GPS (globális helymeghatározó rendszer) – definíció, működés és alkalmazások
Ismerd meg a GPS működését, pontos helymeghatározást, navigációs tippeket és alkalmazásokat autóban, hajón, repülőn és mobilon — gyakorlati útmutató kezdőknek és profiknak.
A globális helymeghatározó rendszer, más néven GPS, egy műholdakból álló rendszer, amelynek alapvető célja, hogy segítse a navigációt a Földön, a levegőben és a vízen. A GPS-vevő megmutatja, hogy hol van, továbbá megadhatja a sebességet, haladási irányt, magasságot és – bizonyos eszközök esetén – a függőleges sebességet is. Sok készülékhez tartoznak helyadatok és szolgáltatások: az autókhoz készült készülékek például útvonaltérképeket, szállodák, éttermek és benzinkutak adatait tartalmazzák. A hajók számára készült GPS-ek kikötők, kikötők, sekély vizek, sziklák és vízi utak tengeri térképeit kínálják. Más GPS-vevőkészülékek légi navigációhoz, túrázáshoz és hátizsákos túrázáshoz, kerékpározáshoz vagy sok más tevékenységhez készülnek. A többségük okostelefonokban található.
A legtöbb GPS-vevő képes rögzíteni az útvonalat (track), előre megtervezett útvonalakat (route) kezelni, és megjósolni a következő úti cél elérésének várható időpontját (ETA). Az egyszerű turistajelző eszközöktől a profi hajózási és repülési rendszerekig a GPS széles körben elterjedt, mert relatíve olcsó, mindenütt elérhető és folyamatosan fejlesztik a pontosságát.
Hogyan működik a GPS?
A GPS elve a trilateráción alapul: a vevő a műholdakról érkező rádiójelek időbeli késését méri, és ezek alapján kiszámítja a távolságot minden látható műholddal. Mivel a jel terjedési sebessége ismert (a fénysebesség), az időkülönbségből kiszámítható a távolság. Három műhold távolsága már síkbeli helymeghatározáshoz elég, de a pontosság érdekében a tényleges helyzet és az órahibák javítása miatt általában négy vagy több műhold szükséges.
A műholdak pontos időt sugároznak, amelyet atomi órák biztosítanak. A földi vezérlőközpontok folyamatosan nyomon követik a műholdak pályáját (ephemeris) és állapotát, és szükség szerint frissítik az adatokat.
A GPS rendszere — három rész
- Térbeli szegmens: a műholdak maguk — a rendszernek hagyományosan legalább 24 működő műholdra van szüksége, de a modern hálózat több műholddal rendelkezik a jobb lefedettség és pontosság érdekében.
- Vezérlő szegmens: a földi telemetriai, nyomkövető és parancs állomások, amelyek figyelik és karbantartják a műholdakat, valamint frissítik a pályaadatokat.
- Felhasználói szegmens: a GPS-vevők, amelyek a műholdak jeleit fogadják és feldolgozzák a helymeghatározásra.
Pontosság és hibaforrások
A GPS pontosságát több tényező befolyásolja:
- Ionoszférikus és troposzférikus késleltetés: a jel terjedése közben a légkör eltérő rétegei lassítják a jelet.
- Óra- és pályaeltérések: a műholdak órai vagy pályaadatbeli hibái pontatlanságot okozhatnak.
- Többszörös visszaverődés (multipath): a jel épületekről vagy tereptárgyakról visszaverődve téves időmérést eredményezhet.
- Jelkorlátozások: sűrű városi környezet, alagút vagy erdős terület gyengítheti a vételt.
A pontosság javítása érdekében léteznek kiegészítő rendszerek, például a differenciális GPS (DGPS), a WAAS/EGNOS műholdas korrekciós rendszerek, valamint precíziós mezőgazdaságban és geodéziában használt RTK (Real-Time Kinematic) megoldások, amelyek centiméteres pontosságot is elérhetnek.
Alkalmazások
A GPS alkalmazási köre rendkívül széles:
- Közlekedés és navigáció: autós navigáció, hajózás, légi irányítás és flottakezelés.
- Szabadidős tevékenységek: túrázás, hegymászás, kerékpározás, geocaching.
- Helymeghatározás mobil eszközökben: okostelefonok, amelyeken keresztül térképszolgáltatások, helymegosztás és vészhelyzeti helyzetmegállapítás működik.
- Ipar és mezőgazdaság: precíziós gazdálkodás, gépkövetés, telephely-felügyelet.
- Tudomány és geodézia: tektonikus mozgások, tengerszint-változás mérése, pontos időszolgáltatás.
Korlátok és adatvédelem
Bár a GPS technológia nagyon hasznos, vannak korlátai: jelhiány zárt terekben, épületek között gyenge vétel, valamint bizonyos körülmények között pontatlanság. Fontos továbbá a magánszféra kérdése: a helyadatok folyamatos megosztása személyes adatoknak minősülhet, ezért célszerű odafigyelni, hogy mely alkalmazások és szolgáltatások férhetnek hozzá az eszköz helyadataihoz.
A GPS jövője és más rendszerek
A GPS az Egyesült Államok rendszere, de ma már több, egymást kiegészítő Globális Navigációs Műholdas Rendszer (GNSS) működik: orosz GLONASS, európai Galileo, kínai BeiDou. Sok modern vevő egyszerre több rendszer jeleit is képes fogadni, ami jobb lefedettséget és pontosságot eredményez. A jövőben további frekvenciák, jobb hibajavító rendszerek és integráció kiegészítő szenzorokkal (például inerciális mérések) tovább növelik a megbízhatóságot.
