GPS(ευρεση γεωγραφικης θεσης)

Εισαγωγή

Το GPS (Global Positioning System) είναι ένα παγκόσμιο σύστημα εντοπισμού θέσης, το οποίο βασίζεται σε ένα "πλέγμα" 24 δορυφόρων γύρω από τη γη στους οποίους συνδέονται ειδικές συσκευές που ονομάζονται δέκτες GPS. Οι δέκτες αυτές παρέχουν στον χρήστη ακριβείς πληροφορίες για τη θέση του, το υψόμετρό του, την ταχύτητα ή την κατεύθυνση της κίνησης του. Επίσης, σε συνδυασμό με ειδικό software χαρτογράφησης, απεικονίζουν και πληροφορίες για κοντινά σημεία ενδιαφέροντος.

Ένα δίκτυο από δορυφόρους που συνεχώς µεταδίδει κωδικοποιηµένες πληροφορίες, όπου καθιστά δυνατή την εύρεση της θέσης πάνω στη γη, µετρώντας την απόσταση από τους δορυφόρους. Αυτό το δίκτυο από δορυφόρους κινείται γύρω από τη γη συνεχώς. Το δίκτυο µε τους δορυφόρους µεταδίδει ραδιοφωνικά σήµατα πολύ χαµηλής ισχύος για να µπορεί ο καθένας µε ένα GPS να βρίσκει τη θέση του στη γη. Φυσικά αυτό το σύστηµα δεν είναι καθόλου φτηνό και κόστισε πολλά εκατοµµύρια εύρο για να κατασκευαστεί. Επίσης πολύ ακριβή είναι και η αντικατάσταση ή συντήρηση των δορυφόρων. Κάτι ακόµα που πρέπει να αναφέρουµε είναι ότι το GPS προηγείται χρονικώς από τους προσωπικούς υπολογιστές .Οι κατασκευαστές µάλλον δεν προέβλεπαν τη µέρα που θα µπορούσαµε να κουβαλάµε µικρούς φορητούς δεκτές που θα ζυγίζουν λιγότερο από ένα κιλό, και θα έχουν όχι µόνο τη δυνατότητα να µας δίνουν τις συντεταγµένες της θέσεως µας αλλά επίσης θα µπορούν να µας δείχνουν τη θέση µας σε ένα ηλεκτρονικό χάρτη µε πόλεις δρόµους και άλλες λεπτοµέρειες.Οι σχεδιαστές αρχικά είχαν στο µυαλό τους ότι το GPS θα χρησιµοποιούταν για στρατιωτικούς σκοπούς. ∆ηλαδή τα GPS είχαν στην αρχή σκοπό την ενίσχυση, της ναυσιπλοΐας, της αεροπλοΐας και του Στράτου. Ευτυχώς όµως ένα εκτελεστικό διάταγµα το 1980 έκανε τα GPS επιτρεπτά και στους πολίτες, και τώρα ο καθένας µπορεί να απολαύσει τα πλεονεκτήµατα του και τις δυνατότητες του που είναι σχεδόν απεριόριστες. Επίσης εκτός από τις πολλές δυνατότητες το σύστηµα του GPS χρησιµοποιείται από τους πολίτες δωρεάν.

Η εύρεση σηµείων αναφοράς στη στεριά ήταν εύκολη υπόθεση. Αυτό όµως είναι εξαιρετικά πιο δύσκολο στην θάλασσα ειδικά όταν ο άνθρωπος άρχισε την εξερεύνηση των ωκεανών, η εύρεση κάποιων σηµείων αναφοράς για πλοήγηση στη θάλασσα ήταν απαραίτητη. Τα µόνα ορατά αντικείµενα ήταν ο ήλιος, το φεγγάρι και τα αστέρια. Ήταν φυσικό λοιπόν να χρησιµοποιηθούν αυτά ως σηµεία αναφοράς. Αυτή ήταν και η απαρχή της περιόδου των Ουράνιων Συστηµάτων Πλοήγησης. Η ουράνια πλοήγηση αποτέλεσε την πρώτη σοβαρή λύση στο πρόβληµα του εντοπισµού της θέσης σε άγνωστες περιοχές, όπου ο ήλιος, το φεγγάρι και τα αστέρια, χρησιµοποιούνταν ως σηµεία αναφοράς. Η σχετική θέση των αστεριών καθώς και η γεωµετρία του σχηµατισµού τους όµως άλλαζε

