GPS & Compas

Αν νόμιζες ότι το σύστημα gps αποτελείτε από μόνο ένα δίκτυο δορυφόρων έκανες μεγάλο λάθος. 
Το σύστημα GPS είναι όπως και οι εταιρείες κινητής τηλεφωνίας δεν έχουμε ένα άλλα τουλάχιστον 6. Εκτός από το πιο γνωστό σύστημα, το GPS, υπάρχουν διάφορα δορυφορικά συστήματα παγκόσμιας πλοήγησης, όπως το (GNSS - Global Navigation Satellite Systems) που λειτουργεί παγκοσμίως. Άλλα προσφέρουν περιφερειακή κάλυψη.
Κάθε ένα από αυτά τα συστήματα ανήκει σε διάφορες χώρες ή ένωση χωρών και έχει σχεδιαστεί για να παρέχει παρόμοιες, αλλά μερικές φορές ειδικευμένες υπηρεσίες πλοήγησης και χρονομέτρησης.
Οι βασικοί παγκόσμιοι δορυφορικοί στόλοι περιλαμβάνουν:

GPS (Global Positioning System): Το αμερικανικό σύστημα, το πρώτο και πιο διάσημο, που παρέχει παγκόσμια κάλυψη και χρησιμοποιείται ευρέως σε όλο τον κόσμο.

GLONASS (Global Navigation Satellite System): Το ρωσικό αντίστοιχο του GPS, παρέχει επίσης παγκόσμια κάλυψη και λειτουργεί σε πλήρη λειτουργικότητα, ενισχύοντας την ακρίβεια της πλοήγησης σε περιοχές όπου το GPS μπορεί να έχει περιορισμένη κάλυψη.

Galileo: Το ευρωπαϊκό σύστημα που βρίσκεται υπό ανάπτυξη και έχει σχεδιαστεί να προσφέρει παγκόσμια κάλυψη με υψηλότερη ακρίβεια και αξιοπιστία στην πολιτική αεροπορία, μεταξύ άλλων.

BeiDou: Το κινεζικό σύστημα που αρχικά προσέφερε περιφερειακή κάλυψη στην Ασία αλλά τώρα επεκτείνεται σε παγκόσμιο σύστημα με πλήρη λειτουργικότητα.

IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) / NavIC: Ένα περιφερειακό σύστημα από την Ινδία, σχεδιασμένο να παρέχει ακριβή πληροφορίες πλοήγησης στην Ινδική υποήπειρο και 1500 χιλιόμετρα γύρω από αυτήν.

QZSS (Quasi-Zenith Satellite System): Ένα περιφερειακό σύστημα από την Ιαπωνία, που σχεδιάστηκε για να βελτιώσει την GPS υπηρεσία στην Ιαπωνία και την Ασία-Ειρηνικό.

Κάθε ένα από αυτά τα συστήματα έχει τις δικές του ιδιαιτερότητες, με διαφορετικούς αριθμούς δορυφόρων, διαφορετικές τροχιές και διαφορετικές συχνότητες μετάδοσης.
Στόχος τους είναι να εξασφαλίσουν αξιόπιστη και ακριβή πλοήγηση και χρονομέτρηση για πολιτικές, στρατιωτικές και εμπορικές εφαρμογές σε παγκόσμιο επίπεδο.

Τέλος όπως καταλαβαίνουμε ανάλογα με τα συμφέροντα και τις αποφάσεις που έχει λάβει κάθε μία από αυτές τις οντότητες έχει και την δυνατότητα να διαχειριστεί την ακρίβεια και την ποιότητα του σήματος που λαμβάνουμε.

Οι δορυφόροι των συστημάτων παγκόσμιας πλοήγησης (GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou κλπ.) βρίσκονται σε μέση τροχιά γύρω από τη Γη.
Ας δούμε τις λεπτομέρειες για το ύψος και τον τύπο τροχιάς κάθε συστήματος:

GPS (Global Positioning System) 
Ύψος: Οι δορυφόροι GPS κινούνται σε μέση τροχιά περίπου 20,200 χιλιόμετρα (12,550 μίλια) πάνω από την επιφάνεια της Γης.
Τροχιά: Είναι σε μη γεωστατική τροχιά, σημαίνει ότι δεν παραμένουν σταθεροί πάνω από ένα σημείο της Γης. Η τροχιά τους είναι τέτοια ώστε ένας δέκτης στη Γη μπορεί να λαμβάνει σήματα από πολλούς δορυφόρους από οποιοδήποτε σημείο.

