Co to jest system GPRS?

1. Globalny System Pozycjonowania (GPS) Navstar
Globalny System Pozycjonowania składa się z trzech, powiązanych ze sobą elementów:
1) segmentu kosmicznego - satelitów okrążających Ziemię,
2) segmentu kontroli - stacji kontrolujących i monitorujących, prowadzonych przez DOD (Departament Obrony USA),
3) segmentu użytkownika - odbiorników GPS, będących w posiadaniu osób prywatnych, instytucji, firm i wojska.
(Poniższy tekst dotyczy segmentu kosmicznego i segmentu użytkownika z pominięciem segmentu kontroli).
Segment kosmiczny składa się z konstelacji 24 aktywnych satelitów, okrążających Ziemię w ciągu 12 godzin. Na każdej z sześciu orbit konstelacji znajdują się cztery satelity na wysokości ponad 20 000 km nad powierzchnią Ziemi. Orbity są rozmieszczone wokół całej Ziemi i nachylone do powierzchni równika pod kątem 55 st.
1.2. Jak działa system GPS?
Każdy satelita transmituje dwa rodzaje sygnałów:
- L1 (1575.42 MHz)
- L2 (1227.60 MHz).
Sygnał L1 jest przetwarzany dwoma pseudo-przypadkowymi sygnałami zagłuszającymi: chronionym kodem P i kodem C/A.
Sygnał L2 zawiera jedynie kod P. Każdy satelita wysyła inny sygnał, co ułatwia odbiornikom rozpoznanie, z którego satelity pochodzi dany sygnał.
Cywilne odbiorniki do nawigacji wykorzystują jedynie kod C/A na częstotliwości L1. Niemniej jednak niektóre wyspecjalizowane cywilne odbiorniki geodezyjne mogą przetwarzać sygnał o częstotliwości L2 w celu uzyskania dokładnych pomiarów.
Odbiornik na podstawie czasu wysłania sygnału przez satelitę i czasu dotarcia sygnału do odbiornika oblicza czas potrzebny na pokonanie tej drogi.


Jeśli odbiornik posiada bardzo dokładny zegar, dobrze zsynchronizowany z zegarem satelity, do określenia trójwymiarowej pozycji wystarczają jedynie pomiary z trzech satelitów.
Niestety, zwykłe odbiorniki nawigacyjne ze względu na swoją cenę jak i rozmiary nie są wyposażone w tak dokładne zegary, w związku z tym, do usunięcia błędu zegara potrzebny jest dodatkowy pomiar z czwartego satelity.
Pomiar z jednego satelity określa pozycję na powierzchni sfery, której środkiem jest miejsce położenia danego satelity. W związku z błędem zegara cztery sfery satelitów wykorzystywanych do pomiaru mogą nie przecinać się w jednym punkcie. Odbiornik dostosowuje odczyty czasu z poszczególnych zegarów i w ten sposób podaje dokładną informację o czasie i pozycji.
W związku z tym, że odbiornik synchronizuje swój zegar z czasem GPS, może być wykorzystywany jako dokładne narzędzie podawania czasu.
Więcej informacji na ten temat znajduje się na stronie internetowej http://aleph.gsfc.nasa.gov/GPS/totally.accurate.clock/
1.3. Jakiej dokładności można oczekiwać?
Standardowy serwis pozycjonowania dostępny dla użytkowników cywilnych zapewnia dokładność poziomą rzędu 20 m przez 95% czasu.
Do 1 maja 2000 roku dokładność ta była mniejsza (ok. 100 m) ze względu na celowe zagłuszanie sygnału przez DOD zwane ograniczonym dostępem (tzw. SA).
Dokładność pionowa jest około 1.5 razy mniejsza niż dokładność pozioma.
Firma Trimble Navigation w broszurze pt. "GPS - A guide to the next utility" podaje następujące oszacowanie błędów dla komercyjnych odbiorników nawigacyjnych:
- błąd zegara satelity - 0,6 m
- błąd efemerydy - 0,6 m
- błędy odbiornika - 1,2 m
- błędy spowodowane wpływem atmosfery/ jonosfery - 3,6 m
- SA - 7,5 m


Przewidywaną dokładność oblicza się poprzez pomnożenie powyższych wartości przez wskaźnik PDOP (rozmycie dokładności pozycji), który zazwyczaj wynosi od 4 do 6. Daje to dokładność rzędu 30 m.
Dokładność oferowaną przez system można poprawić poprzez uśrednienie pomiarów wykonanych w danym przeciągu czasu, nie krócej niż 15 minut.
Jeden z użytkowników podaje następujące, uzyskane przez siebie, rezultaty:
- uśrednianie 15-20 godzin: dokładność - 10 m,
- uśrednianie 24 godziny: dokładność - 5 m,
- uśrednianie 48 godzin: dokładność - 3 m.
1.4. Co to było SA?
SA (ograniczony dostęp) było to celowe zmniejszanie dokładności systemu GPS w celu zapobiegnięcia wykorzystaniu go przez wrogie armie w celach taktycznych. Stany Zjednoczone zdecydowały wyłączyć SA od 1 maja 2000 roku. Wcześniej jednak zdarzało się, że chwilowo rezygnowano z jego stosowania np. podczas wojny w Zatoce Perskiej i podczas inwazji na Haiti, ponieważ wówczas armia nie posiadała dostatecznej liczby odbiorników wojskowych i korzystano również z odbiorników cywilnych.
Odbiorniki wojskowe mogą korzystać z odszyfrowanego kodu P i uzyskiwać dokładność około 20 m.
Na początku lutego 1996 roku rząd USA wydał rozporządzenie zobowiązujące siły wojskowe do zaprzestania stosowania SA do 1 maja 1996 roku. Rozporządzenie to jednak zostało zawetowane. 29 marca 1996 roku Biały Dom ogłosił, że SA zostanie usunięte w przeciągu czterech do dziesięciu lat, czyli pomiędzy 2000 a 2006 rokiem.


1.5. W jaki sposób niektórzy użytkownicy uzyskują centymetrową dokładność?
Wspomniana powyżej 20 metrowa dokładność dotyczy jednoczęstotliwościowych odbiorników nawigacyjnych, które aktualizują swoją pozycję co sekundę.
Bardzo dokładne pomiary przeprowadza się przy użyciu innych odbiorników określanych mianem "systemów geodezyjno-kartograficznych".
Systemy te używają obydwu częstotliwości oraz skorygowanych danych, uzyskanych poprzez porównanie pomiarów z odbiornika ruchomego i pomiarów z odbiornika stacjonarnego o znanej lokalizacji. Mogą one również dokonywać uśredniania pozycji co pewien okres czasu.
1.6. Czy czas podawany przez odbiornik GPS zawiera przeskok sekundowy?
Czas systemu GPS nie zawiera przeskoku sekundowego, ale różnica pomiędzy czasem GPS a UTC jest zawarta w danych wysyłanych przez satelitę, zatem odbiorniki mogą (i większość odbiorników tak robi) wyświetlać aktualny czas UTC lub czas strefowy, a nie czas systemu GPS. Obecnie różnica ta wynosi 11 sekund.
Tom Clark wysłał następujący tekst do sci.geo.satellite-nav 31 grudnia 1995 roku:
"Satelity GPS wysyłają informację o tym, że w danej chwili występuje taka różnica. Np. dnia 1 stycznia godzina 00:00:00 UTC = 00:00:11 GPS. Wobec czego należy o 11 sekund skorygować odbiornik. Nie wszystkie odbiorniki wykonają to prawidłowo, ze względu na skróty, jakie ich konstruktorzy umieścili w oprogramowaniu. Niektóre odbiorniki GPS posiadają przesunięcie czasu GPS-UTC na stałe zakodowane w wewnętrznej pamięci ROM. Niektóre starsze modele odbiorników spóźniają się już kilka sekund, ponieważ projektanci zignorowali specyfikację komunikatu GPS. Opóźnienie nie jest zatem winą systemu GPS, a niedopatrzeniem konstruktorów odbiorników".



