GPS również dla przemysłu
| TechnikaW Internecie pojawiła się niedawno lista „Top 10 Applications for GPS”. Na pierwszym miejscu znalazły się zastosowania wojskowe, ale kolejne pozycje związane są już głównie z aplikacjami komercyjnymi. Okazuje się jednak, że GPS wykorzystywany może być również w wielu zastosowaniach związanych z produkcją przemysłową, logistyką oraz automatyką.
Obecną tendencją rynkową jest wyposażanie wielu urządzeń podręcznych, w tym głównie telefonów komórkowych i palmtopów, w możliwości lokalizacji i nawigacji. Sprzyja to coraz większej popularności systemu GPS (Global Positioning System), którego formalnym właścicielem są Amerykańskie Siły Powietrzne. GPS umożliwia precyzyjne określenie położenia na podstawie danych transmitowanych z satelity do odbiornika. System ten, określany również jako Navstar (Navigation Signal Timing And Ranging), działa od początku lat 90. zeszłego wieku i w pierwszych latach funkcjonowania sprawdzał się on głównie w zastosowaniach wojskowych.
Obecnie GPS jest jednak wykorzystywany także w komercyjnych zastosowaniach, stając się nieodłączną częścią dostępnych w powszechnej sprzedaży urządzeń wyposażonych w opcję lokalizacji i nawigacji. Niemal każdego roku system jest ulepszany tak, aby stawał się jeszcze bardziej precyzyjny, a na jego rozpowszechnianie wpływa także cena. Wyposażanie urządzeń w coraz tańsze odbiorniki GPS sprawia, że stają się one dostępne dla każdego i dzięki temu, z dnia na dzień, bardziej popularne.
Jak działa GPS?
Część systemu GPS znajdującą się kosmosie stanowi konstelacja 24 pracujących satelitów i przynajmniej trzech pozostających w gotowości na wypadek awarii pozostałych. Satelity okrążają Ziemię po orbitach kołowych (6 orbit, po 4 satelity na każdej) na wysokości 20200km, nachylonych pod kątem 55° względem płaszczyzny równika. Okres obiegu Ziemi przez satelitę trwa 11 godzin 58 minut. W takim ustawieniu zawsze przynajmniej od 5 do 8 satelitów jest widocznych z dowolnego miejsca na Ziemi.
Część naziemna systemu, którą nadzorują Amerykańskie Siły Powietrzne, mieści się w Colorado. Znajdująca się tam baza ma za zadanie monitorowanie i kontrolę satelitów. W celu utrzymywania przez nie odpowiedniej pozycji w konstelacji na orbitę są przesyłane niezbędne dane do koordynacji. Każdy satelita ma 4 zegary atomowe, dwa cezowe i dwa rubinowe, które stanowią pokładowe wzorce czasu i używane są do generacji sygnałów wysyłanych do odbiorników naziemnych.
By odróżnić poszczególne satelity każdemu przypisany jest inny kod pseudolosowy. Ponadto przesyłana jest tzw. efemeryda, czyli informację, które dokładnie określają pozycję satelity na orbicie. Informacja ta, codziennie aktualizowana przez stacje naziemne, wykorzystywana jest do obliczania szerokości i długości geograficznej śledzonego obiektu, co umożliwia określenie ich położenia.
Sygnał transmitowany z satelity powstaje przy wykorzystaniu metod stosowanych w systemach szerokopasmowych określanych jako DSSS, czyli systemach z bezpośrednim rozpraszaniem widma ciągiem pseudolosowym (Direct Sequence Spread Spectrum). Informacja jest przesyłana w postaci dwóch fal nośnych modulowanych przy użyciu BPSK (Binary Phase Shift Keying). Nośne należą do pasma L i są oznaczane jako L1 (1575,42 MHz) oraz L2 (1227,6 Mhz).
Na podstawie nadawanego sygnału odbiornik na Ziemi oblicza wysokość oraz położenie określane przez długość i szerokość geograficzną. Podawany jest również czas, a dzięki temu można wyznaczyć i prędkość. Producenci określają to rozwiązanie jako PVT: pozycja (position) – prędkość (velocity) – czas (time). Używając specjalnego oprogramowania oraz korzystając z nakładek w postaci map można wygenerować obraz pokazujący, w którym miejscu na mapie obiekt się aktualnie znajduje.
Biorąc pod uwagę odległość orbity na której znajdują się satelity niezmiernie ważny jest wybór odpowiedniej anteny oraz odbiornika o jak największej czułości. Zasadniczą sprawą jest także zapewnienie odbiornikowi widoczności satelitów. Tylko w przypadku gdy istnieje bezpośrednia widoczność między anteną i satelitą możliwy jest odbiór sygnału. Stąd odbiornik GPS działa tylko na zewnątrz lub w pojazdach, w których widoczność odbiornikowi zapewniają okna.
