GNSS a technologia GPS: poznaj kluczowe różnice

Systemy GNSS i GPS współdziałają, podnosząc precyzję i efektywność nawigacji.

Współczesne systemy nawigacyjne stały się nieodłącznym elementem codziennego życia. Technologie te znajdują szerokie zastosowanie w rozmaitych branżach, umożliwiając uzyskiwanie dokładniejszych pomiarów.

Nowoczesne techniki nawigacyjne nie tylko umożliwiają precyzyjne określanie odległości i kątów, ale również znajdują zastosowanie w różnych sektorach przemysłu.

Branże kartograficzne i geodezyjne należą do pionierów wykorzystujących technologię GPS, która oferuje wyższą dokładność, szybkość działania oraz mniejsze zapotrzebowanie na zasoby ludzkie.

Systemy kontroli naziemnej i drony są często wykorzystywane przez firmy budowlane do optymalizacji procesów pracy, zwiększając wydajność i produktywność.

Chociaż początkowo nawigacja satelitarna była domeną wojska, obecnie zakres zastosowań tych technologii znacząco się poszerzył. Obejmuje on zarówno sektor prywatny, jak i publiczny, w wielu segmentach rynku, takich jak budownictwo, nauka i wiele innych.

Większość z nas zna GPS, który bywa nieoceniony podczas zwiedzania nowych miejsc. Termin GNSS jest jednak mniej popularny.

W tym artykule przybliżę Ci pojęcie GNSS, przeanalizuję różnice między GPS i GNSS, a na koniec zastanowimy się, który z nich jest bardziej wszechstronny, niezawodny i precyzyjny w konkretnych zastosowaniach.

Zaczynajmy!

Czym jest GNSS?

GNSS to akronim od Globalnego Systemu Nawigacji Satelitarnej. Składa się z wielu satelitów, zarządzanych przez różne kraje. Ich zadaniem jest przesyłanie sygnałów z przestrzeni kosmicznej, dostarczając danych o czasie i położeniu do odbiorników GNSS na Ziemi. Odbiorniki te, na podstawie tych danych, precyzyjnie określają Twoją lokalizację.

Zbiór satelitów okrążających Ziemię określa się mianem konstelacji; stąd GNSS to również określenie konstelacji satelitarnych. Znajduje zastosowanie w transporcie, stacjach kosmicznych, kolejnictwie, transporcie masowym, drogowym, morskim, lotniczym i wielu innych.

Nawigacja, pozycjonowanie i synchronizacja czasu są niezbędne w geodezji, reagowaniu kryzysowym, górnictwie, rolnictwie precyzyjnym, finansach, egzekwowaniu prawa, badaniach naukowych, telekomunikacji i wielu innych dziedzinach. Efektywność GNSS można zwiększyć, wykorzystując regionalne satelitarne systemy wspomagania, takie jak europejski system EGNOS.

Przykłady GNSS: amerykański NAVSTAR GPS, europejski Galileo, chiński system BeiDou i rosyjski GLONASS.

EGNOS przyczynia się do zwiększenia wiarygodności i dokładności danych GPS, dostarczając informacje o integralności sygnałów i korygując błędy pomiarowe. Rzeczywista wydajność systemu oceniana jest w oparciu o cztery kluczowe kryteria:

• Dokładność: To różnica pomiędzy zmierzoną wartością prędkości, czasu lub pozycji a ich wartością rzeczywistą.
• Ciągłość: Określa nieprzerwaną pracę systemu.
• Integralność: Jest to zdolność systemu do dostarczenia wskaźnika zaufania do danych o położeniu oraz informowania o potencjalnych problemach.
• Dostępność: Określa procent czasu, w którym system spełnia wymagania dotyczące dokładności, ciągłości i integralności.

Technologia GNSS wymaga sygnałów z co najmniej czterech satelitów do ustalenia położenia za pomocą zaawansowanych obliczeń trilateracyjnych. Współcześnie satelity w przestrzeni kosmicznej definiuje się poprzez trzy segmenty.

Są one uważane za kluczowe elementy technologii GNSS:

• Segment kosmiczny: Składają się na niego konstelacje satelitów krążących na wysokości od 20 000 do 37 000 km nad powierzchnią Ziemi.
• Segment kontrolny: To sieć stacji przesyłowych, monitorujących i nadrzędnych stacji kontroli, rozmieszczonych na całym świecie.
• Segment użytkownika: Obejmuje on urządzenia, które odbierają sygnały z satelitów i na ich podstawie wyznaczają położenie.