1.7. Na czym polegał problem sierpnia 1999 roku?
Zamiast obliczania czasu w systemie dni, miesięcy i lat, system GPS oblicza go w systemie tygodni, jakie upłynęły od 6 stycznia 1980 roku. Do tego celu wykorzystuje 10 bitowy licznik, co oznacza, że może obliczyć jedynie 1023 tygodnie. W związku z tym o północy z 21 na 22 sierpnia 1999 roku licznik ustawił się z powrotem na wartości zero. Producenci odbiorników, jak np. Garmin, Lowrance, Eagle i Rockwell oświadczyli, że ich produkty będą pracowały właściwie po tej dacie.
1.8. Jakie są ograniczenia użytkowania systemu w stosunku do prędkości i wysokości?
System GPS jako taki nie posiada żadnych ograniczeń prędkości i wysokości, ale zgodnie z wymogami Stanów Zjednoczonych komercyjne odbiorniki mogą poprawnie pracować jedynie poniżej prędkości 1665 km/h i poniżej wysokości 18 km. Istnieje możliwość uzyskania zezwolenia na przekroczenie tych limitów w przypadku szczególnych zastosowań systemu, takich jak np. rakiety badawcze.
(Firma Garmin ograniczała dawniej możliwości użytkowania swoich modeli nie przeznaczonych dla lotnictwa (np. 40 i 45) do pracy poniżej prędkości 166,5 km/h. Gdy ta prędkość została przekroczona, odbiornik wyświetlał informację o błędzie i przestawał aktualizować pozycję. Takie ograniczenie wynikało również ze względów marketingowych, ponieważ lotnicy zmuszeni byli kupować droższe, przeznaczone dla lotnictwa modele odbiorników, które zawierają lotniczą bazę danych. Garmin zaprzestał stosowania tej praktyki z chwilą wprowadzenia swoich 12 kanałowych odbiorników (GPS 12/12XL/II+/III).
2. Odbiorniki nawigacyjne
2.1. Dlaczego pozycje określane przez odbiornik mogą być stale złe?)
Powodem może być inny układ odniesienia używany przez odbiornik niż układ GPS.




2.2. Co to jest poziomy układ odniesienia i jakiego należy używać w odbiorniku GPS?
Poziomy układ odniesienia w efekcie określa, gdzie na powierzchni Ziemi znajdują się linie południków i równoleżników. Dawniej pomiary kartograficzne bazowały na punktach wyznaczonych podczas obserwacji astronomicznych i fizycznych pomiarów na powierzchni Ziemi. W związku z tym obecnie na świecie istnieje wiele minimalnie różniących się od siebie regionalnych siatek południków i równoleżników. System GPS zmusza natomiast do korzystania z jednej ogólnoświatowej siatki.
(Pozycje wyznaczane przez system GPS opierają się na poziomym układzie odniesienia zwanym WGS84 ("World Geodetic System of 1984").
W Stanach Zjednoczonych i Kanadzie, starsze mapy były wykreślane na bazie układu NAD27 (North American Datum of 1927). Nowsze mapy morskie są w układzie NAD83, który nie różni się od układu WGS84.
W niektórych miejscach na świecie lokalny układ odniesienia może różnic się od układu WGS84 o około 1,61 km.
Wiele odbiorników GPS można skonfigurować tak, aby wyświetlały pozycje w lokalnym układzie odniesienia a nie w układzie WGS84. Większość odbiorników firmy Garmin może wyświetlać pozycję w ponad 100 różnych układach. Odbiorniki te przechowują informacje o pozycjach w układzie WGS84 i jeśli jest to potrzebne konwertują te dane do aktualnie wybranego układu.
2.3. Dlaczego podawane wysokości różnią się tak bardzo od siebie?
Po pierwsze w związku z geometrią satelitów. W celu uzyskania najbardziej dokładnej wysokości i lokalizacji, należy używać satelitów zlokalizowanych jak najdalej od siebie i jednego dokładnie nad głową. Niemniej jednak satelity występują częściej bliżej horyzontu, jak również odbiornik częściej wybiera satelity bliższe horyzontu w celu uzyskania bardziej dokładnej pozycji poziomej, na tym bowiem zależy większości użytkowników odbiorników nawigacyjnych. Błąd w obliczaniu wysokości jest standardowo 1.5 razy większy niż błąd poziomy.



2.4. Czym jest DGPS?
Różnicowy GPS (DGPS) to sposób korygowania niektórych błędów systemu GPS przy wykorzystaniu błędów zaobserwowanych w miejscu o znanej lokalizacji, które następnie są używane do skorygowania odczytów pozycji ruchomego odbiornika.
Podstawą korekcji jest to, że stacja referencyjna "zna" swoją pozycję i w ten sposób określa różnicę pomiędzy znaną pozycją i pozycją określoną przez odbiornik GPS. Uzyskany pomiar błędu jest następnie przesyłany do ruchomego odbiornika, który może poprawić obliczone przez siebie pozycje.
Niestety wielkość błędów zależy od tego, które satelity zostały wykorzystane do pomiaru pozycji, dlatego też stacja referencyjna nie może po prostu "zalecić" przesunięcie wszystkich pozycji np. o 100 m na południe.
Różnicowa stacja referencyjna oblicza błędy w pomiarze pseudoodległości oddzielnie dla każdego satelity, będącego w jej polu widzenia i nadaje informację o błędach oraz informację o statusie systemu. Różnicowy odbiornik radiowy odbiera i dekoduje tą informację a następnie wysyła ją do różnicowego odbiornika GPS. Odbiornik GPS łączy odebraną informacje z indywidualnymi pomiarami pseudoodległości zanim obliczy swoją pozycję.
Dla zastosowań morskich, amerykańska i kanadyjska straż wybrzeża (oraz podobne agencje w innych państwach) zainstalowały stacje DGPS, które nadają dane korekcji różnicowej przez morskie odbiorniki radiowe na częstotliwości 250-350 kHz. Ten serwis morski jest dostępny bezpłatnie w Stanach Zjednoczonych i w Polsce, w innych krajach natomiast może być wymagana subskrypcja.
DGPS eliminuje błędy wprowadzone przez ograniczony dostęp (SA) oraz błędy spowodowane przez opóźnienie sygnału w jonosferze. Dzięki temu błąd obliczonej pozycji wynosi około 10 m przez 95% czasu dla typowych systemów morskich DGPS, używających niedrogich odbiorników nawigacyjnych GPS. Lepsze odbiorniki oferują dokładność rzędu 3 m. Dane korekcyjne DGPS mogą być wykorzystywane w odległości 1500 km od stacji referencyjnej, jeśli jest ona częścią większej sieci monitorującej. (Należy zauważyć, że zalecany zakres dla radioodbiorników morskich wynosi jedynie 92-370 km, wobec czego na większe odległości musza być wykorzystywane inne sposoby transmisji danych).


Dane korekcji różnicowej są powszechnie transmitowane przy użyciu standardu RTCM-104. Standard ten definiuje liczbę różnych komunikatów z danymi w formacie binarnym. Pierwszy komplet komunikatów od 1 do 17 został przewidziany do wykorzystania przez odbiorniki śledzące kod C/A i otrzymujące dokładność ok. 10 m. Koryguje on błędy spowodowane przez opóźnienie jonosferyczne, SA oraz inne, jednakże w ramach dokładności oferowanej przez kod C/A. Komunikaty od 18 do 21 zawierają dane korekcyjne fazy GPS używane w pomiarach kartograficznych.
2.5. Co to są punkty drogi i trasy?
Punkt drogi jest obliczoną pozycją przechowywaną w pamięci odbiornika GPS. Odbiornik może obliczyć odległość i kierunek (oraz czas potrzebny do przejścia) do danego punktu drogi, a w przypadku połączenia z autopilotem, może sterować łodzią do tego punktu.
Trasa jest zbiorem punktów drogi. Podczas nawigowania na danej trasie, odbiornik GPS będzie automatycznie zmieniał punkt docelowy na kolejny, gdy osiągnie pierwszy z nich.
2.6. Czy można podłączyć odbiornik GPS do komputera lub autopilota?
Większość odbiorników nawigacyjnych wysyła dane w formacie NMEA-0183, które mogą być przyjmowane przez autopiloty i inne urządzenia. NMEA-0183 to standardowy format danych stworzony przez National Marine Electronics Association do przesyłania danych pomiędzy przyrządami morskimi. Dane w formacie NMEA-0183 są czystym tekstem ASCII.
Poziom sygnału różni się od formatu RS-232, używanego w większości komputerowych portów szeregowych, ale zazwyczaj współpracuje z tym portem.
Wiele odbiorników posiada również własne formaty danych, które są wykorzystywane (w przypadku odbiorników nawigacyjnych) do przesyłania listy punktów drogi, danych track log i innych danych pomiędzy odbiornikiem i komputerem, jak również do przesyłania danych, które nie są przetworzone w formacie NMEA.



