Nawigacja morska

Odbiornik GPS w nawigacji morskiej

1

Z pośród wielu różnych sposobów określania pozycji jachtu, nawigacja satelitarna jest powszechnie wykorzystywana, ze względu na dostępność rożnego rodzaju odbiorników GPS. Praktycznie każdy jacht jest dziś wyposażony w takie urządzenie, które z dokładnością ±10m wskazuje współrzędne pozycji, zlicza przebytą drogę, podaje czas GMT. Współczesne odbiorniki umożliwiają wprowadzenie punktów trasy, obliczają kursy na te punkty biorąc poprawki na dryf, prąd, sygnalizują zejście z kursu. Ale taki odbiornik nie będzie wiedział, że na kursie mogą znajdować się mielizny, kamienie, wraki, inne statki. Gdyby na przykład popłynąć z Gdańska do Sztokholmu najkrótszą drogą, zgodnie z kursem zaproponowanym przez GPS, rejs skończyłby się gdzieś na plaży w pobliżu Jastarni. Dlatego należy znać inne sposoby prowadzenia nawigacji oraz umieć posługiwać się mapą. Wykorzystując na morzu zalety GPS-u nie należy zapominać, że jest to tylko elektronika, która potrafi często zawodzić. Ciekawostką jest fakt, że podczas lądowania wojsk NATO w Kosowie cały system GPS został na krótko wyłączony.

Na jachtach wyposażonych w odbiornik GPS nawigację prowadzi się głównie przy pomocy tego urządzenia, ze względu na dokładność pozycji, a co najważniejsze, pozycja jest dostępna w każdej chwili i całą dobę. GPS przydatny jest również do zliczania przebytej drogi (log), wskazuje dokładny czas GMT. Warto w tym momencie nadmienić iż, odczyt współrzędnych z GPS-u jest jedyną metodą określania bardzo dokładnej pozycji i zliczania przebytej drogi. Nikt tam nie bawi się w tradycyjne dla nawigacji terestrycznej, kreślenie na mapie namiarów, zliczanie drogi przy pomocy tradycyjnych logów. Prowadząc nawigację na podstawie wskazań z GPS-u wystarczy odpowiednio często nanosić na mapę koordynaty, wpisując obok czas i stan logu, minimalnie co godzinę (dziennik jachtowy), a w razie potrzeby częściej. Dobra praktyka nawigacyjna mówi jednak, że należy dublować metody nawigacyjne. Więc "prawdziwy" nawigator powinien znać jak nie wszystkie jej metody, to przynajmniej kilka. Jedną z ważniejszych jest nawigacja terestryczna, potrzebna przynajmniej dla upewnienia się, że jesteśmy w tym miejscu na morzu, które wskazał nam odbiornik GPS.

Korzystając z odbiornika GPS należy zwrócić uwagę czy mapa, na której zamierzamy prowadzić nawigację, jest zgodna na przykład z systemem WGS 84. Jeśli nie, to należy przestawić GPS na system zgodny z mapą. Więcej informacji o systemie WGS 84 można znaleźć w opracowaniu: Podstawy Technologii Satelitarnych Systemów Lokalizacyjnych GPS, GLONASS

W nawigacji terestrycznej określanie pozycji następuje przy pomocy stałych i pływających znaków nawigacyjnych, takich jak: latarnie morskie, stawy, pławy typu LANBY. Do nawigacji terestrycznej wykorzystywane są mapy morskie, locje, tablice nawigacyjne, spisy świateł i sygnałów nawigacyjnych. Gdy przeniesiemy współrzędne z odbiornika GPS na mapę i widzimy na niej, że jacht znajduje się w zasięgu światła jakiejś latarni morskiej, warto wyjść na pokład i sprawdzić czy rzeczywiście ona tam jest, czy jest to właśnie ta a nie inna latarnia. W czasie dnia możemy łatwo porównać linię brzegową z opisem nabrzeży zawartych w locjach (są to książki danego akwenu morskiego). Zrobić kilka linii pozycyjnych (np. przez namiary na latarnie), wyznaczając w ten sposób pozycję obserwowaną. Gdy natomiast nie jesteśmy w zasięgu żadnego światła latarni, lub w czasie dnia, gdy w zasięgu wzroku nie ma nic prócz morza, porównać możemy wskazania echosondy z głębokością odczytaną z mapy. Porównanie będzie bardziej dokładne przy zmiennych głębokościach, co z pozycją zliczoną może nam dać pozycję prawdopodobną. Można oczywiście wykorzystać elementy astronawigacji, która najczęściej stosowana jest w rejsach oceanicznych.