GLONASS (Global Navigation Satellite System)
Ύψος: Οι δορυφόροι GLONASS λειτουργούν σε μέση τροχιά περίπου 19,100 χιλιόμετρα (11,900 μίλια) πάνω από την επιφάνεια της Γης.
Τροχιά: Όπως και το GPS, δεν βρίσκονται σε γεωστατική τροχιά αλλά κάνουν περιστροφή γύρω από τη Γη, επιτρέποντας καλή κάλυψη παγκοσμίως.

Galileo
Ύψος: Οι δορυφόροι Galileo κινούνται σε μέση τροχιά περίπου 23,222 χιλιόμετρα (14,429 μίλια) πάνω από την επιφάνεια της Γης.
Τροχιά: Επίσης σε μη γεωστατική τροχιά, προσφέροντας υψηλή ακρίβεια και κάλυψη.

BeiDou
Ύψος: Το σύστημα BeiDou χρησιμοποιεί δορυφόρους τόσο σε γεωστατική όσο και σε μέση τροχιά. Οι δορυφόροι σε μέση τροχιά κινούνται σε ύψος παρόμοιο με αυτό των GPS και Galileo δορυφόρων, ενώ οι γεωστατικοί βρίσκονται σε ύψος περίπου 35,786 χιλιόμετρα (22,236 μίλια).
Τροχιά: Οι δορυφόροι σε μέση τροχιά λειτουργούν όπως και στα άλλα συστήματα, ενώ οι γεωστατικοί δορυφόροι παραμένουν σταθεροί πάνω από ένα συγκεκριμένο σημείο της Γης, κυρίως για την παροχή κάλυψης στην Ασία.

Η γεωστατική τροχιά είναι χαρακτηριστική για δορυφόρους επικοινωνίας και άλλες εφαρμογές που απαιτούν σταθερή θέση σχετικά με την επιφάνεια της Γης, ενώ οι δορυφόροι πλοήγησης προτιμούν τη μέση τροχιά για πιο εκτεταμένη και ομοιόμορφη κάλυψη της επιφάνειας της Γης.

Η εκπομπή ενός δορυφόρου GPS και των περισσότερων άλλων δορυφορικών συστημάτων πλοήγησης είναι σχεδιασμένη να λειτουργεί με χαμηλή ισχύ και σε συγκεκριμένες συχνότητες, ώστε να είναι συμβατή με πολυάριθμες καταναλωτικές συσκευές.

Ισχύς Εκπομπής GPS: Οι δορυφόροι GPS εκπέμπουν σήματα με ισχύ περίπου 50 watts (ή περίπου 20 Watts RF ισχύος στο σημείο της κεραίας, ανάλογα με την πηγή).

Συχνότητες Εκπομπής GPS: Χρησιμοποιεί κυρίως δύο συχνότητες για τις πολιτικές εφαρμογές:
L1: 1575.42 MHz
L2: 1227.60 MHz

Τα σύγχρονα συστήματα όπως το Galileo και το BeiDou εκπέμπουν επίσης σε παρόμοιες συχνότητες, αλλά με διαφορετικές διατάξεις και επιπλέον κανάλια για βελτιωμένες υπηρεσίες και ακρίβεια.

Παρακάτω παραθέτω μερικά γενικά στοιχεία για να σας βοηθήσω στη σύγκριση με τα 50 watts που ανέφερα για την ισχύ εκπομπής ενός δορυφόρου GPS.

Κεραίες Κινητής Τηλεφωνίας : Η ισχύς εκπομπής μιας κεραίας κινητής τηλεφωνίας συνήθως κυμαίνεται από 20 έως 500 watts ανά κανάλι, ανάλογα με το είδος της υπηρεσίας, τη συχνότητα λειτουργίας, και τις απαιτήσεις κάλυψης. Πιο εξειδικευμένες εφαρμογές ή περιοχές με υψηλότερη πυκνότητα κινητήριας τηλεφωνίας μπορεί να χρησιμοποιούν κεραίες με μικρότερη ισχύ εκπομπής.

Πύργοι Τηλεοπτικής Αναμετάδοσης : Για τηλεοπτικούς πύργους, η ισχύς μπορεί να κυμαίνεται σημαντικά, από μερικά κιλοβάτ (kW) έως εκατοντάδες κιλοβάτ, ανάλογα με τον τύπο της μετάδοσης, την περιοχή κάλυψης, και την εκπομπή σήματος. Οι τηλεοπτικοί πύργοι που σκοπεύουν να καλύψουν μεγάλες αποστάσεις μπορεί να χρησιμοποιούν ισχύ εκατοντάδων kW.