ανάλογα µε τη θέση παρατήρησης τους από τη Γη. Εποµένως, παρατηρώντας τη γεωµετρία των αστρικών σχηµατισµών, ο άνθρωπος µπορούσε να εκτιµήσει τη θέση του στη Γη και να υπολογίσει την κατεύθυνση την οποία έπρεπε να ακολουθήσει για να πάει στον προορισµό του. Τα πιο χαρακτηριστικά παραδείγµατα τέτοιων αστρικών σχηµατισµών είναι η Μεγάλη κι η Μικρή Άρκτος. Αργότερα, µε την ανακάλυψη ειδικών οπτικών οργάνων, η γεωµετρία των αστρικών σχηµατισµών, ανάλογα µε τη θέση παρατήρησης, προσδιορίστηκε µε µεγαλύτερη ακρίβεια µετρώντας σχετικές γωνίες. Αυτές οι γωνίες λοιπόν χρησιµοποιήθηκαν αργότερα για τον ακριβέστερο υπολογισµό της θέσης του παρατηρητή, µε τη βοήθεια χαρτών, οι οποίοι απλούστευσαν την επίπονη υπολογιστική διαδικασία. Η διαδικασία των γωνιοµετρήσεων µε τα οπτικά όργανα ήταν πολύ επίπονη και χρονοβόρα διαδικασία. Ταυτόχρονα δεν παρείχε καλές ακρίβειες. Επίσης, δεν ήταν δυνατή η εφαρµογή της, ούτε κατά τη διάρκεια της ηµέρας, ούτε τις νύχτες που είχε συννεφιά. Οι µετρηµένες γωνίες έπρεπε να µεταφερθούν σε ειδικούς χάρτες και µετά από επίπονη υπολογιστική διαδικασία το τελικό αποτέλεσµα παρείχεπεριορισµένη ακρίβεια της τάξης µερικών µιλίων. Η µέθοδος επίλυσης βασιζόταν στην κλασσική τριγωνοµετρία, όπου τα αστέρια αποτελούν τα γνωστά σηµεία αναφοράς και οι µετρούµενες γωνίες µεταξύ των αστεριών και του παρατηρητή θα επίλυαν τα τρίγωνα και θα προσδιόριζαν τη θέση του παρατηρητή.

Η όλη διαδικασία θα ήταν πολύ πιο απλή, εάν υπήρχε και η δυνατότητα µέτρησης των αποστάσεων προς τα αστέρια. Η διαδικασία του τριπλευρισµού θα µπορούσε κάλλιστα να αντικαταστήσει τον τριγωνισµό, αλλά τέτοιου είδους µετρήσεις δεν ήταν δυνατόν να γίνουν. Πολλοί ήταν αυτοί που προσπάθησαν να κατασκευάσουν ένα όργανο –κι ακόµα περισσότεροι αυτοί που ονειρεύονταν την ύπαρξή του – πουθα µπορούσε να υπολογίσει τη θέση αυτόµατα και µε µεγαλύτερη ακρίβεια. Η παραπάνω ιδέα της µέτρησης αποστάσεων προς τα σηµεία αναφοράς τέθηκε σε εφαρµογή µόλις πρόσφατα, µε την χρησιµοποίηση των ραδιοκυµάτων και η εποχή του Ραδιοεντοπισµού άρχισε.