2.7. Czy odbiornik GPS pracuje w samochodzie/ samolocie/ lesie/ jaskini...?
Sygnały GPS są absorbowane przez większość powierzchni, wobec tego odbiornik GPS do poprawnej pracy potrzebuje odsłoniętego widoku nieba. Odbiornik wielokanałowy, jak na przykład Garmin 12, pracuje lepiej w warunkach marginalnych niż odbiornik jednokanałowy, taki jak Garmin 45 czy Magellan 3000.
Wielu użytkowników uzyskuje dobre rezultaty umieszczając odbiornik GPS na kokpicie samochodu na wprost przedniej szyby. Niemniej jednak niektóre samochody, jak na przykład Pontiac posiadają prześwitującą metaliczną powłokę przeciwmgłową wmontowaną w szybę, która pochłania sygnał GPS. W takich samochodach potrzebna jest zatem antena zewnętrzna.
W samolotach pasażerskich można umieścić antenę w pobliżu okna. W szczególności dotyczy to okien od strony południowej, co pozwala odbiornikowi "widzieć" maksymalną liczbę satelitów. Należy jednak pamiętać, że modele odbiorników firmy Garmin nie przeznaczone dla lotnictwa nie będą podawały informacji nawigacyjnej, jeśli prędkość samolotu przekroczy 166,5 km/h.
OSTRZEŻENIE
Rozporządzenia rządowe lub przepisy obowiązujące na danej linii lotniczej mogą zabraniać używania odbiorników radiowych, jak również odbiorników GPS i innego sprzętu elektronicznego podczas części lub całości lotu. Dlatego tez należy zawsze zapytać obsługę lotu czy korzystanie z odbiornika GPS nie jest zabronione.
W pewnym stopniu również korony drzew pochłaniają sygnał GPS. Lepsze rezultaty w takiej sytuacji można uzyskać poruszając się z odbiornikiem, niż stojąc w miejscu. Masy lądu, takie jak klify lub budynki zasłaniają dużą część widoku nieba i przez to utrudniają odbiornikowi pomiar pozycji.






3. Systemy pomiarowe
Pomiarowe systemy GPS były jednymi z pierwszych komercyjnych zastosowań systemu GPS. Dokładność tego typu systemów jest znacznie większa od dokładności popularnych odbiorników nawigacyjnych, dzięki zastosowaniu postprocessingowej korekcji różnicowej, wykorzystującej w tym celu dane zgromadzone przez stację referencyjną oraz poprzez uśrednianie danej pozycji przez pewien okres czasu śledząc fazę sygnału (carrier phase) oraz innych technik, pozwalających uzyskać zwiększoną dokładność. Tego typu systemy mogą dysponować dokładnością nawet poniżej 1 cm, jednak są bardzo kosztowne - ich ceny oscylują w granicach od ok. 4.000 do 20.000 dolarów, a nawet więcej.
3.1. Systemy pomiarowe DGPS
Do niektórych pomiarów są używane systemy DGPS tzw."krótkiego dystansu". Pracują one na stosunkowo niewielkich odległościach i oferują dokładność od 0,5 do 1 m. W tym wypadku dokładność przeprowadzanych pomiarów zależy od jakości i parametrów technicznych odbiornika oraz odległości pomiędzy odbiornikiem ruchomym a stacją referencyjną. Najbardziej elastycznym rozwiązaniem w tego typu pomiarach jest posiadanie własnej stacji referencyjnej, co niestety podwaja koszty zestawu pomiarowego.
3.2. Pomiary statyczne
Odbiorniki GPS mogą zostać umieszczone na poszczególnych pozycjach przez pewien okres czasu (od ok. 2 min., dla niewielkich odległości, nawet do 1 godziny) i rejestrować niesformatowane dane pseudoodległościowe. Tak zarejestrowane dane mogą następnie zostać poddane procesowi post - processingu, który wykorzystuje je jako punkt odniesienia dla ustalenia np. odległości i azymutu. Wyznaczona w ten sposób pozycja może osiągać dokładność rzędu 1 mm, ale w przypadku asymetrycznego rozmieszczenia satelitów lub większych odległości może być znacznie mniej dokładna. Metodę tą można wykorzystywać do wyznaczania bardzo dokładnych współrzędnych danego punktu (np. punktu triangulacyjnego lub współrzędnych punktu umieszczenia anteny na dachu). W ten właśnie sposób wyznaczane są punkty nowych stacji referencyjnych DGPS.



3.3. Kinematyczne systemy postprocessingowe
W ten sam sposób, jak w przypadku pomiarów statycznych, nieformatowane dane pseudoodległościowe są rejestrowane na ustalonej pozycji i przemieszczającym się obiekcie. Tak zarejestrowane dane mogą zostać poddane procesowi korekcji różnicowej w celu zwiększenia dokładności. Dokładność pomiaru określona jest poprzez odległość dzielącą ruchomy odbiornik od stacji referencyjnej jednak generalnie uzyskanie dokładności rzędu 0,1 m jest możliwe.
3.4. Pomiary RTK (Real Time Kinematic)
Najbardziej zaawansowaną technologią pomiarów GPS jest właśnie RTK. Sposób przeprowadzania pomiaru jest bardzo podobny do kinematycznego pomiaru DGPS z tą różnicą, że dokładność poniżej 1 cm jest uzyskiwana w czasie rzeczywistym.
4. Inne systemy nawigacji satelitarnej
4.1. NAVSAT lub Transit
Navy Navigation Satellite System (NAVSAT, znany również pod nazwą TRANSIT lub Sat - Nav) jest starszym systemem wykorzystującym cztery lub pięć satelitów na orbitach biegunowych. Dostarcza informacji o pozycji w przybliżeniu co godzinę, w odróżnieniu od systemu GPS, który posiada sygnał ciągły. Podczas pomiaru wymagane jest, aby odbiornik znajdował się na wyznaczanej pozycji lub aby poruszał się po określonym kursie ze znaną prędkością.
4.2. GLONASS
GLONASS jest rosyjskim systemem nawigacji satelitarnej, podobnym do GPS. Obecnie nie ma niedrogich odbiorników systemu GLONASS. System ten oferuje dokładność, która jest lepsza w porównaniu z system GPS przy włączonym kodzie SA, ale gorsza przy wyłączonym SA w GPS. Jednakże kłopoty finansowe wojsk rosyjskich odbijają się również echem na ich systemie lokalizacyjnym, czego efektem jest pewna ilość niesprawnych satelitów nawigacyjnych oraz orbit zawierających luki. Może to spowodować istotne błędy wyznaczanej pozycji spowodowane wysokim współczynnikiem DOP. Dlatego też skuteczność systemu GLONASS jest w tej chwili nieporównywalnie niższa od odpowiednika amerykańskiego.Firma Ashtec produkuje dwusystemowe odbiorniki (GPS + GLONASS).

5. Radiowe systemy nawigacyjne
5.1. Loran-C
Loran-C jest lądowym systemem składającym się z grupy nadajników (zwanych "łańcuchami") pracujących na częstotliwości rzędu 100 kHz. Odbiornik mierzy różnicę w czasie odbierania sygnału pomiędzy stacją główną, a dwoma innymi stacjami. Osoba prowadząca nawigację określa swoje położenie poprzez naniesienie tej różnicy czasu (TDs) na odpowiednią siatkę geograficzną TD nadrukowywaną na mapach morskich.
Aktualnie wszystkie odbiorniki Loran-C (z wyjątkiem tych najwcześniejszych i najtańszych) umożliwiają wyliczenie długości i szerokości geograficznej z sygnału TDs. Jednak funkcja ta powinna być używana ze szczególną ostrożnością, gdy szybkość propagacji sygnału o częstotliwości 100 kHz w znaczący sposób zależy od obszaru, ponad którym się on przemieszcza, a rzeczywiste linie TD nie będą pokrywały się z teoretycznymi obliczeniami. (Nadrukowywane siatki geograficzne na większości map morskich powinny już być skorygowane dla danych obszarów).
5.2. DECCA
System DECCA jest praktycznie taki sam jak Loran-C (oparty jest na hiperbolicznej architekturze naziemnej). Posiada krótszy zasięg niż Loran-C, ale jednocześnie jest bardziej dokładny. Struktura tego systemu została zbudowana przez firmę DECCA Navigator Co. (aktualnie Racal DECCA) dookoła wszystkich wód europejskich. Znajduje się również kilka "łańcuchów" w innych częściach świata, ale te są przeznaczone w większości do celów specjalnych.
Nawigacyjny odbiornik GPS ma w załozeniu być:
- przyjaznym w obsłudze towarzyszemgórskich wędrówek,
- żeglowania i lotniarstwa.
Podczas długich wycieczek rowerowych czy nocnej jazdy samochodem nawigacyjny odbiornik GPS umozliwi:
- powrót "po śladach",
- określi godzinę dotarcia do celu oraz
- umożliwi zapisanie ulubionych miejsc w najtrwalszy sposób: przez określenie współrzędnych geograficznych.