Gdy odbiornik ma niezakłóconą widoczność rozpoczyna śledzenie satelitów. W momencie, gdy odbierze sygnał od danego satelity rozpoczyna się transmisja danych, po zakończeniu której odbiornik nawiązuje łączność z kolejnym satelitą będącym w zasięgu.
Podstawową operacją przeprowadzaną w odbiorniku jest pomiar czasu, w jakim sygnał jest przesyłany z satelity na Ziemię. Znając czas i prędkość światła wyznaczana jest odległość od satelity, która jest wykorzystywana w dalszych obliczeniach wraz z innymi danymi przesyłanymi z orbity (rys. 1).
Liczba satelitów z którymi współpracuje odbiornik jest uzależniona od tego, co jest wyznaczane. W przypadku określania położenia odbiornika w płaszczyźnie dwuwymiarowej do obliczenia szerokości i długości geograficznej wymagana jest współpraca trzech satelitów. Gdy z kolei istnieje potrzeba przestrzennego określenia pozycji obiektu, a także podania jego prędkości, konieczne są dane z czterech satelitów.
Jeszcze lepszy GPS
GPS wyznacza położenie obiektu z określoną precyzją, która zależy od rodzaju aplikacji. W zastosowaniach wojskowych pozycja może być wyznaczona z dokładnością do około 1m, a nawet lepszą. Taka możliwość nie jest jednak dostępna dla cywilnych użytkowników systemu. W tym przypadku położenie odbiornika jest określane w przybliżeniu do około 10m.
Ponieważ również dla potrzeb cywilnych wymagana była większa dokładność, powstało kilka rozwiązań zwiększających precyzję systemu GPS. Należy do nich między innymi system różnicowy, czyli DGPS (Differential GPS), a także WAAS (Wide-Area Augmentation System) oraz A - GPS (Assisted - GPS). Wszystkie te rozwiązania rozbudowują system GPS o dodatkowe segmenty w celu poprawy dokładności.
Jako pierwszy powstał DGPS, który wprowadzony został przez Straż Przybrzeżną w USA. Istotą metody różnicowej jest umieszczenie odbiorników w punktach, których współrzędne są dokładnie znane, co umożliwia wprowadzanie poprawek do rzeczywistych pomiarów. Zgodnie z tym USCG (U.S. Coast Guard) rozmieściło wzdłuż wybrzeży USA sieć stacji o precyzyjnie określonym położeniu, które porównywały dane otrzymywane z satelity ze swoimi rzeczywistymi współrzędnymi. Różnice wyznaczane wskutek tego porównania były przesyłane przez oddzielny nadajnik pracujący na częstotliwościach od 285 do 325kHz do najbliższych odbiorników DGPS.
Odbiornik DGPS zawiera więc w rzeczywistości zarówno odbiornik GPS, jak i odbiornik sygnału różnicowego. Odebrana poprawka jest wykorzystywana przez procesor do wyznaczenia dokładniejszej pozycji. Przy użyciu tego systemu osiągana jest precyzja rzędu 5m. DGPS nie jest jednak przeznaczony dla szerszego grona użytkowników, mimo że odbiorniki działające w tym systemie są powszechnie dostępne. Działa on bowiem wyłącznie w pobliżu wybrzeża, czyli w okolicy do której docierają sygnały emitowane przez stacje odniesienia i jest wykorzystywany głównie w nawigacji statków i łodzi. Analogicznie działający system różnicowy jest także używany przez kolej.
WAAS został powołany do życia przez Federalny Urząd Lotnictwa Cywilnego, a jego celem było stworzenie warunków do przeprowadzania lądowań samolotów bez bezpośredniej widoczności. W przypadku lotnictwa dokładność zapewniana przez system DGPS jest niewystarczająca, by precyzyjnie określić dokładne położenie granic pasa startowego. W związku z tym FAA (Federal Aviation Administration) zbudowało 25 stacji, w tym część na wybrzeżu, których położenie, podobnie jak w przypadku DGPS, jest dokładnie znane. Stacje monitorujące dane z satelitów wyznaczają poprawki względem swoich precyzyjnych współrzędnych.
Poprawki są następnie przesyłane ponownie na orbitę, tym razem do dwóch odrębnych satelitów znajdujących się na orbitach geostacjonarnych. Zadaniem tych satelitów jest retransmisja sygnałów poprawkowych do odbiorników WAAS GPS, znajdujących się w samolotach. Dzięki temu systemowi udaje się określać położenie z dokładnością do około 1m.