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ

Τα σημεία του ορίζοντα ή ακόμη και τα αστέρια, χρησιμοποιούνταν από την αρχαιότητα για τον προσανατολισμό των ανθρώπων. Ένα στάσιμο αστέρι στον ουρανό, με γνωστή γεωγραφική θέση ως προς το σημείο παρατήρησης αποτελούσε σημείο αναφοράς και βοηθούσε τους ανθρώπους στο να βρουν τη σωστή πορεία τους. Σε αυτό συνέβαλλαν αργότερα και άλλα μέσα, όπως ήταν η πυξίδα και ο εξάντας. Ωστόσο ο εξάντας στην πρώιμη μορφή του είχε τη δυνατότητα να μας πληροφορήσει μόνο για το γεωγραφικό πλάτος και όχι για το γεωγραφικό μήκος, κάτι που αποτελούσε ένα σημαντικό πρόβλημα ειδικά για τους ναυτικούς. Τον 17ο αιώνα το Ηνωμένο Βασίλειο συνέταξε ένα συμβούλιο επιστημόνων, το οποίο θα επιβράβευε χρηματικά όποιον εφεύρε κάποιο όργανο που θα επέτρεπε τον ακριβή υπολογισμό και των δύο αυτών γεωγραφικών συντεταγμένων, δηλαδή μήκους και πλάτους.

Το 1761 ο Άγγλος ωρολογοποιός John Harrison, μετά από δωδεκαετή μελέτη, δημιούργησε ένα όργανο το οποίο δεν ήταν άλλο από το γνωστό μας σημερινό χρονόμετρο. Σε συνδυασμό με τον εξάντα, το χρονόμετρο επέτρεπε τον υπολογιστή του στίγματος των πλοίων με εξαιρετική ακρίβεια για τα δεδομένα της εποχής. Πέρασαν αρκετά χρόνια μέχρι να φτάσουμε στις αρχές του 20ού αιώνα, οπότε και δημιουργήθηκαν τα πρώτα συστήματα εντοπισμού θέσης που βασίζονταν στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Αυτά μάλιστα χρησιμοποιήθηκαν ευρέως κατά τη διάρκεια του Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου. Τα συστήματα εντοπισμού θέσης εκείνης της εποχής αποτελούνταν από ένα δίκτυο σταθμών βάσης και κατάλληλους δέκτες.

Ανάλογα με την ισχύ του σήματος που λάμβανε κάθε δέκτης από σταθμούς γνωστής γεωγραφικής θέσης, σχηματίζονταν δύο ή περισσότερες συντεταγμένες, μέσω των οποίων προσδιοριζόταν η θέση των στρατιωτών πάνω στον χάρτη. Εδώ όμως συνέβαιναν δύο τινά: Η πρώτη περίπτωση ήταν η χρήση σταθμών βάσης που θα εξέπεμπαν το σήμα τους σε υψηλή συχνότητα, διαθέτοντας μεν υψηλή ακρίβεια εντοπισμού, αλλά μικρή εμβέλεια. Στην δεύτερη περίπτωση συνέβαινε το ακριβώς αντίθετο, δηλαδή ο σταθμός βάσης χρησιμοποιούσε χαμηλή συχνότητα εκπομπής σήματος, προσφέροντας έτσι υψηλότερη εμβέλεια, αλλά και χαμηλή ακρίβεια.

Το μόνο σίγουρο πάντως ήταν ότι η αρχή της χρήσης ραδιοκυμάτων για τον εντοπισμό θέσης είχε ήδη γίνει. Το Global Positioning System στη σημερινή του μορφή βασίζεται σε παρεμφερή τεχνολογία. Συνδυάζει όλες τις μεθόδους που είχαν χρησιμοποιηθεί στον ουρανό, δηλαδή την τεχνολογία των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων καθώς και την παρατήρηση ενός –τεχνητού αυτή τη φορά- ουράνιου σώματος. Οι σταθμοί βάσης που λαμβάνουν και δέχονται τα απαραίτητα ηλεκτρομαγνητικά κύματα πλέον βρίσκονται… στον ουρανό και δεν είναι άλλοι από τους δορυφόρους.

