Odbiorniki też nie są idealne

Satelity będące dziełem amerykańskiej armii mogą przekłamywać rezultaty pomiarów i generować błędy w nawigacji GPS – być może niektórych to zaskakuje, ale tak właśnie jest. Trudno w obliczu tego faktu dziwić się, że problemy może sprawiać również naziemny odbiornik. Takowy znajduje się w każdej nawigacji jaką możemy kupić i umieścić w aucie lub nosić w kieszeni ukrytą w smartfonie. Odbiorniki są coraz bardziej zaawansowane technicznie, ale nigdy nie będą tak dokładne jak wojskowe satelity. Główną przyczyną napotykanych komplikacji jest zegar kwarcowy, na którym pracuje odbiornik. Mechanizm ten jest tani, ale w porównaniu z zegarem atomowym nieprecyzyjny. Dlatego błędy są korygowane przez kilka satelitów naraz.

 

Inną wadą odbiorników w cywilnych nawigacjach jest niestabilność wzorców częstotliwości. Owocują one chwilowym zrywaniem połączeń z nadajnikami w kosmosie lub niepoprawną interpretacją odebranych sygnałów. Faza odbiornika bywa również nieciągła – mowa wtedy o zjawisku cycle slip. Innym problemem z fazami jest ich nieoznaczoność, co dodatkowo spowalnia przetwarzanie danych. Jeśli antena zintegrowana z nawigacją została źle wykonana i ma błędnie wyznaczony środek fazowy, precyzja również może ucierpieć.

 

Rzeczą nieodłączną przy wszystkich rodzajach komunikacji radiowej jest także szum odbiornika. Są to zakłócenia generowane przez sam sprzęt. Te niepożądane sygnały często zniekształcają fale i stanowią wewnętrzny problem sprzętowy.

 

 

Kręte ścieżki sygnałów

Jadąc samochodem możemy się łatwo natknąć na drogi skomplikowane i źle oznakowane, na których trudno się zorientować. Nawet GPS może w takich okolicznościach nie okazać się specjalnie pomocnym, choć raczej nie sprawi nam więcej problemów aniżeli szosa w fatalnym stanie. Warto wspomnieć, że odbiorniki GPS również są narażone na podobne zawirowania w swojej pracy. Opierają się o sygnały emitowane przez satelity. Dopóki docierają one prosto do nich i nie napotykają na przeszkody – wszystko jest w porządku. Gorzej, jeśli po drodze coś spowoduje, że ich precyzja i siła ulegną osłabieniu. Co stanowi takie czynniki?

 

Zjawisko wielotorowości sygnałów jest doskonale znane osobom, które zajmują się problematyką komunikacji radiowej. Mówimy o nim wówczas, gdy sygnał dociera do celu różnymi ścieżkami. Pierwsza ścieżka może prowadzić bezpośrednio od nadajnika, jednakże ten sam sygnał może odbić się od innych elementów. Są to zazwyczaj obiekty budowlane, inne pojazdy poruszające się w pobliżu lub anteny satelitarne na dachach domów. Co się dzieje, kiedy naraz do urządzenia dotrze ten sam, ale zduplikowany komunikat? Konsekwencją są zakłócenia oraz niewłaściwe dane – informacje o trasie wprowadzają użytkownika w błąd.

 

Za tę sytuację odpowiada interferencja. Właściwy sygnał miesza się z odbitym i dochodzi do niepożądanych wyładowań. Precyzja GPS-a jest wtedy wystawiona na próbę.

Kapryśne satelity

Tak złożony system jak GPS przynosi nam ogromne korzyści i bywa nieodzowny szczególnie przy dalekich podróżach. Dowiedzieliśmy się już o kilku istotnych czynnikach, które powinny nas jednak uczulić na to, że nie należy nawigacji obdarzać nieograniczonym zaufaniem. Bywa tak, że słabym punktem systemu okazuje się jego trzon, czyli sieć satelitów krążących po ziemskiej orbicie. Jest ich w kosmosie aż 24, a de facto 30, ponieważ Amerykanie zadbali o zapasowy zestaw nadajników. Wydaje się, że to bardzo duża ilość, jednakże nie zawsze tak jest. Okresowo w zasięgu odbiorników mogą znajdować się tylko cztery satelity, a to czasami zbyt mało.