Οπότε βάσει των παραπάνω μπορούμε να καταλάβουμε ότι είναι αρκετά εύκολη η παρεμπόδιση ή αλλοίωση των σημάτων του gps με σχετικά οικονομικο και μικρό εξοπλισμό των οποίων είδη έχουμε.

Το μόνο που χρειάζεται, είναι να εκπέμπουμε στην σωστή συχνότητα, με τα σωστά πακέτα δεδομένων για την αλλοίωση που επιθυμούμαι.

Για να επιτευχθεί ακριβές σήμα και εντοπισμός θέσης από τα συστήματα παγκόσμιας πλοήγησης (GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou κ.ά.), απαιτείται η λειτουργία πολλαπλών δορυφόρων σε συνδυασμό με σύνθετες τεχνολογίες και μηχανισμούς.
Ας δούμε τους βασικούς παράγοντες που συμβάλλουν στην ακρίβεια του σήματος:

Υψηλής Ακρίβειας Ατομικές Ρολογιές
Οι δορυφόροι εξοπλίζονται με εξαιρετικά ακριβείς ατομικές ρολογιές (συνήθως βασισμένες στο άτομο του σεσίου ή του ρουβιδίου), που είναι ζωτικής σημασίας για τον υπολογισμό της απόστασης μεταξύ του δορυφόρου και του δέκτη με βάση το χρόνο που απαιτείται για ένα σήμα να διανύσει αυτή την απόσταση.

Πολλαπλοί Δορυφόροι
Το σήμα και η ακρίβεια του εντοπισμού βελτιώνονται σημαντικά με τη χρήση πολλαπλών δορυφόρων. Για τον ακριβή υπολογισμό της θέσης ενός δέκτη, απαιτούνται σήματα από τουλάχιστον τέσσερις δορυφόρους. Αυτό επιτρέπει την τρισδιάστατη εκτίμηση της θέσης (γεωγραφικό μήκος, γεωγραφικό πλάτος, και υψόμετρο) καθώς και τη διόρθωση τυχόν ανακριβειών στο ρολόι του δέκτη.

Διόρθωση Σφαλμάτων
Τα συστήματα πλοήγησης χρησιμοποιούν διάφορες μεθόδους για τη διόρθωση των σφαλμάτων που προκαλούνται από την ατμόσφαιρα, την πολυδιάσπαση του σήματος (προκαλείται από κτίρια, βουνά κλπ.), και άλλους παράγοντες. Η διόρθωση διαφόρων σφαλμάτων αυξάνει την ακρίβεια του εντοπισμού.

Συνεχής Ενημέρωση και Επικοινωνία
Οι δορυφόροι διατηρούν συνεχή επικοινωνία με τους εδαφικούς σταθμούς ελέγχου, που επιτρέπει την ενημέρωση και την ακριβή ρύθμιση των ρολογιών τους και την βελτιστοποίηση της λειτουργίας τους.

Ανθεκτικότητα στις Συνθήκες του Διαστήματος
Οι δορυφόροι σχεδιάζονται να αντέχουν στις σκληρές συνθήκες του διαστήματος, όπως την ακραία ακτινοβολία και τις σημαντικές διακυμάνσεις θερμοκρασίας, διασφαλίζοντας τη σταθερότητα και την αξιοπιστία των εκπεμπόμενων σημάτων.

Αυτοί οι παράγοντες συμβάλλουν στην παροχή ενός ακριβή και αξιόπιστου σήματος από τα δορυφορικά συστήματα πλοήγησης, επιτρέποντας την ευρεία χρήση τους σε πλοήγηση, γεωεντοπισμό, και πολλές άλλες εφαρμογές.

Όπως αναφέραμε και παραπάνω η διαδικασία εύρεσης θέσης επιτυγχάνεται μετά από την ανάλυση της χρονοκαθυστέρησης ανάμεσα στην ώρα εκπομπής του σήματος από τον δορυφόρο και την θέση τουλάχιστον τριών δορυφόρων.
Ας δούμε πώς λειτουργεί αυτή η διαδικασία:

Μεταφορά Ώρας από τους Δορυφόρους στον Δέκτη

Στο Διάστημα: Το GPS αποτελείται από ένα δίκτυο περίπου 24 δορυφόρων που περιστρέφονται γύρω από τη Γη. Κάθε δορυφόρος διαθέτει μια πολύ ακριβή ατομική ρολογιά που συγχρονίζεται με τις ρολογιές των άλλων δορυφόρων και του σταθμού ελέγχου στη Γη.