Ένα δίκτυο πολυάριθμων δορυφόρων που βρίσκεται σε σταθερή θέση γύρω από τον πλανήτη μας, βοηθά τους δέκτες GPS να μας δώσουν το ακριβές μας στίγμα οπουδήποτε στον κόσμο. Όταν το 1957 πραγματοποιήθηκε η εκτόξευση του δορυφόρου Σπούτνικ, οι άνθρωποι είχαν ήδη αντιληφθεί ότι ένα τεχνητό ουράνιο σώμα κοντά στη Γη δύναται κάλλιστα να χρησιμοποιηθεί για να εντοπιστεί η θέση μας πάνω στον πλανήτη. Αμέσως μετά την εκτόξευσή του οι ερευνητές του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, διαπίστωσαν ότι το σήμα που λαμβανόταν από τον δορυφόρο αυξανόταν καθώς αυτός πλησίαζε προς το επίγειο σημείο παρατήρησης και μειωνόταν όταν ο δορυφόρος απομακρυνόταν από αυτό. Αυτό ήταν και το πρώτο βήμα για την υλοποίηση της τεχνολογίας που ακούει στο όνομα Global Positioning System. Με τον ίδιο τρόπο που η θέση ενός δορυφόρου μπορούσε να εντοπιστεί ανάλογα με την ισχύ του σήματος που λαμβάνεται από αυτόν, υπήρχε και η δυνατότητα να συμβεί το ακριβώς αντίστροφο. Δηλαδή ο δορυφόρος να εντοπίσει την θέση μας με ιδιαίτερη ακρίβεια. Στην πραγματικότητα ένας δορυφόρος δεν είναι αρκετός για να έχουμε ακριβή αποτελέσματα, αλλά απαιτούνται τουλάχιστον τρεις όπως θα δούμε και στη συνέχεια.

Το GPS αρχικά δημιουργήθηκε αυστηρά για στρατιωτική χρήση και ανήκε στη δικαιοδοσία του αμερικανικού υπουργείου Εθνικής Άμυνας. Στα μέσα της δεκαετίας του 1960 το σύστημα δορυφορικής πλοήγησης, γνωστό τότε με την ονομασία Transit System, χρησιμοποιήθηκε ευρέως από το αμερικανικό ναυτικό. Χρειάστηκε ορισμένες δεκαετίες, μέχρι δηλαδή τα μέσα της δεκαετίας του 1990 ώστε το σύστημα GPS να εξελιχθεί, να γίνει ακριβέστατο και να αρχίσει να διατίθεται για ελεύθερη χρήση από το ευρύ κοινό. Αρχικά σχεδιάστηκε για την κάλυψη των αναγκών της ναυσιπλοϊας και για στρατιωτικούς σκοπούς, ο αρχικός στόχος ήταν να μπορούμε να έχουμε ακρίβεια ±10-15 m στο προσδιορίσμο θέσης , σε πραγματικό χρόνο. Γρήγορα όμως έγινε αντιληπτό ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ακριβέστερους υπολογισμούς και επεκτάθηκε η χρήση του σε γεωδαιτικές εφαρμογές. Στην παραγματικότητα το GPS κάλυψε ενα πραγματικό κενό που υπήρχε στον τομέα προσδιορισμού θέσης.

ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΟ GPS;