 

Co jest powodem zaburzeń widoczności nadajników? Są one tym większe, im bardziej skrajna jest szerokość geograficzna, na której korzystamy z GPS-a. Kiedy jest wyższa niż 55 stopni, problem wystąpi z dużą dozą prawdopodobieństwa. Z niższymi wartościami jest podobnie. Niskie szerokości na terenie miast również nie sprzyjają dokładności pomiarów. Liczne zabudowania, murowane obiekty, a także drzewa na obszarze zalesionym osłabiają dodatkowo sygnał. Natężenie problemów zależy od pory doby, albowiem każdy satelita zmienia z czasem własną geometrię.

 

Twórcy nawigacji jakie są dostępne w sprzedaży postanowili wyjść naprzeciw tym komplikacjom. Wiele modeli wyposażono w oprogramowanie, które pozwala prognozować widoczność i geometrię satelitów dla konkretnych terenów.

Zaufanie użytkownika

Część osób sceptycznie podchodzi do wielu technicznych udogodnień, które pojawiają się na horyzoncie. Taka mentalność cechuje szczególnie starsze pokolenia przez lata przyzwyczajone do rozwiązywania pewnych problemów tradycyjnymi sposobami. Tyczy się to również wyznaczania tras samochodowych oraz planowania podróży. Wiele lat wcześniej nim urządzenia GPS weszły do regularnej sprzedaży, kluczowym orężem kierowców były zwykłe papierowe mapy oraz drogowe atlasy. Wciąż nieźle się one sprzedają, choć ich udział w rynku systematycznie spada. Nie ma się co czarować – rozpowszechnienie technologii GPS ma na tę tendencję spory wpływ. Czy ludzi, którzy wolą atlas od nawigacji warto przekonywać do zmiany zdania?

 

Na pewno nie należy robić tego na siłę, ponieważ każdy wybiera takie rozwiązanie, które mu odpowiada. Można sobie przecież wyobrazić, że są kierowcy, dla których posługiwanie się opasłym atlasem drogowym jest łatwiejsze i przyjemniejsze. Wymaga to jednak znacznie większej koncentracji i wyczucia, a najlepiej – pomocy któregoś z pasażerów. Ciężko bowiem kierować bezpiecznie autem i uważać na drogę, a równocześnie śledzić i interpretować zawartość map. GPS jest pod tym względem prostszy w obsłudze, bo działa automatycznie.

 

Entuzjaści GPS-a powinni jednak zachować umiar i nie ufać nawigacji bezwarunkowo. Pamiętajmy, że jak każda elektronika może ona generować błędy lub posiadać usterki, które uniemożliwiają skuteczne wskazywanie drogi.

 

Jonosfera opóźnia sygnał

Jak pewnie pamiętamy ze szkolnych zajęć z geografii, atmosfera Ziemi składa się z kilku warstw. Najwyżej z nich jest położona jonosfera. Można tam odnotować wysoki stopień promieniowania ultrafioletowego, słonecznego oraz kosmicznego. Pod ich wpływem cząsteczki gazów unoszących się w atmosferze ulegają jonizacji – z obojętnego atomu lub cząsteczki powstaje jon. Sama jonosfera także jest podzielona na kilka warstw, których granice wyznaczają poszczególne wysokości. Sygnał z satelitów decydujących o działaniu GPS-a przechodzi kolejno przez warstwy oznaczone literami D, E i F. Jak łatwo się domyślić, owo przejście ma wpływ na stan sygnału i jego końcową percepcję.

 

Pokonując drogę przez kolejne piętra jonosfery, sygnał radiowy z satelitów podlega zniekształceniom. Zostaje on zakrzywiony, zmienia się także jego prędkość. Samo zakrzywienie ma znaczenie marginalne i jedynie nieznacznie wpływa na efekt pomiaru odległości przez nawigację. Inaczej jest w przypadku zmian prędkości. Są one przyczyną znaczących błędów, które mogą podważać zaufanie do systemu GPS. Na szczęście pomyślano o tym i przygotowano sposób na efektywną korektę wahań.

 

System dokonuje porównania różnic w fazach sygnałów L1 oraz L2. Dzięki temu daje się dokładnie wyznaczyć czas propagacji. Z tego rozwiązania korzysta wojsko, natomiast cywilom podobną pomoc oferuje depesza nawigacyjna lub dodatkowy naziemny system DGPS.