Dokładność odbiorników nawigacyjnych waha się w granicach 30-100 m (jest identyczna dla wszystkich modeli).
Turystyka górska, tak piesza jak i rowerowa zyskuje nowe możliwości z GPS-em:
- nie ma problemu powrotu do punktu wyjścia, stracenia orientacji.
- Nie sprawia kłopotu zapadnięcie zmroku - GPS działa równie dobrze niezależnie od pogody i pory dnia.
- Łatwo trafić do atrakcyjnego punktu, jeżeli tylko zna się jego współrzędne geograficzne - informacje te pojawiają się w przewodnikach turystycznych.
- Jest to też świetne pole dla wymiany informacji pomiędzy przyjaciółmi z turystycznych szlaków: osoba, która była w ciekawym miejscu naciska przycisk zapamiętania pozycji a następnie może w dowolnym momencie podzielić się "zdobyczą" ze znajomymi.
- To samo dotyczy amatorów żeglarstwa - łatwa staje się wymiana informacji o atrakcyjnych miejscach.
Producenci odbiorników prześcigają się w oferowaniu coraz wymyślniejszych funkcji i czynieniu odbiorników mniejszymi, tańszymi i prostszymi w obsłudze.
Standardem jest możliwość nazywania zapamiętanych punktów i grupowania ich w trasy (ang. routes). Po trasie takiej użytkownik zostanie automatycznie przez odbiornik poprowadzony.
W czasie poruszania się do wyznaczonego punktu stale będzie otrzymywał:
- informacje o kursie,
- prędkości,
- prędkości zbliżania do celu i
- szacowanego czasu przybycia.
Graficzny wyświetlacz pokaże obraz kompasu z zaznaczonym kursem, lub tzw. "highway view", czyli przedstawienie drogi prostej (odbiornik porusza się dokładnie w stronę celu) lub skręconej (należy skorygować kurs). Lepsze modele same rejestrują przebytą drogę, znacząc ją bezpośrednio na graficznym wyświetlaczu.


Zawsze dostępna jest funkcja MOB - "człowiek za burtą" - rejestruje ona przebytą od momentu włączenia drogę, jednocześnie prowadząc jak najszybciej do punktu początkowego.
Nawet najprostsze odbiorniki wyposażane są w możliwość współpracy z komputerem - możliwe jest przesłanie poprzez kabel włączany w port:
- szeregowy danych o zapamiętanych punktach,
- trasach z GPS-a do komputera,
- edycja,
- archiwizacja i wizualizacja danych jak również
- przesłanie z powrotem do odbiornika.
MODERNIZACJA SYSTEMU GPS
- Minęło już dwadzieścia lat od wystrzelenia pierwszego satelity GPS.
- W tym czasie skonstruowano i wysłano na orbitę kilka generacji satelitów. Obecnie, na początku XXI wieku powstał długoterminowy program modernizacji zarówno naziemnego jak i kosmicznego segmentu systemu, której koszty szacuje się na około 1 bilion dolarów.
- W latach siedemdziesiątych system był wykorzystywany przez Departament Obrony USA wyłącznie do celów wojskowych.
- W następnej dekadzie został udostępniony również dla zastosowań cywilnych pozycjonowania i nawigacji z dokładnością do 100 m oraz określania czasu.
- W roku 1996 prezydent Stanów Zjednoczonych wydał dyrektywę, w której przedstawił politykę rozszerzenia zastosowań systemu na całym świecie.
- Pierwszym z etapów realizacyjnych tej polityki było zaprzestanie zagłuszania sygnału przez Stany Zjednoczone, co nastąpiło w maju 2000 roku i pozwoliło zwiększyć dokładność systemu dla zastosowań cywilnych do 15 m.
- Pod koniec lat 90 pojawiły się różne projekty ulepszania systemu, które złożyły się na poniższy program modernizacji. W programie tym można wyróżnić: cele dla zastosowań cywilnych oraz cele dla zastosowań wojskowych systemu.




Cele dla zastosowań cywilnych
- Standardowy Serwis Pozycjonowania GPS (SPS) jest wolny do opłat i oferuje podstawową dokładność 15 m.
- W serwisie tym dostępny jest tylko jeden sygnał C/A na częstotliwości L1. Dlatego też podstawowym celem modernizacji systemu z punktu widzenia zastosowań cywilnych jest wprowadzenie dodatkowego sygnału w zakresie SPS.
- W roku 1998 vice prezydent Gore ogłosił, że sygnał ten o nazwie GPS L2 będzie nadawany na częstotliwości 1227,6 MHz. Ten zakres częstotliwości jest obecnie wykorzystywany jedynie przez szyfrowany kod wojskowy P(Y), udostępniany jedynie autoryzowanym użytkownikom.
- Gore zapowiedział również wprowadzenie na początku roku 2005 trzeciego cywilnego sygnału GPS przeznaczonego dla służb ratowniczych. Sygnał ten będzie nadawany na częstotliwości 1176,45 MHz o nazwie L5. Częstotliwość ta jest częścią spektrum przypisanego Serwisowi Nawigacji Powietrzno-Wodnej (ARNS).
- Wprowadzenie dodatkowych dwóch sygnałów GPS oznacza, że użytkownicy serwisu SPS uzyskają lepsze dokładność wyznaczania pozycji, lepszą dostępność sygnału GPS oraz ciągłości usługi.
Cele dla zastosowań wojskowych
1. Siły zbrojne USA oraz autoryzowani użytkownicy korzystają z Dokładnego Serwisu Pozycjonowania (PPS).
W zakresie tego serwisu istotne są trzy cele:
- ochrona serwisu wojskowego GPS podczas działań wojskowych,
- zapobieżenie wykorzystaniu sygnału przez wrogie wojska,
- zachowanie dostępności sygnału dla autoryzowanych zastosowań cywilnych poza obszarem działań wojskowych.





2. W związku z wymienionymi celami armia USA musi mieć możliwość selektywnego i lokalnego zagłuszania sygnału GPS w wypadku, gdyby mógł zostać on wykorzystany przeciwko Stanom Zjednoczonym.
3. Jednocześnie sygnał ten powinien być nadal dostępny dla autoryzowanych użytkowników GPS.
4. Istnieje zatem potrzeba spektralnego oddzielenia sygnału cywilnego od sygnałów wojskowych.
5. W rezultacie powstaną nowe kody wojskowe GPS określane nazwą kodów M, które będą wykorzystywały spektrum fal radiowych przypisane im obecnie na częstotliwościach L1 i L2 oraz ale będą spektralne różniły się od kodów C/A na tych samych częstotliwościach.
Przedstawione cele będą realizowane przez następujące działania:
- rewizja specyfikacji sygnału GPS-SPS do końca roku 2000,
- dodanie kodu C/A do częstotliwości L2 oraz kodów M na obydwu częstotliwościach L1 i L2 do końca roku 2003,
- zapoczątkowanie nawigacji z wykorzystaniem dwóch częstotliwości w roku 2008,
- dodanie trzeciego sygnału GPS (L5) w roku 2005,
- uruchomienie sygnału L5 w roku 2012,
- modernizacja segmentu kontroli naziemnej,
- program bloku III GPS, który pozwoli miedzy innymi wzmocnić sygnały z kodem M.
Rewizja specyfikacji sygnału GPS
Obecna specyfikacja sygnału GPS została opublikowana w roku 1995. Departament Obrony i Departament Transportu USA pracują nad skorygowaniem tej specyfikacji, tak aby odzwierciedlała jakość obecnego systemu GPS. Kolejna (trzecia) wersja specyfikacji sygnału GPS w serwisie SPS ukaże się prawdopodobnie w niedługim okresie.