Το παγκόσμιο σύστημα προσδιορισμού γεωγραφικής θέσης ή GPS (Global Positioning System) είναι ένα σύστημα ραδιο-πλοήγησης, το οποίο αποτελείται από ένα δίκτυο 24 δορυφόρων και από επίγειους σταθμούς κατανεμημένους σε όλο τον κόσμο. Οι δορυφόροι βρίσκονται σε ύψος περίπου 20 χιλιόμετρων από την επιφάνεια της γης και περιφέρονται γύρω από τη γη ακολουθώντας έξη διαφορετικές τροχιές. Κινούνται με ταχύτητα περίπου 2,6 χλμ. το δευτερόλεπτο, διαγράφοντας μέσα σε ένα εικοσιτετράωρο, δύο πλήρεις κύκλους γύρω από τη γη. Οι δορυφόροι αυτοί αναφέρονται και σαν NAVSTAR δορυφόροι και ο πρώτος GPS δορυφόρος εκτοξεύτηκε το Φεβρουάριο του 1978. Κάθε δορυφόρος ζυγίζει περίπου 1 τόνο και το μήκος του, όταν τα πλαίσια με τα ηλιακά φωτοστοιχεία είναι ανοικτά, φθάνει περίπου στα 5 μέτρα. Η ισχύς μετάδοσης των σημάτων είναι το πολύ 50 Watt. Κάθε δορυφόρος μεταδίδει σήματα σε τρεις συχνότητες από τις οποίες μόνο μία (αυτή στα 1575,42 MHz) χρησιμοποιείται για τους πολίτες, γνωστή και ως "L1". Οι άλλες δύο συχνότητες χρησιμοποιούνται για στρατιωτικούς σκοπούς. Η διάρκεια ζωής κάθε δορυφόρου υπολογίζεται σε 10 περίπου έτη. Κάθε τόσο κατασκευάζονται νέοι δορυφόροι για να αντικαταστήσουν τους παλιούς.

Το GPS χρησιμοποιεί τους 24 δορυφόρους και τους επίγειους σταθμούς ως σημεία αναφοράς για να υπολογίσει τη θέση που βρισκόμαστε με ακρίβεια λίγων μέτρων. Σήμερα, υπάρχουν εξελιγμένα GPS συστήματα, όπως το Differential GPS, το Augmented GPS κ.ά., τα οποία μπορούν να φθάσουν σε ακρίβεια καλύτερη του ενός μέτρου! Έτσι, ουσιαστικά είναι σαν να δίνουμε σε κάθε τετραγωνικό μέτρο του πλανήτη μας μία μοναδική διεύθυνση.

Το μέγεθος των δεκτών GPS μειώνεται συνεχώς με τη χρήση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και έτσι αυτοί γίνονται πιο οικονομικοί και προσιτοί στον καθένα μας.

Σήμερα, το GPS και ειδικά μετά το 2000, όπου καταργήθηκε το SA (κοίτα SA: Εσκεμμένα σφάλματα), εφαρμόζεται στα αυτοκίνητα, στα πλοία, στα αεροπλάνα, στον κατασκευαστικό τομέα, στις κινηματογραφικές κάμερες, στα αγροτικά μηχανήματα, στις χαρτογραφήσεις, στα ολοκληρωμένα γεωγραφικά συστήματα, στη διαχείριση της κυκλοφορίας στους δρόμους ακόμη και στους φορητούς υπολογιστές. Επίσης, σε κρίσιμες καταστάσεις, το GPS μπορεί να προσφέρει ζωτικής σημασίας βοήθεια στην αστυνομία, στην πυροσβεστική, στις μονάδες διάσωσης, κ.λ.π. Εκτιμάται ότι σύντομα, το GPS θα γίνει τόσο χρήσιμο στον άνθρωπο, όσο έχει γίνει το τηλέφωνο.

ΠΩΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙ ΤΟ GPS;

Παρακάτω περιγράφεται η λειτουργία του GPS σε πέντε βήματα:

1ο βήμα Διαδικασία “τριγωνισμού” (triangulation) από τους δορυφόρους.

2ο βήμα Μέτρηση απόστασης από τους δορυφόρους χρησιμοποιώντας το χρόνο μετάδοσης των ραδιο-σημάτων.

3ο βήμα Συγχρονισμός ρολογιών δέκτη – δορυφόρου.

4ο βήμα Εύρεση θέσης των δορυφόρων στον ουρανό.

5ο βήμα Διόρθωση καθυστερήσεων στις οποίες υπόκειται το σήμα καθώς αυτό μεταδίδεται μέσω της ατμόσφαιρας και αντανακλάται σε διάφορα εμπόδια στην επιφάνεια της γης.

.