Najwięksi konkurenci
Pomimo że GPS jest najbardziej rozpowszechnionym systemem nawigacji, nie jest to jedyne rozwiązanie tego typu. Jednym z konkurentów jest rosyjski system GLONASS (Russia’s Global Navigation Satellite System), który działa praktycznie tak długo jak GPS. Segment kosmiczny w przypadku tego projektu stanowi 12 satelitów, które zasadniczo spełniają takie same funkcje jak satelity GPS. GLONASS jest używany głównie w Rosji, Północnej Europie i Kanadzie.
Aktualnie w trakcie budowy jest również system nawigacyjny Europejskiej Agencji Kosmicznej – Galileo. System ten jest podobny w swej strukturze do GPS, a nawet pracuje na tej samej częstotliwości L1. Galileo ma być konstelacją złożoną z 29 satelitów, które będą krążyły po orbitach nie zajmowanych przez satelity GPS. Aktualnie na orbicie znajduje się tylko jeden satelita, ale program zakłada wynoszenie na orbitę kolejnych satelitów w przeciągu najbliższych lat. Zakończenie pracy nad Galileo jest planowane na lata 2010 – 2012.
Odbiorniki GPS w przemyśle
Rynek skupiony jest przede wszystkim na urządzeniach do osobistej nawigacji, określanych skrótem PND (Personal Navigation Device) oraz akcesoriach samochodowych, wykorzystujących GPS. Podręczne odbiorniki GPS są szeroko dostępne, a praktycznie każdy pojazd ma możliwość wyposażenia w opcję nawigacji. Obecnie króluje trend dodawania odbiorników GPS także do innych przenośnych i zarazem kieszonkowych urządzeń, takich jak wspominane wcześniej telefony komórkowe, a także palmtopy.
Tak powszechne stosowanie systemu GPS stało się możliwe głównie ze względu na postępującą miniaturyzację układów elektronicznych oraz coraz mniejszy pobór mocy, co ma oczywiste znaczenie w przypadku urządzeń przenośnych.
Odbiorniki GPS znajdują także wiele zastosowań w przemyśle – nie tylko w systemach mobilnych, ale również w instalacjach sieciowych. Przykładem mogą być urządzenia do synchronizacji czasu w rozległych sieciach przemysłowych, takich jak np. te, które łączą ze sobą rozproszone stacje wodociągowe lub w instalacjach nadzorujących stan rurociągów. Aby sieć taka działała w pełni poprawnie, konieczne jest zachowanie odpowiednio dokładnej synchronizacji pomiędzy poszczególnymi jej elementami. W tym celu w oddalonych od siebie ośrodkach instaluje się anteny GPS pracujące zgodnie z protokołami NTP i SNTP.
Pobierany z satelity czas jest określony z tą samą precyzją na całym świecie. Różnice w czasie nadawania i odbioru pakietów transmitowanych przez rozległe sieci przemysłowe mogą więc być wykryte, a zaplanowane działania skoordynowane tak, by rozpoczynały się w ściśle określonych momentach.
Innym popularnym zastosowaniem systemów GPS są pomiary terenu i odległości. Stosuje się je np. w rolnictwie, gdzie zastępują różnego rodzaju mierniki mechaniczne lub optyczne. Operator podłącza moduł GPS do palmtopa, po czym rozpoczyna pomiar. Następnie pieszo lub w pojeździe porusza się po obwodzie mierzonego pola, rejestrując ten ruch na palmtopie. Po zakończeniu pomiaru urządzenie automatycznie oblicza pole powierzchni mierzonego terenu.
Systemy tego typu są też stosowane do pozycjonowania maszyn rolniczych - np. w przypadku przeprowadzania zasiewu lub opryskiwania upraw. Umieszczony w ciągniku odbiornik naprowadza kierowcę na taki tor, który pozwoli na optymalne wykorzystanie rozprowadzanego na polu materiału.
Tymczasem najbardziej powszechnym zastosowaniem GPS jest nawigacja satelitarna w logistyce – zarówno w transporcie międzynarodowym jak i w miejskiej komunikacji lokalnej. W tym pierwszym przypadku, tak jak i w rolnictwie, stosuje się głównie palmtopy – coraz częściej już ze zintegrowanymi układami GPS. Są one zazwyczaj wykonane w obudowach o wysokim stopniu ochrony i przeznaczone do pracy w trudnych warunkach środowiskowych.
Tymczasem przykładem komunikacji lokalnej wykorzystującej GPS są miejskie autobusy, w których system ten pozwala na lokalizację pojazdu, dzięki czemu wyświetla na tablicach diodowych aktualną trasę autobusu oraz informuje dyspozytornię o ewentualnych problemach z przemierzaniem trasy w założonym czasie. Naturalnie system GPS jest niezastąpiony również w nawigacji w transporcie morskim, z myślą o której był projektowany.
Monika Jaworowska,
Marcin Karbowniczek