Czym jest GPS?

Globalny System Pozycjonowania (GPS) to system radionawigacyjny wykorzystywany w powietrzu, na lądzie i na morzu, służący do wyznaczania dokładnej lokalizacji, prędkości, czasu i innych parametrów, niezależnie od warunków pogodowych.

Prototyp GPS został stworzony w 1978 roku przez Departament Obrony USA. Pełne uruchomienie systemu, obejmującego 24 satelity, nastąpiło w 1993 roku.

System GPS jest własnością rządu Stanów Zjednoczonych i jest zarządzany przez US Space Force. Z GPS korzystają nie tylko wojskowi, ale także użytkownicy komercyjni i cywilni na całym świecie. Pomimo tego, że GPS został stworzony i jest kontrolowany przez USA, dostęp do niego ma każdy, kto posiada odbiornik GPS.

GPS to rodzaj technologii GNSS, która dostarcza dane o czasie i geolokalizacji do odbiornika GPS. Nie wymaga od użytkownika przesyłania danych, działa elastycznie na każdym urządzeniu z dobrym dostępem do Internetu.

W technologii priorytetem jest ciągłe doskonalenie. Wymagania technologiczne w stosunku do istniejącego systemu prowadzą do modernizacji GPS. Wdrażany jest system kontroli operacyjnej nowej generacji i satelity GPS Block IIIA.

GPS składa się z trzech komponentów: satelitów, odbiorników i stacji naziemnych. Przyjrzyjmy się funkcjom każdego z nich:

• Satelity: Krążą po orbitach, wysyłając sygnały.
• Stacje naziemne: Używają radaru, aby kontrolować pozycję satelitów.
• Odbiornik: Urządzenie, takie jak telefon lub nawigacja samochodowa, nieustannie wyszukujące sygnały z satelitów i określające odległość od pożądanej lokalizacji.

GNSS a GPS: Jak działają

Jak działa GNSS?

Systemy GNSS mogą różnić się wyglądem i wiekiem, ale ich działanie jest zbliżone. Satelita emituje dwie fale w paśmie L, czyli L1 i L2. Te fale nośne przekazują dane z satelity na Ziemię.

Odbiorniki GNSS składają się z anteny i jednostki przetwarzającej. Antena odbiera sygnały z satelitów, a jednostka je przetwarza. Do precyzyjnego ustalenia pozycji wymagane są sygnały z co najmniej czterech satelitów.

Satelity GNSS okrążają Ziemię w ciągu 11 godzin, 58 minut i 2 sekund. Każdy satelita emituje zakodowane sygnały, które zawierają znacznik czasu i szczegółowe dane o orbicie. Te informacje pozwalają odbiornikowi obliczyć położenie satelitów i dostosować się do dokładnego pomiaru pozycji.

Odbiornik mierzy różnicę czasu pomiędzy odbiorem a emisją sygnału, aby obliczyć dokładną odległość. Wynikiem są dane dotyczące wysokości, długości i szerokości geograficznej.

Jak działa GPS?

GPS wykorzystuje technikę trilateracji, zbierając sygnały z satelitów, aby dostarczyć użytkownikowi informacje o lokalizacji. Satelity krążące wokół Ziemi wysyłają sygnały, które są odbierane i interpretowane przez urządzenie GPS znajdujące się na powierzchni Ziemi lub w jej pobliżu.

Aby zapewnić dokładną lokalizację, urządzenie GPS musi odbierać sygnały z co najmniej czterech satelitów. Każdy satelita okrąża Ziemię dwa razy na dobę, emitując unikalny sygnał, czas i parametry orbity.

Ponieważ urządzenie GPS mierzy odległość od satelity, sygnał tylko z jednego satelity nie wystarczy do precyzyjnego określenia pozycji.

Podobnie jak w przypadku GNSS, GPS obejmuje trzy segmenty: kosmiczny, kontrolny i użytkownika.

• Segment kosmiczny: Składa się z ponad 30 satelitów na orbicie, zarządzanych przez Siły Kosmiczne Stanów Zjednoczonych. Satelity te transmitują sygnały radiowe do stacji monitorujących i kontrolnych na Ziemi.
• Segment kontrolny: Obejmuje zapasowe systemy, stacje monitorujące, dedykowane anteny naziemne i centralne sterowanie na całym świecie. Dzięki temu satelity GPS działają poprawnie i poruszają się po odpowiednich orbitach.
• Segment użytkownika: Obejmuje wszystkich, którzy korzystają z satelitów GPS do pomiaru pozycji, nawigacji i pomiaru czasu.

