Geografia na codzień 

Paweł Kramarz, Witold Warcholik

Od GPS do Galileo

Przypadkowy nabywca pojemnika z 12 opakowaniami Coca-Coli, zawierającego jedną wyróżniającą się puszkę, naciska umieszczone na  niej przyciski. Uruchamiają one mieszczące się wewnątrz telefon komórkowy i odbiornik GPS. Szczęśliwiec kontaktuje się w ten sposób z przedstawicielem firmy, ta zaś natychmiast lokalizuje go i w krótkim czasie może mu dostarczyć atrakcyjną nagrodę

O pisana akcja reklamowa przeprowadzona w Stanach Zjednoczonych potwierdza fakt, iż we współczesnym społeczeństwie informacyjnym, którego rozwój opiera się m.in. na danych przestrzennych, szybko pozyskanych i przetworzonych stosownie do potrzeb, pomiary z wykorzystaniem systemów satelitarnych stały się „chlebem powszednim”. Nikogo nie powinno też już dziwić, iż instrumenty geodezyjne mierzą, kontrolują i zapisują dane bez specjalnej ingerencji pomiarowego, oprogramowanie obliczeniowe importuje i plotuje zakodowane wyniki pomiaru, a fotogrametryczne stacje cyfrowe tworzą cyfrowe modele terenu i ortofotomapy.

Ogólnodostępny odbiornik GPS, pracując w trybie nawigacyjnym, umożliwia obecnie wyznaczenie pozycji z dokładnością rzędu 10 m. Nie wymaga on stosowania dodatkowego sprzętu i pozyskiwania poprawek - jak w przypadku dużo dokładniejszych pomiarów różnicowych - umożliwiając automatyczny pomiar współrzędnych w dowolnych warunkach atmosferycznych dnia i nocy, w dowolnym punkcie Ziemi. Pomaga w realizacji tras i profili topograficznych poprzez zapis współrzędnych punktów oraz rejestrację m.in.: aktualnej, maksymalnej i średniej prędkości przemieszczania się; czasu wschodu i zachodu Słońca dla danej pozycji; wysokości punktów; kierunku i czasu dojścia do punktów. Odbiorniki wyposażone są w funkcję ratunkową i funkcję powrotu tą samą trasą zapisaną w pamięci. Pozyskane dane przestrzenne rejestrowane są w postaci cyfrowej z możliwością transferu kablem GPS-PC do komputera, co umożliwia dalszą ich analizę i wizualizację. Możliwy jest także import danych z komputera, przykładowo: wcześniej zaprojektowanych tras, czy też punktów pozyskanych ze zdjęć lotniczych oraz podgląd przebytego lub planowanego kursu na wyświetlonej w odbiorniku lub na ekranie komputera interaktywnej mapie, z możliwością jej dowolnego skalowania. Nic więc dziwnego, że moduły GPS stanowią coraz powszechniejsze zastosowanie w telefonach, zegarkach, laptopach, palmtopach, komputerach pokładowych samochodów, samolotów i statków. Obok funkcji użytkowych odbiornik może również bawić - przykładowo: popularne na świecie stało się określanie miejsc przecięć linii siatki geograficznej o pełnych współrzędnych (Degree Confl uence), w którą włączyli się studenci Instytutu Geografii AP w Krakowie (fot. 1).

Fot. 1. Studenci IG AP w trakcie Degree Confl uence Project - Kraków 50°N, 20°E (fot. R. Uliszak).

A jak działa system GPS? NAVSTAR GPS (NAVigation Satelite Timing And Ranging Global Positioning System), opracowany przez Departament Obrony USA, tworzą segmenty: kosmiczny, kontroli i użytkowników. Pierwszy z nich (od 1994 r.) składa się z 24 satelitów (w zależności od potrzeb jest ich albo więcej, albo mniej) umieszczonych na wysokości około 20 200 km na sześciu zbliżonych do kół orbitach o nachyleniu 55° w stosunku do równika. W do wolnym punkcie globu, o dowolnej porze dnia i nocy, można obserwować jednocześnie 4-10 satelitów GPS.