Dodanie trzeciego sygnału cywilnego
Trzeci sygnał cywilny na częstotliwości 1176,45 MHz (L5) zostanie dodany do pierwszego satelity bloku IIF wyprodukowanego przez firmę Boeing równolegle z kodem C/A na częstotliwości L2 oraz kodem M na obydwu częstotliwościach L1 i L2.
Moc sygnału na częstotliwości L5 będzie większa o 6 dB w porównaniu z mocą obecnego sygnału L1 (odpowiednio 2160 dB i 2154 dB). Planuje się również nadawanie sygnału L5 w ramach systemu WAAS.
Program bloku III GPS
W ramach modernizacji systemu GPS do roku 2010 zostanie umieszczonych na orbicie 12 nowych satelitów bloku IIF. Chcąc sprostać wymaganiom modernizacji w zakresie militarnych i cywilnych zastosowań systemu, planowany jest rozwój nowej generacji satelitów pod nazwą bloku III GPS. Kluczowym wymogiem dla zastosowań wojskowych, który przy obecnej architekturze systemu nie może być spełniony, jest potrzeba mocniejszego sygnału z kodem M.
Wyżej wymienione działania poprawią dokładność pomiaru poziomego do 6 metrów. Będzie to możliwe dzięki istnieniu par trzech częstotliwości L1-L5, L1-L2 oraz L2-L5. W przypadku SPS pozwolą one wyeliminować błąd opóźnienia jonosferycznego poprzez porównanie za sobą pomiarów dokonanych na podstawie sygnałów z dwóch częstotliwości.
NOWY SYGNAŁ GPS
- Zakończono konstruowanie nowego sygnału GPS na częstotliwości L5, który w przyszłości będzie służył zastosowaniom cywilnym.
- Sygnał ten ze względu na dużą moc emisji spełni oczekiwania użytkowników odbiorników lotniczych oraz wykorzystujących technologię RTK.
- Większa moc emisji pozwala również na współwystępowanie sygnału obok sygnałów transmitowanych przez inne systemy w paśmie Powietrzno-Morskiego Radiowego Serwisu Nawigacyjnego.
- Szeroki zakres fal łącznie z kodem na częstotliwości 10,23 Mh zapewnia dokładność pomiaru porównywalną z dokładnością oferowaną przez wojskowy kod P(Y).


ŚWIAT PO WYŁĄCZENIU SA
Zgodnie z przewidywaniami, usunięcie celowego zagłuszania sygnału GPS tzw. SA (Selective Avilability) na początku maja 2000 roku, spowodowało spadek zapotrzebowania na korekcję DGPS w branży użytkowników cywilnych.
Dotyczy to w szczególności rynku nawigacji oraz ochrony pojazdów. Nadal jednak korekcja DGPS stanowi podstawę dla wielu profesjonalnych użytkowników systemu, ponieważ eliminuje większość błędów pomiaru.
Technologia DGPS pozwala skorygować przede wszystkim błędy pomiaru należące do następujących grup:
1. Dane o efemerydzie: tu błędy dotyczą pozycji satelity.
2. Zegar satelity: błędy pomiaru czasu przez zegar satelity.
3. Opóźnienie jonosferyczne: błędy spowodowane opóźnienie sygnału w związku z przejściem przez warstwę jonosfery.
4. Opóźnienie troposferyczne: błędy spowodowane opóźnienie sygnału w związku z przejściem przez warstwę troposfery.
5. Odbicie: błąd spowodowany przez odbicie sygnału od powierzchni, znajdującej się na jego drodze zanim dotrze on do anteny odbiornika GPS.
6. Odbiornik: błędy pomiaru jakie wystąpią na etapie obliczania pozycji już w samym odbiorniku GPS, które mogą być spowodowane szumem, dokładnością oprogramowania oraz komunikacją między kanałami.

ELEMENTY ODBIORNIKA GPS
Odbiorniki GPS stają się bez wątpienia coraz mniejsze, podobnie jak różne rodzaje sprzętu elektronicznego. Ten trend miniaturyzacji przyspieszany jest przez konsumenckie zapotrzebowanie coraz mniejszych, lżejszych, szybszych i tańszych urządzeń.
Potrzeba osadzania odbiorników GPS w innych urządzeniach wprowadziła ten trend w praktykę, a producenci stale redukują liczbę elementów potrzebnych do zbudowania odbiornika.
Obecnie podstawowy odbiornik GPS składa się jedynie z dwóch lub trzech obwodów, do czego przyczynił się w dużej mierze wzrost zastosowania technologii cyfrowej. Pozwolił on również na ograniczenie zużycia mocy i rozmiarów odbiorników.
Podstawowe elementy
- Odbiornik GPS składa się z kilku podstawowych elementów:
- anteny z opcjonalnym wzmacniaczem wstępnym,
- sekcji częstotliwości radiowej i częstotliwości średniej (RF/IF),
- sekcji śledzenia/korelacji sygnału i mikroprocesora, który kontroluje odbiornik, przetwarza sygnały i oblicza współrzędne położenia odbiornika.
Odbiornik posiada również:
- źródło zasilania i
- pamięć do przechowywania instrukcji i danych.
Antena
Funkcja anteny polega na:
- przetwarzaniu energii zawartej w falach elektromagnetycznych przybywających z satelity w prąd, który może być następnie przetwarzany przez układy elektroniczne w odbiorniku.
Rozmiar i kształt anteny:
- Jest bardzo istotny, ponieważ cechy te decydują częściowo o jej zdolności do odbierania i przesyłania do odbiornika bardzo słabych sygnałów GPS.
Z aktywną anteną mamy do czynienia wówczas, gdy oprócz elementu anteny, obecny jest wzmacniacz wstępny o niskim szumie (z jednym lub więcej filtrów) do odbierania słabych sygnałów. To rozwiązanie jest używane wtedy, gdy antena i odbiornik nie znajdują się w jednej obudowie.
Sekcja częstotliwości radiowej i częstotliwości średniej (RF/IF)
W sekcji tej następuje przetwarzanie sygnału docierającego do anteny na mniejszą częstotliwość, nazywaną częstotliwością średnią lub IF, która jest łatwiej obsługiwana przez pozostałe części odbiornika.
Część odbiornika nazywana lokalnym oscylatorem wykonuje to zadanie poprzez połączenie przychodzącego sygnału RF z pustym sinusoidalnym sygnałem lub tonem.


Większość odbiorników GPS używa do tego celu precyzyjnych oscylatorów kwarcowo - krystalicznych, rozszerzonych wersji regulatorów często spotykanych w zegarkach ręcznych. Niektóre urządzenia do pomiarów geodezyjnych w celu otrzymywania lokalnego sygnału oscylacyjnego wykorzystują zewnętrzne źródła, takie jak standardowa częstotliwość atomowa, które posiada większą stabilność częstotliwości.
Sekcja śledzenia/korelacji sygnału
- Antena odbiornika GPS odbiera sygnały jednocześnie od wszystkich satelitów znajdujących się w jej polu widzenia.
- Odbiornik musi być w stanie odizolować sygnały z każdego satelity w celu pomiaru kodu pseudoodległości i fazy nośnika.
- Izolację osiąga się poprzez użycie wielu kanałów i przypisanie każdego sygnału do określonego kanału. Nie jest to trudne do osiągnięcia, ponieważ unikalny kod C/A lub część kodu P transmitowana przez każdego satelitę umożliwia łatwe rozróżnianie sygnałów.
- Kanały w odbiorniku GPS mogą być wprowadzone na dwa możliwe sposoby.
- Odbiornik może posiadać przypisane kanały, które stale śledzą określone satelity.
- Przynajmniej cztery takie kanały śledzące sygnały L1 z czterech satelitów o dobrej geometrii są wymagane do określenia trzech współrzędnych pozycji i błędu zegara odbiornika.
Inny koncept wykorzystuje jeden lub więcej sekwencyjnych kanałów.
Kanał sekwencyjny ?słucha? danego satelity przez pewien czas, wykonując pomiary na sygnale tego satelity zanim przeniesie się na sygnał innego satelity.
Odbiornik jednokanałowy musi przechodzić pomiędzy sygnałami z czterech satelitów, aby obliczyć pozycję o trzech współrzędnych. Zanim pierwszy pomiar zostanie otrzymany odbiornik musi zatrzymać się dłużej na każdym sygnale z satelity przez przynajmniej 30 sekund, aby uzyskać dane z wiadomości nadawanej przez satelitę. Czas do obliczenia pierwszej pozycji i czas pomiędzy uaktualnianiem pozycji może zostać zredukowany przez posiadanie pary równoległych kanałów.