Na koniec przypomina mi się fragment z książki "Drugi raz dookoła świata" Krzysztofa Baranowskiego

Już dawno zorientowałem się, że GPS mimo dokładności podawanej pozycji, może wyprowadzić na manowce. A to kurs nie taki, a to odległość błędna. Antena GPS, gdzieś tam na relingu rufowym, kiwa się na jedną i drugą stronę bo rozkołys atlantycki nie folguje i sygnał raz przychodzi w jednej pozycji, a raz w drugiej. Wahania wyliczonego tak kursu sięgają kilkudziesięciu stopni. Czy to jest dokładność?

Na pewno niedokładność pozycji z GPS-u nie ma większego znaczenia gdzieś na środku oceanu. Ale w pobliżu brzegów, podejść do główek portu (szczególnie nocnych) ma znaczenie wielkie.

Wyznaczanie współrzędnych za pomocą konstelacji satelitów GPS

Poniżej fragment z opracowania "Podstawy astronomii" autorstwa dr Iwona Wytrzyszczak z Obserwatorium Astronomicznego UAM.
Dziękuję za udostępnienie materiałów.

System GPS jest amerykańskim, wojskowym systemem nawigacyjnym udostępnionym częściowo do celów publicznych. Skrót GPS (Global Positioning System) oznacza Globalny System Pozycyjny i służy do szybkiego, i dokładnego wyznaczania współrzędnych miejsca, w którym znajduje się antena odbiornika. Sygnały mogą być odbierane przez powszechnie dostępne odbiorniki, w dowolnym momencie, bez względu na warunki pogodowe. Odbiorniki korzystają zazwyczaj z miniaturowych anten płaskich, umożliwiających jednoczesny odbiór sygnałów z całego obszaru sfery niebieskiej. Jednakże przeszkody terenowe - drzewa, wysokie budynki znajdujące się na drodze sygnału uniemożliwiają mu dotarcie do odbioernika w drodze prostej, co jest warunkiem dokładnego wyznaczenia pozycji. Wykonując pomiar trzeba zapewnić odbiornikowi dostateczną widoczność sfery niebieskiej. Jest to jedyne ograniczenie możliwości korzystania z tego systemu. Satelity GPS wysyłają kodowane sygnały radiowe, które odebrane przez antenę naziemną przetwarzane są na pozycję, prędkość i czas.

Segment w przestrzeni
Sieć GPS składa się z 24 satelitów umieszczonych na orbitach o wysokości nad Ziemią 20200 km. Czas jednego obiegu wynosi dokładnie 12 godzin gwiazdowych przez co orbity nie zmieniają swojego przestrzennego położenia - rzut toru satelity na powierzchnię Ziemi wypada ciągle niemal w tym samym miejscu dla dowolnego okrążenia. Satelity rozmieszczone są w sześciu równo odległych (co 60°), płaszczyznach. Nachylenie każdej orbity do równika wynosi 55°. Na każdej orbicie znajdują się co najmniej 4 obiekty satelitarne (gdy jeden zachodzi, inny wschodzi ponad lokalny horyzont). Orbity są tego typu, że konstelacja satelitarna zabezpiecza użytkownikowi systemu widoczność od pięciu do ośmiu satelitów z każdego miejsca na Ziemi. Zwykle na orbitach znajduje się więcej satelitów niż 24, gdyż włączane są nowe, które mają zastąpić stare. Każdy z satelitów wyposażony jest w zegar atomowy, generujący częstotliwość i lokalną skalę czasu.