Összefoglalva, a GPS napjaink egyik alapvető technológiája, amely sok területen megkönnyíti a tájékozódást és az üzleti folyamatokat. Ismerete és helyes használata előnyös mindennapi életünkben és szakmai alkalmazásokban egyaránt.
GPS-vevőkészülékek. Az emberek maguknál hordhatják őket, hogy felismerjék, hol vannak, és megtervezzék, hol és hogyan kell a következő helyre menniük.
Hogyan működik
A GPS-egység a Föld körüli pályán keringő műholdak rádiójeleit veszi. A Föld felett 20 200 kilométerre 31 műhold található. A keringési idő 11 óra 58 perc. A Föld sugara miatt minden egyes kör 26 600 kilométer sugarú. Az Északi-sarktól és a Déli-sarktól távolabb egy GPS-egység egyszerre 6-12 műhold jeleit tudja fogadni. Minden műhold tartalmaz egy atomórát, amelyet a NORAD naponta többször gondosan beállít.
A rádiójelek információt tartalmaznak a műhold idejéről és helyzetéről, beleértve a műhold ephemerisét is. A GPS-vevő kivonja az aktuális időt a jel küldésének időpontjából. A különbség adja meg, hogy a jelet milyen régen küldték. Az időkülönbség és a fénysebesség szorzata adja a műhold távolságát. A GPS-egység trigonometriával számítja ki, hogy az egyes műholdak helyzetéből és távolságából hol van. Általában legalább négy műholdnak kell lennie a geometriai egyenletek megoldásához. A GPS-vevő egy másodperc alatt többször is ki tudja számítani a helyzetét.
Sok olcsó fogyasztói vevőegység 20 méteres pontossággal működik szinte bárhol a Földön.
A GPS-egység általában ki tudja számítani az aktuális sebességet is. Az olcsóbbak, mint például a mobiltelefonok, ezt a jelenlegi pozíció és a legutóbbi pozíció összehasonlításával teszik. A drágábbak, mint például a repülőgépek, a Doppler-effektust használják, és nagyon pontosak.
A GPS műholdak négy síkban keringenek a Föld körül, plusz egy csoport az Egyenlítő felett. A kék műholdak itt az északi 45°-on lévő GPS-vevő számára láthatóak. A piros műholdakat a Föld blokkolja.
Történelem
A 20. század közepe óta használnak különböző rádiónavigációs rendszereket. Az 1960-as években kísérletek során a rádióadókat műholdakba helyezték. Az 1970-es években az Egyesült Államok légiereje új rendszert tervezett, amelyet először Navstarnak neveztek el. Ebből lett a GPS, és csak az amerikai hadsereg használta. 1983-ban Ronald Reagan elnök elrendelte, hogy bárki használhassa a rendszert, bár az még túl kicsi volt ahhoz, hogy nagyon hasznos legyen. A legnagyobb pontosságú jelet titkosították, és csak a fegyveres erők használhatták, de az 1990-es években ideiglenesen dekódolták, és ezt az ezredfordulón véglegesítették.
Egyes GPS-vevőkészülékek különálló egységek, saját tápellátással és kijelzővel. A 20. században ezek voltak többségben. A katonai vevőkészülékek akkoriban csak a földrajzi koordinátákat jelenítették meg, vagy néhánynak nem volt kijelzője, hanem csak a koordinátákat adta át egy másik gépnek.
Ma már a GPS-vevőkészülékek többsége a mobiltelefonok része, és sokan vannak beépítve karórákba, autókba és más eszközökbe. A mobiltelefonok GPS-része kicsi és általában gyenge, de a telefon a mobil bázisállomások és a Wi-Fi jelek segítségével is működik.
Egyéb rendszerek
Vannak más rendszerek is, amelyek ugyanígy működnek. Az egyiket Oroszország helyezte az űrbe, a GLONASS-t. A másik, amely még nem készült el, a Galileo nevet viseli, és az Európai Unió építette.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a globális helymeghatározó rendszer (GPS)?
V: A GPS egy műholdakból álló rendszer, amelyet arra terveztek, hogy segítse a navigációt a Földön, a levegőben és a vízen.
K: Mit mutat a GPS-vevő?
V: A GPS-vevő megmutatja, hogy hol van, milyen gyorsan mozog, milyen irányba halad, milyen magasan van, és esetleg milyen gyorsan megy felfelé vagy lefelé.
K: Milyen információkat tartalmaznak a gépjárművek GPS-ei?
V: Az autókhoz készült GPS-ek olyan utazási adatokat tartalmaznak, mint az útvonaltérképek, szállodák, éttermek és benzinkutak.
K: Milyen információkat tartalmaznak a hajókhoz készült GPS-ek?
V: A hajókhoz készült GPS-ek a kikötők, kikötők, sekély vizek, sziklák és vízi utak tengeri térképeit tartalmazzák.
K: Milyen egyéb tevékenységekre készülnek a GPS-vevőkészülékek?
V: Más GPS-vevőkészülékek légi navigációhoz, túrázáshoz és hátizsákos túrázáshoz, kerékpározáshoz vagy sok más tevékenységhez készülnek.
K: Hol található a GPS-vevőkészülékek többsége?
V: A GPS-vevőkészülékek többsége okostelefonokban található.
K: Mit tud a legtöbb GPS-vevő?
V: A legtöbb GPS-vevő képes rögzíteni, hogy hol jártak, és segít az utazás megtervezésében. Egy tervezett út megtétele közben megjósolja a következő úti cél elérésének idejét.
Keres