Jeszcze innym rozwiązaniem jest kanał wielotorowy. Z kanałem wielotorowym, odbiornik przechodzi szybko pomiędzy satelitami, tak że wszystkie z nadawanych informacji z indywidualnych satelitów są otrzymywane jednocześnie.
Dla odbiornika wielotorowego czas do obliczenia pierwszej pozycji może wynosić poniżej 30 sekund, tak samo, jak dla odbiornika z wieloma kanałami.
Do wczesnych lat 90 odbiorniki z pojedynczym kanałem były tańsze w konstrukcji niż odbiorniki wielokanałowe, ale ze względu na ich powolność, mogły być wykorzystane tyko w niektórych zastosowaniach.
Większość nowoczesnych cywilnych odbiorników GPS posiada od 8 do 12 kanałów, a niektóre mają 24 a nawet 40 kanałów. Odbiorniki z przypisanymi kanałami mają większą czułość, ponieważ mogą wykonywać częściej pomiary z sygnału.
Mikroprocesor i pamięć
Mikroprocesor kontroluje operacje odbiornika GPS. Z czasem urządzenia te stawały się coraz bardziej wydajne i przejmowały coraz więcej czynności przetwarzania sygnału w odbiorniku.
Oprogramowanie mikroprocesora, które jest instrukcją dla działania odbiornika, jest osadzone w pamięci: albo w obrębie mikroprocesora, albo w pomocniczym wbudowanym obwodzie w odbiorniku.
Mikroprocesor pracuje z cyfrowymi próbkami pseudoodległości i fazy nabytymi w rezultacie konwersji analogowo - cyfrowej.
Odbiornik wykorzystuje te próbki danych do określenia swojej pozycji, prędkości i czasu.


Dodatkowo mikroprocesor może wykonywać obliczenia:
- do nawigacji do punktów drogi,
- do konwersji współrzędnych ze standardowego układu WGS 84 (World Geodetic System 1984)
- do układu regionalnego
- do połączenia korekcji różnicowej z naziemnego lub satelitarnego systemu korekcji.
- Zarządza on również wprowadzaniem komend przez użytkownika,
- wyświetlaniem informacji i
- przepływem danych przez port komunikacyjny, jeśli taki posiada.
Zasilanie
Większość odbiorników GPS posiada wewnętrzne zasilanie DC, często w formie ładowalnych baterii. Najnowsze odbiorniki zostały skonstruowane tak, aby obwód był możliwie najmniejszy, aby można było rozszerzyć czas operacji pomiędzy ładowaniem albo wymianą baterii.
Odbiornik może również zawierać małą baterię litową, która pozwala utrzymać obwód pamięci ?przy życiu?, gdy odbiornik nie pracuje.
Wymienione podstawowe elementy składowe pojawiły się właściwie we wszystkich kiedykolwiek zbudowanych odbiornikach. Niemniej jednak rozmiar, wymagania odnośnie zasilania i możliwości tych elementów rozwinęły się znacznie w ciągu ostatnich 20 lat.


ODBIORNIKI GPS CORAZ MNIEJSZE
Odbiorniki GPS stają się bez wątpienia coraz mniejsze, podobnie jak różne rodzaje sprzętu elektronicznego. Ten trend miniaturyzacji przyspieszany jest przez konsumenckie zapotrzebowanie coraz mniejszych, lżejszych, szybszych i tańszych urządzeń. Jednak pierwsze odbiorniki GPS trudno byłoby zabrać na górską wycieczkę.
STI-5010
Pierwsze odbiorniki GPS zbudowane w latach 70 były wykorzystywane do wstępnego testowania systemu GPS. W większości rozwinięte pod wpływem kontraktów z Departamentem Obrony USA, urządzenia te były prototypami dla różnych sektorów wojskowości.
Pierwszym dostępnym w handlu odbiornikiem GPS był STI-5010 zbudowany przez Stanford Tellecommunications, Inc.
Był to dwuczęstotliwościowy odbiornik do odbioru kodu C/A i P o powolnej sekwencji. Wykonanie pomiaru zajmowało mu pięć minut. Zewnętrzne komputery dokonywały pomiaru pseudoodległości. Zewnętrzny komputer kontrolował odbiornik i obliczał pozycje. Wariant odbiornika STI-5010 został rozwinięty dla stacji monitorujących segmentu kontroli GPS.
Macrometer V-1000
Badacze Instytutu Technologii w Massachusetts wprowadzili kolejny cywilny odbiornik GPS, Macrometer V-1000 w roku 1982 a firma Litton Aero Service stopniowo go skomercjalizowała.
Użytkownicy mogli transportować to urządzenie przy użyciu małych pojazdów i helikopterów, ponieważ liczyło 58 x 56 x 64 centymetry i ważyło 73 kilogramy a antena - 18 kilogramów.
Odbiornik ten wykorzystywał bezkodowe sygnały do wykonywania pomiarów fazowych, co oznaczało, że nie wykonywał pomiarów pseudoodległości ani nie dekodował żadnych nadawanych danych o efemerydach. Operacje w czasie rzeczywistym były zatem wykluczone.
Ponadto synchronizacja zegarów przy użyciu sygnału GPS nie była możliwa. W rezultacie tych ograniczeń użytkownicy musieli stosować przynajmniej dwa odbiorniki jednocześnie. Dodatkowo, przed rozpoczęciem pracy należało je zsynchronizować ze sobą, jak również z układem UTC.
Odbiornik ten był znany ze względu na dobrze zaprojektowaną, pomimo dużych rozmiarów antenę, która posiadała wyjątkową stabilność centrum fazy. Macrometer V0-1000 i jego następca dwuczęstotliwościowy Macrometer II znajdowały szerokie zastosowanie przez wiele lat.
Texas Instruments TI 4100
Wprowadzony również w roku 1982, Texas Instruments TI 4100 był pierwszym względnie zwartym odbiornikiem GPS, znanym również pod nazwą Navstar Navigator.
Odbiornik ten mógł wykonywać zarówno pomiary kodu C/A jak i P łącznie z pomiarem fazy na obydwu częstotliwościach L1 i L2. Jego jeden kanał mógł śledzić jednocześnie cztery satelity.
Procesor odbiornika o rozmiarach 37 x 45 x 21 cm posiadał ręczną kontrolę i element wyświetlający oraz opcjonalny dwukasetowy rejestrator danych, umożliwiający zapisanie danych do post-processingu.
Urządzenie, pomimo że przenośne, ważyło 25 kilogramów i zużywało 110 watów energii. Pomiar w terenie wymagał wykorzystania przenośnych baterii.
W czasach swego ?panowania?, odbiorniki TI4100 i Macrometer były używane na całym świecie do dokładnych pomiarów i wyznaczaniu sieci geodezyjnych.
Na początku lat 80 pojawiło się na rynku wiele firm, które rozpoczęły produkowanie odbiorników dla kartografii, nawigacji i transferu czasu. Wówczas rozpoczęła się stała ewolucja odbiorników GPS w kierunku rozwoju możliwości a zmniejszenia rozmiarów i konsumpcji mocy przez te urządzenia.
Odbiorniki ręczne - NAV 1000, Trimpak
Ewolucja technologii odbiorników GPS rozpoczęła się na dobre w roku 1988. Wówczas firma Collins Division of Rockwell International zademonstrowała prototyp pierwszego ręcznego odbiornika. Był to wielkości dużego pudełka z cygarami dwukanałowy, dwuczęstotliwościowy odbiornik przystosowany do odbioru kodu P, wykorzystujący zintegrowane obwody, bazujące częściowo na technologii semikonduktorów GaAs.
Użycie obwodu GaAs w odbiorniku GPS było i jest obecnie rzadko spotykane, ponieważ większość odbiorników GPS opiera się częściowo na konwencjonalnej technologii silikonowej. Osiągnięcie natomiast w całości cyfrowego przetwarzania GPS otworzyło drzwi dla konstruktorów do rozwinięcia wielkoskalowej integracji w odbiornikach GPS (VLSI).
Również w 1988 roku Magellan wprowadził pierwszy komercjalny odbiornik ręczny GPS o nazwie NAV 1000 w obudowie o wymiarach 19 x 8.9 x 5.3 cm i o wadze 850 gram, którego jeden sekwencyjny kanał mógł śledzić cztery satelity.
W tamtym roku firma Trimble wyprodukowała Trimpak. Był to trój-kanałowy sekwencyjny odbiornik, który mógł śledzić osiem satelitów. Pomimo, że był trochę większy od NAV 1000, liczył 19,8 x 6,4 x 22,4 cm i ważył 1,5 kg, można go było trzymać w jednej ręce.