Stacja kontrolna
System kontrolowany jest przez sieć stacji naziemnych rozmieszczonych na całym świecie. Macierzysta stacja kontrolna znajduje się w bazie wojskowej Schriever Air Force koło Colorado Springs. Stacje kontrolne odbierają sygnały od satelitów, wyznaczają ich pozycję orbitalną i poprawki do zegarów znajdujących się na każdym z satelitów. Główną rolą macierzystej stacji jest nadawanie do satelity depeszy zawierającej informacje o jego pozycji w danym momencie czasu, poprawki zegarowe oraz inne dane jak np. stan atmosfery, poprawki relatywistyczne itp. Depesza jest przez satelitę retransmitowana do uzytkowników systemu.

Segment użytkownika
Odbiornik składa się z:

• anteny - której zadaniem jest odbiór sygnałów radiowych od satelity, przekształcenie ich na prąd elektryczny, wzmocnienie sygnału
• systemu kanałów radiowych - identyfikacja sygnału danego satelity
• precyzyjnego oscylatora - generującego częstotliwość wzorcową sygnału
• mikroprocesora - kontrola odbiornika, dekodowanie informacji, gromadzenie danych, wyliczanie położenia i prędkości
• systemu zasilającego
• interfejsu użytkownika - komunikacja z odbiornikiem, wyświetlacz, ploter

Odbiornik wyświetla aktualny układ widocznych satelitów, jakość odbieranego sygnału, plan obranej marszruty itp.

Struktura sygnału GPS
Każdy satelita wysyła zakodowane dwie fale nośne: jedną na częstotliwości L1 (1575.42MHz, 19.05 cm), drugą na częstotliwości L2 (1227.60 MHz, 24.45 cm). Zegar atomowy na pokładzie satelity użyty jest to generowania podstawowej częstotliwości L (10.23MHz). Częstotliwości L1 i L2 powstają przez pomnożenie podstawowego sygnału przez 154 i 120.

Następnie na sygnały nakłada się kodowane wiadomości. Używane są trzy kody binarne (zero-jedynkowe):

• Kod C/A modulujący częstotliwość L1, nadawany w postaci 1MHz (293.1 m) sygnału binarnego (0, +1) co jedną milisekundę. C/A nadawany jest na poziomie szumu. Każdy satelita ma swój własny kod C/A. Jest on podstawowym kodem dla działalności cywilnej.
• Kod P (Precise) modulujący obie częstotliwości: L1 i L2. Kod ma częstotliwość 10MHz (29.31 m). Służy do precyzyjnego wyznaczania pozycji, niesie informację umożliwiającą poprawienie orbity o pierwszego rzędu efekty związane z jonosferą.
• Wiadomości nawigacyjne nadawane są na modulowanej przez C/A częstotliwości L1. Sygnał nawigacyjny ma częstotliwość 50 Hz, jest powtarzany co 30 sekund.

Zasady pomiaru
Struktura sygnału GPS umożliwia odbiornikowi wyznaczenie czasu, jaki upłynął od momentu wysłania sygnału przez satelitę do momentu odbioru i określenie w ten sposób położenia s satelity w momencie nadawania sygnału:

Dane nawigacyjne służą odbiornikowi do określenia położenia satelity w momencie nadawania sygnału. Odległości do satelitów i ich współrzędne są wystarczającymi danymi do wyznaczenia położenia odbiornika.

Do wyznaczenia trójwymiarowej pozycji użytkownika konieczne jest namierzenie czterech satelitów, do wyznaczenia pozycji kątowej (długość, szerokość geograficzna) wystarczy jednoczesne namierzenie trzech satelitów. Trójwymiarowa pozycja zawiera, oprócz danych kątowych, wysokość na jakiej znajduje się odbiornik w stosunku do określonej elipsoidy odniesienia. Istnieje możliwość wyboru elipsoidy odniesienia.