GNSS a GPS: Zalety i ograniczenia

Zalety GNSS

Jak już wiemy, GNSS łączy sygnały z trzech lub więcej satelitów z różnych krajów, aby zapewnić dokładne informacje. Oto niektóre z zalet GNSS:

• Wszystkie globalne systemy nawigacyjne są dostępne w każdej chwili. Jeśli jeden system nie działa ze względu na warunki atmosferyczne, inny pomoże w ten sam sposób. GNSS zapewnia lepszą dostępność sygnałów dla odbiorników.
• System oferuje dokładne dane czasowe, które są wykorzystywane do tworzenia sieci IoT o wysokiej precyzji.
• Dzięki konstelacji satelitów system przyspiesza ustalanie pozycji (TTFF – Time To First Fix).
• Dostarczając precyzyjnych danych o lokalizacji, oszczędza czas i pieniądze.
• Zapewnia nieprzerwaną łączność w różnych lokalizacjach, takich jak rozległe lasy, jaskinie czy gęsto zaludnione obszary.
• Odbiorniki GNSS automatycznie pomijają uszkodzone satelity, wybierając najlepsze rozwiązania nawigacyjne.

Ograniczenia GNSS

Oto niektóre z ograniczeń GNSS:

• Do precyzyjnych pomiarów wymagane są dodatkowe systemy rozszerzające.
• Dokładność pomiarów pionowych wynosi ponad 10 metrów.
• Systemy rozszerzające są niezbędne, aby spełnić wymagania w zakresie dostępności, dokładności, ciągłości i integralności.
• Mają wpływ na operatorów statków powietrznych, pilotów, służby kontroli lotów, personel regulacyjny itp.
• Bezpieczeństwo nawigacji zależy od dokładności baz danych.

Zalety GPS

• Jest prosty w obsłudze
• Jest stosunkowo niedrogi
• Zapewnia 100% pokrycie Ziemi
• Dzięki swojej precyzji pozwala oszczędzać paliwo
• Można go używać do znajdowania pobliskich hoteli, stacji benzynowych, sklepów itp.
• Jest łatwy do zintegrowania z różnymi urządzeniami
• Zapewnia solidny system śledzenia

Ograniczenia GPS

• Chip GPS szybko zużywa baterię urządzenia.
• Nie penetruje litych ścian, co uniemożliwia korzystanie z niego w pomieszczeniach lub pod wodą.
• Dokładność zależy od jakości sygnału satelity.
• Precyzja pomiarów spada, gdy liczba dostępnych satelitów jest ograniczona.
• W czasie burz geomagnetycznych lub innych niekorzystnych warunków atmosferycznych dostęp do lokalizacji może być utrudniony.
• Urządzenia do pomiarów geodezyjnych potrzebują czystego widoku nieba, aby poprawnie odbierać sygnały.
• Czasami niedokładność może skutkować wyświetleniem niepoprawnej drogi lub lokalizacji.

GNSS a GPS: Zastosowania

Zastosowania GNSS

Technologia GNSS została opracowana w XX wieku, aby wspierać wojsko. Z biegiem czasu znalazła ona zastosowanie w wielu dziedzinach:

• W procesie produkcji samochody są wyposażone w GNSS, który wyświetla ruchome mapy, lokalizację, kierunek, prędkość, pobliskie restauracje i inne informacje.
• Systemy nawigacji lotniczej używają wyświetlania ruchomej mapy, często współpracują z autopilotem.
• Statki i łodzie używają GNSS do lokalizowania się na oceanach, morzach i jeziorach. Jest on również wykorzystywany w systemach automatycznego sterowania.
• Ciężki sprzęt budowlany, rolniczy i górniczy wykorzystuje technologię GNSS do sterowania maszynami.
• Rowerzyści używają GNSS w turystyce i podczas wyścigów.
• Wspinacze, piesi i wędrowcy używają tej technologii, aby ustalić swoje położenie.
• Technologia GNSS jest również dostępna dla osób niedowidzących.
• Sondy kosmiczne wykorzystują GNSS jako narzędzie nawigacyjne.