Drugi segment tworzony jest przez stację centrum, gdzie oblicza się parametry orbit każdego z satelitów i dokonuje ekstrapolacji tych parametrów na następne kilka godzin. Współdziałają z nim cztery stacje śledzące, prowadzące ciągłe obserwacje satelitów i przesyłające ich wyniki do centrum. Poszczególne satelity informują o swojej lokalizacji w przestrzeni segment kontroli, który następnie przetwarza te informacje, uwzględniając ruchy Ziemi (m.in. ruch bieguna, dryft kontynentów) i dokonuje własnych pomiarów pozycji satelitów. Takie pakiety danych przesyła następnie do satelitów. Te retransmitują aktualne dane o swoim położeniu do odbiorników itd. Trzeci segment składa się z użytkowników systemu, wyposażonych w odbiorniki rejestrujące częstotliwości emitowane przez satelity GPS.

Na złożoną informację docierającą z satelitów do odbiorników składają się dane nawigacyjne oraz sygnały pomiarowe uformowane z częstotliwości, które powstały z pomnożenia lub podzielenia wysokostabilnej, wytwarzanej przez zegary atomowe satelitów, częstotliwości podstawowej (10,23 MHz -+ 10^-12 - 10^-13 s). Sygnał jest emitowany w postaci fal radiowych (o dwóch różnych częstotliwościach: L₁ (kod C/A i kod P) i L₂ (kod P) z zakresu mikrofal o długościach około 19 i 24 cm, które rozchodzą się prostoliniowo. Emitowane są dwa typy kodu binarnego, z których pierwszy tzw. C/A (clear access or coarse acquisition) dostępny jest dla wszystkich, a kod P (precise) dla uprawnionych użytkowników.

Pomiar odległości od jednego satelity wykonany odbiornikiem GPS nie przedstawia zbytniej wartości. Jedynym wnioskiem, jaki może wyciągnąć obserwator, jest ten, że znajduje się gdzieś na powierzchni teoretycznej kuli o promieniu około 22 000 km. Dodatkowo, przy pomiarze odległości od drugiego satelity, jego przypuszczalne położenie zawęża się do okręgu powstałego z przecięcia się powierzchni dwóch sfer; jeśli jeszcze do trzeciego, prawdopodobne położenie obserwatora to dwa punkty przecięcia się powierzchni trzech sfer, z których jeden jest błędny i zostaje wyeliminowany przez odbiornik GPS. Satelita i odbiornik generują w tych samych momentach takie same sygnały, ale ten biegnący od satelity musi pokonać drogę około 22 000 km. Nie pokrywa się więc z sygnałem generowanym przez odbiornik, a wielkość tego przesunięcia (około 0,07 s) jest dokładnym czasem przemieszczenia się fali między satelitą a anteną odbiornika.

Niezależnie od zastosowań nawigacyjnych, odbiorniki GPS stały się skutecznym narzędziem w badaniach naukowych, głównymi zaletami systemu są bowiem: globalna jednorodność uzyskanych wyników, dokładność, automatyzacja i krótki czas pomiaru w dowolnych warunkach atmosferycznych. Główną wadą jest konieczność ciągłej łączności z satelitami, co na terenach leśnych i zabudowanych nie zawsze jest możliwe. Dokładność GPS jest w znacznej mierze wypadkową zastosowanej metody pomiaru. Pomiary w trybie nawigacyjnym, obarczone błędami wynikającymi z opóźnienia jonosferycznego i troposferycznego, różnic wskazań zegarów atomowych satelitów i zegarów kwarcowych odbiorników oraz odbić sygnału od obiektów naziemnych, umożliwiają wyznaczenie pozycji, co najwyżej z dokładnością rzędu pojedynczych metrów. Istnieje jednak grupa pomiarów eliminujących te błędy, polegających na synchronicznych obserwacjach grupy satelitów co najmniej przez dwa lub większą liczbę odbiorników GPS. Umożliwiają one określenie różnicy odległości między dwoma odbiornikami z milimetrową precyzją. Pomiary różnicowe DGPS (Differential GPS) odbywają się poprzez wprowadzenie do odbiornika w czasie rzeczywistym poprawek do pomiarów, dostarczanych przez równolegle pracujący odbiornik systemu GPS w punkcie o znanych współrzędnych, poprzez transmisję radiową (Real Time Kinematic - RTK). Korekta pomiarów może się odbywać również poprzez programy, które opracowują a posteriori rezultaty pomiarów z pary odbiorników ruchomego i bazowego o znanych współrzędnych (postprocessing).