Siły koalicji walczące w czasie wojny w Zatoce Perskiej w 1991 roku często używały obydwu cywilnych i militarnych wersji odbiorników NAV 1000 i Trimpak.
Kilka firm oferuje obecnie małe ręczne odbiorniki GPS zbudowane z małej liczby zintegrowanych obwodów. Niektóre z nich są wykorzystywane w innych rodzajach urządzeń elektronicznych, inne zostały specjalnie rozwinięte do zastosowań GPS. Te specyficzne dla danej aplikacji zintegrowane obwody (ASICs) znacząco zredukowały liczbę komponentów potrzebnych do zbudowania odbiorników GPS i zmniejszyły ich rozmiar i zużycie mocy.
GPS wielkości ręcznego zegarka
- W dalszej kolejności zastosowanie modułów multichip umożliwiło wyprodukowanie kompletnych odbiorników o rozmiarach 30 x 30 x 6 mm, na tyle małych, aby można je było nosić na nadgarstku jak zegarek.
- Na początku lat 80 przewidywano, że w XXI wieku możliwe będzie wyprodukowanie taniego urządzenia, pozwalającego na stałe określenie pozycji z dokładnością do 1 mm wielkości zegarka ręcznego.
- Przewidywano również, że cena takiego technologicznego cudu wynosiłaby około 10 dolarów.
- Pierwsze takie urządzenie jest już dostępne na rynku. Oferuje dokładność standardowego serwisu pozycjonowania (15 metrów) i kosztuje około 400 dolarów.
- Zatem te dwie ostatnie cechy urządzenia nie spełniają jeszcze oczekiwań. W przyszłości powinno być możliwe otrzymanie kompletnego urządzenia GPS zbudowanego z pojedynczego modułu.

- Prawdopodobnie będzie można nawet kiedyś zintegrować odbiornik GPS z komputerem noszonym w odzieży.
- Czynnikiem ograniczającym postęp miniaturyzacji może być rozmiar anteny GPS. Czym bowiem mniejsza jest antena, tym jest mniej czuła na odbiór sygnału. Obecne możliwe jest stworzenie anteny o rozmiarach mniejszych niż 2,5 x 2,5 cm.
- Sygnały GPS są czasem słabe, ale z bardziej czułą sekcją przetwarzania sygnału, stworzenie nawet mniejszej anteny powinno być możliwe.
SŁOWNIK TERMINÓW GPS
Almanach - informacja o konstelacji satelitów (zawierająca dane o ich lokalizacji i stanie technicznym), transmitowana przez satelity i zapisywana przez odbiornik. Dane almanachu pozwalają odbiornikowi szybko namierzyć satelity zaraz po jego włączeniu.
Atrybut - cecha obiektu w Systemach Informacji Geograficznej (GIS) albo w pakiecie Geometria Współrzędnych (COGO). Każdy identyfikowalny obiekt posiada atrybuty. Najpospolitszym atrybutem wszystkich obiektów jest ich pozycja geograficzna. Inne atrybuty zależą od typu obiektu.
Droga na przykład posiada:
- nazwę i numer,
- typ nawierzchni,
- szerokość,
- liczba pasów itd.
Każdy atrybut posiada zakres możliwych wartości, nazywany domeną.
Wartość wybrana do opisu danego obiektu nosi nazwę wartości atrybutowej.
Błąd odbicia - błąd spowodowany przez odbicie sygnału od różnych powierzchni zanim dotrze on do anteny odbiornika, przez co osiąga antenę więcej niż jedną ścieżką.




Błąd rozmycia dokładności pozycji (PDOP) - wartość wrażająca stosunek pomiędzy błędem w obliczeniu pozycji użytkownika a błędem w obliczeniu pozycji satelity. Informuje ona o tym, kiedy geometria satelitów pozwoli uzyskać najdokładniejszy wynik. Najlepszy czas dla zbierania danych może zostać wyznaczony w oparciu o raporty i wykresy prezentujące PDOP.
Jest to wynik obliczeń, które biorą pod uwagę lokalizację każdego satelity w obniesieniu do pozostałych satelitów w konstelacji. Pożądana wartość błędu powinna być mniejsza od 3. Wartości większe od 7 są bardzo niekorzystne.
Niskie wartości PDOP związane są z dużymi odległościami satelitów od siebie, co zwiększa prawdopodobieństwo lepszej dokładności.
Wysokie wartości PDOP wskazują na małe prawdopodobieństwo lepszej dokładności.
Zależność pomiędzy PDOP a błędem poziomym i pionowym DOP jest następująca:
PDOP2 = HDOP2 + VDOP2.
Czas akwizycji - czas potrzebny odbiornikowi GPS do odczytu wskazań zegarów z wystarczającej liczby satelitów (trzech dla pomiaru pozycji 2D i czterech dla pomiaru 3D).
Czas GPS - czas odniesienia używany przez system GPS. Czas GPS = UTC-8 sekund w styczniu 1993 roku.
Częstotliwość podstawowa - podstawową częstotliwością wykorzystywaną przez system GPS jest częstotliwość 10.23 MHz. Częstotliwości nośne L1 i L2 są podstawowymi składowymi tej częstotliwości.
L1 = 154F = 1575.42 MHz a L2 = 120F = 1227.60 MHz.
Digitalizacja - rejestrowanie danych w formie cyfrowej.
Długość geograficzna - kąt zawarty pomiędzy południkiem zero a danym punktem na powierzchni Ziemi, mierzony w stopniach od 0 do 180 na E lub na W od południka 0.
Domena - w systemie GIS jest to możliwa wartość atrybutu. Domeny są zazwyczaj zbiorem numerów, cech albo zestawów. Przykładową domeną atrybutu typ nawierzchni może być zbiór cech takich jak: bitum, żwir i beton.
Efemeryda - lista przewidywanych (obecnych) pozycji lub lokalizacji satelitów w funkcji czasu.
Elipsoida - w geodezji, trójwymiarowa figura geometryczna powstająca przez obrót elipsy wokół jej dłuższej osi.
Krótszą osią Ziemi jest prosta łącząca bieguny, natomiast dłuższą osią jest średnica Ziemi w płaszczyźnie równika.
Zdefiniowanie elipsoidy następuje poprzez określenie długości obydwu osi, albo poprzez określenie długości osi dłuższej i współczynnika spłaszczenia. Zależność pomiędzy podanymi cechami jest następująca:
f=(a-b)/a,
gdzie:
f to współczynnik spłaszczenia,
"a" to długość dłuższej osi, a
"b" to długość osi krótszej.
Geodezyjny układ odniesienia - matematyczny model jak najlepiej dopasowany do geoidy, zdefiniowany jako zależność pomiędzy elipsoidą i punktem na powierzchni topograficznej określonym jako początek układu współrzędnych. Światowe geodezyjne układy odniesienia są zdefiniowane poprzez wielkość i kształt elipsoidy i położenie środka elipsoidy w odniesieniu do środka Ziemi.
Geoida - uśrednione położenie poziomu morza. W przeciwieństwie do elipsoidy ma ona kształt falisty i podlega siłom grawitacji. Określona ekwipotencjalna powierzchnia, która najlepiej pasuje do średniego poziomu morza i która jest rozciągana na kontynenty. Powierzchnia ta jest prostopadła do płaszczyzny działania sił grawitacji.
Inicjalizacja - pierwsze orientowanie odbiornika do jego aktualnej pozycji. Po inicjalizacji odbiornik pamięta swoją pozycję i wyznacza kolejną pozycję szybciej, ponieważ nie potrzebuje już dużej ilości informacji o satelitach.



Kod P - chroniony i precyzyjny kod używany w paśmie L1 i L2. Kod ten jest udostępniany przez Departament Obrony USA tylko autoryzowanym użytkownikom. Jest on długą (około 1014 bitów) sekwencją pseudo-przypadkowych binarnych dwufazowych modulacji z częstością 10.23 MHz, które powtarzają się co 38 tygodni. Każdy satelita używa jednotygodniowego segmentu tego kodu.
Kod pseudo-przypadkowy - sygnał identyfikujący transmitowany przez każdego satelitę GPS i śledzony przez odbiornik GPS w celu odseparowania sygnału z szumu tła.
Konstelacja satelitów - usytuowanie w przestrzeni kosmicznej grupy satelitów, określony układ satelitów używany do wyznaczania współrzędnych na powierzchni Ziemi; trzy satelity są potrzebne do pomiaru 2D (długość i szerokość geograficzna), czterech satelitów wymaga pomiar 3D (długość i szerokość geograficzna oraz wysokość nad poziomem morza),wszystkie satelity widziane jednocześnie przez odbiornik GPS. Optymalną konstelacją jest konstelacja z najniższym PDOP.
Korekcja Różnicowa (DGPS) - proces korekcji pozycji GPS uzyskanych w miejscu nieznanej lokalizacji za pomocą danych rejestrowanych w tym samym czasie na miejscu o znanej lokalizacji (baza referencyjna). Korekcja różnicowa zazwyczaj dotyczy odbiorników, które bazują na technice kodu C/A. Proces korekcji może się odbywać w tzw. postprocessingu lub w czasie rzeczywistym, przy użyciu odbiornika radiowego. W przypadku postprocessingu stacja referencyjna zapisuje pomiary w postaci plików komputerowych, dlatego też użytkownik odbiornika ręcznego poruszający się z nim w terenie może skorygować swoje pomiary po powrocie z terenu. W przypadku korekcji w czasie rzeczywistym, stacja referencyjna oblicza i transmituje do odbiornika błąd pomiaru dla każdego satelity, co pozwala na stałe otrzymywanie skorygowanych danych w terenie.
Linia bazy - trójwymiarowy wektor odległości pomiędzy dwoma stacjami, dla których dane GPS były zapisywane jednocześnie i obliczone przy użyciu wygładzania fazą.
Maska PDOP - najwyższa wartość PDOP, przy której odbiornik będzie obliczał pozycje.