Zastosowania GPS

GPS ma wiele zastosowań na całym świecie. Poznajmy niektóre z nich.

• Przemysł lotniczy wykorzystuje GPS do zapewnienia pasażerom i pilotom informacji o bieżącej pozycji samolotu.
• Przemysł morski dostarcza kapitanom łodzi dokładne aplikacje nawigacyjne.
• Rolnicy używają odbiorników GPS w swoim sprzęcie rolniczym.
• Geodezja
• Wojsko
• Usługi finansowe
• Telekomunikacja
• Prowadzenie pojazdów ciężarowych
• Działalność społeczna
• Lokalizowanie pozycji
• Wyszukiwanie miejsc w pobliżu
• Poszukiwanie skarbów
• Podróże w pojedynkę

I wiele innych.

GNSS a GPS: Różnice

Wszyscy wiemy, że GPS jest podstawowym narzędziem, które pomaga znaleźć dowolną lokalizację, restaurację, adres i inne miejsca. Można też dzielić się z innymi swoją bieżącą lokalizacją. Poprzez GPS mamy dostęp do informacji o położeniu, ale w przypadku zakłócenia sygnału dostęp do tych danych może być ograniczony lub niemożliwy.

GNSS to termin o podobnym zakresie jak GPS, ale charakteryzujący się większą elastycznością i niezawodnością dostępu do danych o lokalizacji nawet w przypadku zakłóceń. Obejmuje GPS, Baidu, Galileo, GLONASS i inne systemy konstelacji. Dlatego bywa określany jako Międzynarodowy Wielokonstelacyjny System Satelitarny. Można więc stwierdzić, że GNSS wykorzystuje wiele satelitów GPS z różnych krajów do precyzyjnego określania lokalizacji.

Przeanalizujmy główne różnice między tymi technologiami, opierając się na kilku aspektach.

KryteriaGNSSGPSWysokość orbitalnaWykorzystuje wysokość orbitalną różnych satelitów, np. 19100 km dla GLONASS i 20200 dla GPS.Satelity GPS krążą na wysokości 20200 km lub 10900 mil morskich z okresem 12 godzin.PrecyzjaDostarcza dokładniejsze informacje. Uzyskane wyniki cechuje precyzja na poziomie centymetra lub milimetra. Dostarcza mniej precyzyjne informacje, które mogą być niedokładne ze względu na warunki atmosferyczne, zakłócenia sygnału itp. Dokładność waha się od 4,9 do 16 metrów.Kraj pochodzeniaGNSS obejmuje GPS z USA, GLONASS z Rosji, Galileo z Europy i BeiDou z Chin. Jest to rodzaj systemu GNSS, który został opracowany w USA.SatelityPosiada 31 satelitów GPS, 24 z GLONASS, 26 z Galileo i 48 z BeiDou. Posiada 21 satelitów na orbicie.Okres różnych systemów nawigacyjnych to:
GLONASS: 11 godzin i 16 minut
Galileo: 14 godzin i 5 minut
BeiDou: 12 godzin i 38 minut
NAVIC: 23 godziny i 56 minut. Krąży po orbicie kołowej z okresem 12 godzin, czyli dwa razy dziennie.StatusStatus każdego systemu nawigacyjnego jest inny, np. GLONASS działa, BeiDou ma 22 satelity operacyjne i kolejne.GPS działa.SygnałPoziom mocy GNSS wynosi 125 dBm i różni się w zależności od satelitów z różnych krajów. Jest stały do poziomu mocy sygnału 125 dBm.

GNSS oferuje dokładniejsze dane, ponieważ łączy informacje z różnych satelitów z wielu krajów. Z kolei GPS to konkretny system dostarczający dane, kontrolowany i utrzymywany przez rząd USA.

Podsumowanie

GPS to rodzaj GNSS, który był pierwszym globalnym systemem nawigacji satelitarnej. Ogólnie rzecz biorąc, GPS jest często używany jako synonim systemu nawigacji satelitarnej. Oba systemy są podobne pod względem zasady działania, ale różnią się sposobem pracy.

GNSS i GPS znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach, w których potrzebne są precyzyjne i aktualne informacje o czasie i pozycji, np. w transporcie, nawigacji morskiej, komunikacji mobilnej, rolnictwie, sporcie i wielu innych.

Możesz być także zainteresowany poznaniem najlepszego oprogramowania do zmiany lokalizacji GPS dla urządzeń z systemem iOS.