Podstawowym układem współrzędnych wyznaczanych przez odbiorniki GPS jest WGS-84 (World Geodetic System 84), o początku pokrywającym się ze środkiem mas Ziemi, wspólnym ognisku orbit satelitów GPS. Ponieważ układ odniesienia i współrzędne powinny być spójne z mapą użytkownika, a tylko nieliczne, nowe polskie opracowania wykonane są w układzie WGS-84, zachodzi konieczność przeliczania wyznaczonych współrzędnych do stosowanych w mapach układów. W ostatnim czasie pojawiły się na polskim rynku mapy tematyczne i plany miast z siatką GPS. Z odmienności układu WGS-84 wynikają również różnice w wysokościach określanych punktów. Porównanie wysokości bezwzględnej (H) określanej względem geoidy z wysokością pomiaru GPS (h) związaną z elipsoidą WGS-84 wymaga znajomości undulacji (N) - odstępu między tymi dwoma różnymi poziomami odniesienia, a wyraża je zależność h = H + N. Dokładne wartości takich odstępów zawiera tzw. mapa geoidy opracowana dla obszaru Polski przez CBK PAN, dostępna w internecie, a wynoszą one od 28 m do 43 m.

Użytkownicy nawigacji satelitarnej w Europie nie mają obecnie żadnej alternatywy, określając swoją pozycję w oparciu o systemy militarne: amerykański GPS lub rosyjski GLONASS. Europejska strategia rozwoju systemów satelitarnych oparta jest na działającym obecnie systemie wspomagania satelitarnego EGNOS, stanowiącym krok w kierunku wdrożenia, długo już oczekiwanego, całkowicie cywilnego systemu Galileo. Uruchomienie EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) ma na celu poprawę dokładności, dostępności i jakości sygnałów emitowanych przez istniejące systemy nawigacji satelitarnej. EGNOS, umożliwiający wyznaczanie pozycji z dokładnością powyżej 3 m, dostarcza informacji uzupełniających sygnały z GPS i GLONASS, korzystając z konstelacji satelitów tych systemów i transmitując dane poprzez swoje satelity geostacjonarne. System EGNOS opiera się na czterech segmentach: pierwszy to segment satelitarny, który tworzą satelity geostacjonarne: Inmarsat III AOR-E (Atlantic Ocean Region-East - 15,5°W, Pseudo Random Noise 120), Inmarsat III IOR (Indian Ocean Region - 64,5°E, PRN 131) oraz Artemis (Adwanced Relay Technology Mission 21,5°E, PRN 124). Segment drugi, naziemny, tworzony jest przez 34 stacje referencyjne RIMS (Raning and Monitoring Integrity Stations), z których jedna znajduje się w CBK PAN w Warszawie, odpowiedzialne za gromadzenie sygnałów z GPS, GLONASS i satelitów geostacjonarnych, 6 stacji NLES (Navigation Land Earth Stations) zapewniające łączność z satelitami geostacjonarnymi oraz 4 stacje centralne MCC przetwarzające dane zbierane przez RIMS, generujące poprawki. Trzeci to segment użytkowników, wyposażonych w odbiorniki mające możliwość odbierania, oprócz danych z GPS i GLONASS, także sygnałów EGNOS transmitowanych z satelitów geostacjonarnych, zaś czwarty - infrastruktury wspomagającej - w postaci dwóch stacji: ASQF (Application Specific Qualification Facility) oraz PACF (Performance Assessment and System Check out Facility), odpowiedzialnych za wsparcie techniczne, testy wydajności systemu, archiwizację danych itp.