NAVDATA - 1500-bitowa informacja nawigacyjna nadawana przez każdego satelitę z prędkością 50 bps (bitów na sekundę) w paśmie L1 i L2. Informacja ta zawiera czas systemowy, parametry poprawek zegara, efemerydy satelitów i dane o ich stanie technicznym. Jest używana do przetwarzania sygnału GPS, w celu uzyskania pozycji i prędkości użytkownika.
NAVSTAR - nazwa satelitów systemu GPS. Jest to akronim utworzony od nazwy NAVigation Satellite Timing and Ranging (Układ Nawigacji Satelitarnej Określania Czasu i Odległości).
Nawigowanie - określanie kursu albo kierunku poruszania się.
Odbiornik ruchomy - każdy ruchomy odbiornik GPS, który zapisuje dane podczas sesji terenowej. Dokładniejsze pozycje odbiornika mogą być obliczone na podstawie danych zbieranych przez inny stacjonarny odbiornik GPS.
Ograniczony dostęp - celowy błąd wprowadzany przez rząd USA do sygnału GPS, powodujący zmniejszenie dokładności wyznaczania pozycji dla użytkowników cywilnych do 100 m. 2 maja 2000 rząd USA wyłączył SA, dzięki czemu dokładność odbiorników turystycznych firmy Garmin wzrosła do 15 m.
Opóźnienie propagacji sygnału - gdy satelita znajduje się na niewielkiej wysokości nad horyzontem i sygnał przez niego wysyłany musi pokonać dużą odległość przez atmosferę, osiąga odbiornik GPS z pewnym opóźnieniem. Z tego względu, że odległość do satelity jest mierzona za pomocą czasu potrzebnego na pokonanie tej odległości, to niewielkie opóźnienie może spowodować duży błąd w obliczaniu odległości. Opóźnienie sygnału spowodowane wpływem atmosfery ma miejsce na wszystkich wysokościach satelitów nad horyzontem, jednak szczególnie duże jest w przypadku satelitów o małych kątach nachylenia.
Pasmo L1 - pierwszy zakres pasma fal długich, w którym emitowany jest sygnał z każdego satelity na częstotliwości 1575.42 MHz. Jest on modulowany przez kod C/A i P oraz informację NAV.
Pasmo L2 - drugi zakres pasma fal długich, w którym emitowany jest sygnał z każdego satelity na częstotliwości 1227.60 MHz. Jest on modulowany przez kod P oraz informację NAV.
Piksel - najmniejszy element wyświetlany na ekranie LCD. Czym więcej pikseli, tym większa rozdzielczość.

Pomiary kinematyczne - forma ciągłego różnicowego kartowania fazowego, które wymaga jedynie krótkich okresów obserwowania danych. Operacyjnie polega to na rozpoczęciu pomiaru z linii bazowej lub zdefiniowanie takiej linii i śledzeniu przez odbiornik przynajmniej czterech satelitów. Jeden odbiornik jest wówczas zlokalizowany w punkcie kontrolnym dla każdej obserwacji bazowej, podczas gdy pozostałe odbiorniki zbierają pomiary punktów.
Przeskok PDOP - wartość PDOP, przy której odbiornik przechodzi od obliczania pozycji 3D do obliczania pozycji 2D (funkcja występująca tylko w module Auto 2D/3D).
Punkt kontrolny -punkt, którego współrzędne zostały określone za pomocą pomiarów kartograficznych
Rejestrator - ręczny, lekki komputer do wprowadzania danych. Rejestratory GPS firmy Trimble to np.: TDC1, TDC2, GeoExplorer i Pathfinder Basic Plus.
RINEX - znormalizowany format wymiany danych GPS - zespół standardowych definicji i formatów wspomagających bezpłatną wymianę danych GPS i ułatwiających używanie danych z dowolnego odbiornika GPS za pomocą dowolnego oprogramowania. Format składa się z definicji trzech podstawowych wielkości: czasu, fazy i odległości.
Rozmycie dokładności (Dilution of Precision-DOP) - pomiar dokładności pozycji GPS oparty na względnym położeniu satelitów. Rozmycie dokładności można określać w stosunku do:
- pozycji (PDOP) - dotyczy pomiarów poziomych i pionowych (długość geograficzna, szerokość i wysokość),
- pomiarów poziomych (horyzontalnych, HDOP) - długość i szerokość geograficzna, pomiarów pionowych (wertykalnych, VDOP), wysokość,
- czasu (TDOP) - dotyczy błędu zegara,
- pomiarów geometrycznych (GDOP) - dotyczy pomiarów trzech współrzędnych i błędu zegara,
- pomiarów względnych (RDOP) - jest znormalizowane do 30 sekund.
SATNAV - określenie odnoszące się do dawnego systemu lokalizacji satelitarnej
TRANSIT. Główna różnica pomiędzy systemem TRANSIT a GPS, polega na tym, że satelity systemu TRANSIT rozmieszczone są na orbitach polarnych znajdujących się blisko Ziemi z 90 minutowym okresem obiegu.
Stacja referencyjna - odbiornik, który ustawiono w miejscu o znanych współrzędnych, głównie w celu rejestracji danych dla potrzeb korekcji różnicowej. Stacja referencyjna oblicza błąd pomiaru odległości dla każdego satelity (korekcja różnicowa), za pomocą określania różnicy pomiędzy swoją znaną lokalizacją a lokalizacją obliczoną przy wykorzystaniu pomiaru GPS. Dane korekcji różnicowej poprawiają dokładność pomiaru pozycji GPS dokonanego przez ruchomy odbiornik GPS w miejscach o nieznanych współrzędnych.

Systemy Informacji Geograficznej (GIS) - skomputeryzowany system używany do wprowadzania danych geograficznych, zarządzania nimi, analizy i wyświetlania w formie cyfrowej.
Szerokość geograficzna - kąt zawarty pomiędzy równikiem a danym punktem na powierzchni Ziemi mierzony w stopniach od 0 do 90 na N lub S.
Układ odniesienia - model geograficzny otrzymany poprzez odwzorowanie powierzchni poziomu morza i zastosowanie teoretycznych matematycznych obliczeń. Układy odniesienia poszczególnych map różnią się między sobą. Układ odniesienia dla danego odbiornika GPS powinien pasować do układu, w jakim została sporządzona znajdująca się w nim mapa. Nazwę układu odniesienia można znaleźć w legendzie mapy.
Układ współrzędnych - każdy trójwymiarowy układ odniesienia, który lokalizuje obiekt w przestrzeni.
Uniwersalny Układ Transwersalny Mercatora (UTM) - ogólnoświatowy system odwzorowania układu współrzędnych geograficznych polegający na zastosowaniu pomiaru odległości w kierunku północnym i wschodnim z określonego punktu.
Wartość atrybutowa - określona wartość dla obiektu wybrana z domeny atrybutu. Na przykład typ nawierzchni jest atrybutem, bitum, żwir i beton są domeną, a żwir jest wartością atrybutową.
WGS-72 (World Geodetic System 1972) - Światowy System Geodezyjny 1972 - matematyczna elipsoida odniesienia wykorzystywana przez system GPS do roku 1987, której dłuższa oś ma długość 6378.137 km, a współczynnik spłaszczenia wynosi 1/298.26.


WGS-84 (World Geodetic System 1984) - Światowy System Geodezyjny1984 - matematyczna elipsoida wykorzystywana przez system GPS od stycznia 1987, której dłuższa oś ma długość 6378.137 km, a współczynnik spłaszczenia wynosi 1/298.257223563. Przesunięcie pomiędzy układem WGS-72 a układem WGS-84 na 37 równoleżniku wynosi około 13.6 metrów na wschód, 45 metrów na północ i 2.7 m w pionie.
Zimny start - włączenie odbiornika po długim okresie nie użytkowania, co spowodowało utratę aktualnych danych o efemerydzie satelitów.