Σήμα Ώρας: Κάθε δορυφόρος μεταδίδει συνεχώς ένα σήμα που περιέχει πληροφορίες για την ακριβή ώρα της μετάδοσης και τη θέση του δορυφόρου στο διάστημα.

Λήψη Σήματος: Ο δέκτης στο αυτοκίνητο ή οποιαδήποτε άλλη συσκευή λαμβάνει αυτά τα σήματα από πολλούς δορυφόρους ταυτόχρονα.
 
Υπολογισμός Τριγωνομετρίας (Τριγωνική Μέθοδος)

Διαφορά Χρόνου: Ο δέκτης υπολογίζει τον χρόνο που πήρε το σήμα για να ταξιδέψει από κάθε δορυφόρο μέχρι εκείνον. Δεδομένου ότι το σήμα ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός, ο υπολογισμός αυτός δίνει την απόσταση από τον δέκτη μέχρι τον κάθε δορυφόρο.

Εύρεση Θέσης: Με τις αποστάσεις από τουλάχιστον τρεις δορυφόρους, ο δέκτης μπορεί να κάνει τριγωνομετρικούς υπολογισμούς για να προσδιορίσει την ακριβή του θέση στην επιφάνεια της Γης (γεωγραφικό πλάτος, γεωγραφικό μήκος). Αυτή η διαδικασία ονομάζεται "τριγωνομετρική" επειδή χρησιμοποιεί τις αρχές της τριγωνομετρίας για να υπολογίσει τη θέση με βάση τις γωνίες και τις αποστάσεις.

Ακριβέστερος Υπολογισμός: Για ακόμη πιο ακριβείς υπολογισμούς, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σήματα από περισσότερους δορυφόρους. Επίσης, ο δέκτης λαμβάνει υπόψη διάφορες διορθώσεις, όπως την επίδραση της ατμόσφαιρας στην ταχύτητα των σημάτων.

Με αυτόν τον τρόπο, το GPS επιτρέπει την ακριβή εντοπισμό θέσης και πλοήγηση σε πραγματικό χρόνο σε οποιοδήποτε σημείο της Γης, χρησιμοποιώντας τα σήματα που λαμβάνονται από δορυφόρους.

Ο δέκτης gps είναι ένα από τα βασικότερα εξαρτήματα πάνω στο uav καθώς δέχεται τα σήματα από τους δορυφόρους και μπορεί να υπολογίσει την θέση του uav στον χώρο.

Ανάλογα με το mission που τρέχουμε, υπάρχει περίπτωση να έχουμε αυτόνομη πτήση του μηχανήματος, η οποία εκτελείται κατά κύριο λόγο από τις συντεταγμένες που έχουμε δώσει στο μηχάνημα και την πραγματική θέση του μηχανήματος.

Επίσης όπως αναφέραμε προηγουμένως στην ασφαλή διαχείριση αποτυχίας το gps είναι υπεύθυνο για να επαναφέρει το μηχάνημα στην θέση από την οποία ξεκίνησε ή στην ασφαλή θέση προσγείωσης.

Επίσης επειδή ένα uav κινείται αρκετά γρήγορα υπάρχει περίπτωση να χαθούν ορισμένα πακέτα από το δορυφόρο μέχρι τον δέκτη. Χρησιμοποιώντας την πυξίδα, η οποία μας δίνει μεγαλύτερη ακρίβεια σε σχέση με την κίνηση του μηχανήματος. Υπά

Ο δέκτης gps είναι ένα από τα βασικότερα εξαρτήματα πάνω στο uav καθώς δέχεται τα σήματα από τους δορυφόρους και μπορεί να υπολογίσει την θέση του uav στον χώρο.

Ανάλογα με το mission που τρέχουμε, υπάρχει περίπτωση να έχουμε αυτόνομη πτήση του μηχανήματος, η οποία εκτελείται κατά κύριο λόγο από τις συντεταγμένες που έχουμε δώσει στο μηχάνημα και την πραγματική θέση του μηχανήματος.

Επίσης όπως αναφέραμε προηγουμένως στην ασφαλή διαχείριση αποτυχίας το gps είναι υπεύθυνο για να επαναφέρει το μηχάνημα στην θέση από την οποία ξεκίνησε ή στην ασφαλή θέση προσγείωσης.

Επίσης επειδή ένα uav κινείται αρκετά γρήγορα υπάρχει περίπτωση να χαθούν ορισμένα πακέτα από το δορυφόρο μέχρι τον δέκτη. Χρησιμοποιώντας την πυξίδα, η οποία μας δίνει μεγαλύτερη ακρίβεια σε σχέση με την κίνηση του μηχανήματος. Υπά