Odbiornik GPS umożliwia pomiar pseudoodległości z:

• pomiaru sekwencji kodowych
• pomiaru fazy

Pomiar czasu przebiegu sygnału kodowanego. Oby określić czas propagacji sygnału użytkownik musi dysponować kopią kodu jaki nadaje satelita. Kod odbierany jest porównywany z kodem jaki ma użytkownik. Sygnałem jest fala elektromagnetyczna typu C/A lub P z nałożoną na nią kodem zero-jedynkowym. Podobny kod odtwarzany jest przez odbiornik. Pomiar polega na zsynchronizowaniu fali wytworzoej przez odbiornik z falą odebraną od satelity. Długość przesunięcia kodów (rys.32) daje informację o czasie propagacji sygnału. Pomiar odległości metodą przesunięcia kodów daje błąd pozycji około 3m w przypadku kodu C/A i około 0.3m dla kodu P.
Pomiar fazy. Nie jest to jedyny sposób pomiaru odległości. Inną, dokładniejszą metodą jest tzw. pomiar fazy. Obie fale elektromagnetyczne: nadawana przez satelitęi wytwarzana w odbiorniku, mają przebieg sinusoidalny. Z powodu różnicy czasu, z jaką dociera fala satelitarna do odbiornika, po nałożeniu ich na siebie, widoczne jest wyraźne przesunięcie jednej w stosunku do drugiej. Jedyną trudnością w tej metodzie jest skorelowanie punktu początkowego sinusoidy odbiornika z punktem początkowym sinusoidy satelity. Dokonuje sie tego za pomocą specjalnego oprogramowania. Pomiar fazy umożliwia wyznaczenie odległości z dokładnością milimetrową.

Zastosowania GPS
Nawigacja. Odbiorniki GPS umożliwiają wyznaczanie w momencie obserwacji pozycji obiektów lądowych, morskich, lotniczych, kosmicznych. Czas trwania pomiaru jest bardzo krótki, zazwyczaj nie przekracza sekundy. Typowa dokładność jest rzędu kilkudziesięciu metrów, lecz przy wykorzystaniu technik różnicowych (tzw. DGPS), polegających na odnoszeniu własnej pozycji do pozycji stacji GPS o dobrze wyznaczonych współrzędnych, osiaga się dokładność mniejszą od 1 metra.
Pomiary kartograficzne. System umożliwia tworzenie baz informacji geograficznej, szybkie pomiary kartograficzne. Odbiorniki są wyposażone dla tych celów w odpowiednie oprogramowanie, pozwalające na rejestrowanie informacji o terenie, na którym znajduje się obserwator. Opracowanie infromacji z odbiornika GPS ma miejsce zazwyczaj po sesji pomiarowej. Dokładność pomiarów jest lepsza niż 1 metr.
Geodezja. Do tych celów używa się najdokładniejszych metod obserwacyjnych. Po obróbce obserwacji uzyskujemy wiadomości na temat pola grawitacyjnego Ziemi, ruchów bieguna, ruchu płyt kontynentalnych, działalności wulkanicznej i tektonicznej, stanu mórz i oceanów.
Transfer czasu. Każdy z satelitów posiada na swoim pokładzie bardzo dokładny zegar atomowy. Stacja macierzysta kontroluje jego chód, podajac w depeszy poprawki w stosunku do chodu zegarów laboratoryjnych. W ten sposób każdy użytkownik odbierający sygnał GPS ma możliwość porównania chodu własnego zegara z zegarami laboratoryjnymi. Dokładność transferu czasu jest rzędu 60 nanosekund.

LINKI

• MaxSeaMaxSea
  Portal morskiej nawigacji elektronicznej. Informacje na temat programów do nawigacji morskiej, mapy, instrukcje, porady, wyjaśnienia. Ponadto informacje o książce "Morska nawigacja elektroniczna w praktyce" przybliżająca kwestie nawigacji elektronicznej.
• Technologia GPS
  Przewodnik po nawigacji. Wiele informacji o technologii GPS i jego zastosowaniach.