποτελεί μέρος της λύσης αυτού του προβλήματος. Οι δέκτες SiRF ονομάζουν το ίδιο πράγμα Instant Fix (I Edition) και άλλοι δέκτες A-GPS (assisted GPS). Το αρχείο περιέχει τα απαραίτητα αστρονομικά δεδομένα με ισχύ 7 ημερών, που χρησιμοποιούνται για ταχύτερο κλείδωμα θέσης (5 - 15 δευτερόλεπτα) αντί να γίνει λήψη από τους δορυφόρους.

Η ισχύς του σήματος που απαιτείται στη συνέχεια για τον υπολογισμό της θέσης, είναι πολύ χαμηλότερη από τα 28dbHZ που θέλαμε για τη λήψη των παραπάνω από τους δορυφόρους, χρειαζόμαστε μόνο 15 dBHz. Εδώ είναι και η εξήγηση για το πολύ γρήγορο και ακριβές κλείδωμα θέσης των σύγχρονων smartphones, παρά τη χαμηλότερη ισχύ λήψης σήματος σε σχέση με ένα καλό δέκτη GPS σε PND.

Πηγές σφάλματος σήματος GPS
Παράγοντες που μπορεί να υποβαθμίσουν το σήμα GPS και επομένως, επηρεάζουν την ακρίβεια:
Καθυστερήσεις από την ιονόσφαιρα και την τροπόσφαιρα. Το δορυφορικό σήμα επιβραδύνεται καθώς περνά μέσα από την ατμόσφαιρα. Το σύστημα GPS χρησιμοποιεί ένα ενσωματωμένο μοντέλο που υπολογίζει το μέσο ποσό της καθυστέρησης για την εν μέρει διόρθωση του σφάλματος
Πολλαπλοί αντικατοπτρισμοί. Αυτό συμβαίνει όταν το σήμα GPS αντικατοπτρίζεται σε αντικείμενα όπως τα ψηλά κτίρια ή μεγάλοι βράχοι και άλλες επιφάνειες, πριν φτάσει στον δέκτη. Αυτό αυξάνει το χρόνο λήψης του σήματος, προκαλώντας σφάλματα στον υπολογισμό του χρόνου, άρα της απόστασης του δορυφόρου.
Σφάλματα ρολογιού. Το ενσωματωμένο ρολόι του δέκτη δεν είναι τόσο ακριβές όσο τα ατομικά ρολόγια επί των δορυφόρων GPS. Ως εκ τούτου, μπορεί να έχουμε πολύ μικρά χρονικά λάθη.
Τροχιακά λάθη. Ανακρίβειες για τις θέσεις των δορυφόρων από την Εφημερίδα.
Αριθμός ορατών δορυφόρων. Όσο περισσότρους δορυφόρους μπορεί να βλέπει ένας δέκτης GPS, τόσο καλύτερη είναι η ακρίβεια.
Κτίρια, μορφολογία εδάφους, ηλεκτρονικές παρεμβολές, και πυκνά φυλλώματα μπορούν να εμποδίσουν τη λήψη του σήματος, προκαλώντας προβλήματα. Οι μονάδες GPS συνήθως δεν θα λειτουργήσουν σε εσωτερικούς χώρους, υποβρύχια ή υπόγεια.
Δορυφορική γεωμετρία / σκίαση. Αυτό αναφέρεται στη σχετική θέση των δορυφόρων σε κάθε δεδομένη στιγμή.
Ιδανική γεωμετρία. Όταν ένας δορυφόρος βρίσκονται σε ευρεία γωνία σε σχέση με άλλους.
Κακή γεωμετρία. Όταν οι δορυφόροι βρίσκονται σε μια γραμμή ή πολύ κοντά.
Η σκόπιμη υποβάθμιση του δορυφορικού σήματος. Η επιλεκτική διαθεσιμότητα είναι μια εσκεμμένη υποβάθμιση του σήματος, από το Υπουργείο Άμυνας των ΗΠΑ για στρατιωτικούς λόγους. Απενεργοποιήθηκε το Μάιο του 2000, βελτιώνοντας σημαντικά την ακρίβεια των πολιτικών GPS δεκτών.

Μερικά ακόμα ενδιαφέροντα
Υπάρχουν περίπου 2.500 δορυφόροι διαφόρων τύπων και σκοπών σε τροχιά γύρω από τη γη.
Υπάρχουν πάνω από 8.000 ξένα αντικείμενα σε τροχιά γύρω από τη γη, όπως κώνοι και πάνελ από παλιούς δορυφόρους, το γάντι ενός αστροναύτη, και πολλά άλλα.
Ο πρώτος δορυφόρος GPS εκτοξεύτηκε το 1978.
Ο πλήρης σχηματισμός δορυφόρων GPS 24ων δορυφόρων επιτεύχθηκε το 1994.
Κάθε δορυφόρος είναι κατασκευασμένος να λειτουργήσει για περίπου 10 χρόνια.
Αντικαταστάτες κατασκευάζονται συνεχώς και τίθενται σε τροχιά όποτε χρειαστεί.
Ένας GPS δορυφόρος ζυγίζει περίπου 900 κιλά και έχει περίπου 5 μέτρα άνοιγμα με ανοιχτά πτερίγια.

http://www.nextsmartphone.gr