System Galileo, planowany do całkowitego wdrożenia na rok 2008, a którego pierwszy satelita ma zostać uruchomiony już z końcem 2005 r., charakteryzować będą cztery serwisy, obejmujące nawigację satelitarną, wyznaczanie pozycji oraz transmisję czasu: Open Service - bezpłatny i ogólnie dostępny, Commercial Service - płatny, o zwiększonej precyzji i z gwarancją jakości sygnału, Safety of Life Service - do zastosowań związanych z bezpieczeństwem, udostępniony dla użytkowników posiadających odbiorniki z odpowiednim certyfikatem, Public Regulated Service - zastrzeżony dla autoryzowanych użytkowników administracji państwowej oraz Search and Rescue - wykorzystywany w poszukiwaniach i ratownictwie, charakteryzujący się możliwością przesyłania do użytkownika zwrotnych wiadomości z potwierdzeniem odebrania jego zgłoszenia. System Galileo wykorzystywał będzie sygnały z innych systemów satelitarnych: GLONASS, GPS oraz współpracujących z nim systemów SBAS (Satellite Based Augmentation System), opartych o satelity geostacjonarne i systemy naziemnych stacji korekcyjnych, a które lokalnie pokrywają obszar Europy (EGNOS), USA (WAAS), Kanady (CWAAS) oraz Japonii (MSAS); systemów niesatelitarnych, jak radiowy system Loran-C oraz systemów komunikacyjnych GSM, GPRS i UMTS. Oficjalny polski punkt informacyjny Galileo podaje cały zespół planowanych zastosowań systemu, jednym z pierwszych jest nawigacja osobista, od turystyki, pomocy w poruszaniu się w terenie nieznanym i dostarczaniu o nim aktualnej informacji, poprzez nadzór nad osobami przewlekle chorymi, po monitorowanie pracowników służb publicznych podczas pracy w sytuacjach zagrożenia. Innym zastosowaniem będzie kontrola faz lotu samolotu, szczególnie w obszarach bez infrastruktury kontroli przestrzeni powietrznej, automatyczny system identyfikacji poruszających się jednostek (statki, ciężarówki) i optymalne sterowanie ich trasami oraz ostrzeganie o potencjalnych niebezpieczeństwach i konieczności zmiany zaplanowanego tempa jazdy pociągów. Galileo oferuje również zarządzanie przesyłaniem energii elektrycznej; precyzyjne znaczniki czasu otrzymywane z systemu Galileo pozwolą na optymalizację przesyłu prądu i szybkie przywrócenie sieci energetycznej do pracy po awarii, a także szybkie i bezpieczniejsze prowadzenie górniczych prac poszukiwawczych w rejonach trudnodostępnych. Oczywiście ta możliwość bliska jest już wykorzystaniu systemu Galileo w poszukiwaniach i ratownictwie oraz zarządzaniu w sytuacjach kryzysowych. Projekt ma również wspomagać rolnictwo poprzez dostarczanie informacji o chwilowych i lokalnych parametrach areałów, które zostają następnie transmitowane z metrową dokładnością do zautomatyzowanych maszyn rolniczych przykładowo dozujących środki (nawozy, woda).

Na zakończenie należy wspomnieć, iż pomiary satelitarne, zwłaszcza w aspekcie ich powszechności, powinny znaleźć się w szerokim kręgu zainteresowań kadry naukowej, w tym szczególnie nauczycieli przedmiotów kształtujących umiejętności szeroko pojętej orientacji w terenie. Wymienione wyżej systemy umożliwiają lub w bliskiej perspektywie będą umożliwiać użytkownikowi szybką orientację, odpowiadając na pytania: „Gdzie się znajduję?”, „W jakim kierunku mam się przemieszczać, by dotrzeć do określonego celu?”, „Jaka dzieli mnie od niego odległość i jaki czas marszu?”. Nie powinny one jednak sprowadzać użytkownika do roli operatora zamiast obserwatora. Obok umiejętności wyznaczenia kierunku trasy odbiornikiem GPS młody człowiek winien posiąść umiejętność posługiwania się busolą, zegarkiem, gnomonem, wykorzystywania obserwacji Słońca i Gwiazdy Polarnej. Indywidualną kwestią będzie jednak odpowiedź na pytanie: czy będzie potrzebował zakupionej w księgarni mapy czy planu, by zrealizować swoje wakacyjne plany?

Paweł Kramarz, Witold Warcholik

Literatura
K. Czarnecki, Geodezja współczesna, Warszawa 1997.
A. Łyszkowicz, Wskazówki prosto z nieba, „Geodeta” 1996, nr 12.
W. Warcholik, GPS - nowe zainteresowanie ucznia, „Geografia w Szkole” 2000, nr 4.
W. Warcholik, Nawigacyjny pomiar GPS w kartowaniu antropogenicznych form rzeźby terenu na przykładzie doliny Białej Dunajcowej, [w:] A. Traczyk, A. Latocha (red.) VI Zjazd Geomorfologów Polskich, Jelenia Góra-Wrocław 2002.
W. Warcholik, Współczesna geoinformacja a środki dydaktyczne w nauczaniu geograf i, [w:] M Tracz, Z. Zioło (red.) Polska dydaktyka geografii jako nauka i sztuka, Kraków 2004.
W. Warcholik, P. Kramarz, Mała retencja w zlewni Dłubni w XX wieku, Rejestracja przestrzenna zespołów młyńskich z wykorzystaniem pomiarów GPS, [w:] J. Lach (red.) Dynamika zmian środowiska geograficznego pod wpływem antropopresji, NFOŚiGW, Kraków 2003.