76 Â

WIAT

N

AUKI

Czerwiec 1998

A

by sprostaç rosnàcemu zapotrzebowaniu na szybkà
∏àcznoÊç ruchomà, w nadchodzàcych latach musi po-
st´powaç rozwój naziemnych i satelitarnych syste-

mów radiowych, w coraz wi´kszym stopniu zintegrowanych.
Bodêcem do stworzenia takiej infrastruktury by∏o umo˝li-
wienie ludziom prowadzenia rozmów za pomocà systemów
bezprzewodowych. Gdy ju˝ powsta∏a, pojawi∏y si´ inne spo-
soby jej wykorzystania. Najwa˝niejszym z nich jest okreÊla-
nie po∏o˝enia osób lub obiektów, a tak˝e zdalne monitoro-
wanie urzàdzeƒ.

Jeszcze do niedawna wydawa∏o si´, ˝e wspomniane zasto-

sowania mogà interesowaç wy∏àcznie nawigatorów, bada-
czy lub in˝ynierów. Jednak technika radiowa jest tak wszech-
stronna, a odpowiednie urzàdzenia – dzi´ki ostatnim post´pom
w elektronice i technice komputerowej – tak ma∏e i tanie, ˝e
systemy satelitarne mogà dziÊ byç pomocne nawet podczas
przejazdu samochodem przez miasto czy te˝ w zabezpiecze-
niu domu przed kradzie˝à.

KiedyÊ do nawigacji s∏u˝y∏y jedynie gwiazdy i systemy ˝y-

roskopowe. Póêniej zacz´to wykorzystywaç naziemne nadaj-
niki radiowe, jak na przyk∏ad sieci LORAN (LOng RAnge
Navigation). Wadà tego typu systemów jest ograniczony za-
si´g oraz niemo˝noÊç uzyskiwania informacji o wysokoÊci
nad poziomem morza. Obecnie dzi´ki zaawansowanym sys-
temom satelitarnym daje si´ okreÊliç po∏o˝enie w trzech wy-
miarach, i to ze zdumiewajàcà dok∏adnoÊcià.

Prawdopodobnie najbardziej znany wÊród nich jest Glo-

bal Positioning System (GPS – Globalny System Lokalizacji),
sk∏adajàcy si´ z 24 satelitów okrà˝ajàcych Ziemi´ na wyso-
koÊci ponad 20 tys. km, rozmieszczonych w szeÊciu p∏asz-
czyznach orbitalnych [patrz: Thomas A. Herring, „Globalny
System Lokalizacji”; Âwiat Nauki, kwiecieƒ 1996]. Satelity na-
dajà w sposób ciàg∏y sygna∏y „s∏yszalne” o ka˝dej porze w do-
wolnym punkcie na Ziemi. Pomiar opóênieƒ synchronizo-
wanych sygna∏ów cyfrowych co najmniej z czterech satelitów
(opóênienie zale˝y od odleg∏oÊci do satelity) pozwala precy-
zyjnie okreÊliç metodami geometrycznymi pozycj´ odbiorni-
ka z dok∏adnoÊcià do 18 m. Mo˝na jà na danym obszarze

zwi´kszyç do poni˝ej
1 m, gdy nadajnik znajdu-
jàcy si´ w znanym po∏o˝e-
niu dostarcza dodatkowych
informacji niezb´dnych do uÊci-
Êlenia obliczeƒ.

Pierwszym wa˝nym u˝yciem GPS by-

∏o wykorzystanie systemu podczas wojny w
Zatoce Perskiej, kiedy to za jego pomocà ˝o∏nie-
rze odnajdowali drog´ na irackiej pustyni. Od tego mo-
mentu liczba zastosowaƒ zacz´∏a szybko wzrastaç. Mo˝na
wÊród nich wymieniç nawigacj´, sporzàdzanie map, nadzo-
rowanie pracy urzàdzeƒ umieszczonych daleko od centrum
sterowania. Prawdopodobnie najbardziej znanym przyk∏a-
dem u˝ycia GPS jest instalowanie go w najnowoczeÊniejszych
samochodach, w których ma pomagaç kierowcom w znajdo-
waniu w∏aÊciwej drogi. Z przenoÊnych urzàdzeƒ GPS, któ-
rych koszt nie przekracza 150 dolarów, mogà dziÊ korzystaç
nawet turyÊci piesi.

Poniewa˝ GPS dostarcza informacji o po∏o˝eniu w trzech

wymiarach, przydaje si´ w nawigacji lotniczej – samoloty mo-
gà dzi´ki niemu obraç drog´ bezpoÊrednio do celu, a nie –
zat∏oczonymi korytarzami powietrznymi mi´dzy naziemny-
mi radiolatarniami. W dodatku dok∏adnoÊç GPS jest tak du-
˝a, ˝e kiedyÊ prawdopodobnie wyprze on skomplikowane
i drogie naziemne radary Êledzàce.

GPS ma rosyjskiego odpowiednika – Globalny System

Nawigacji Satelitarnej (GLONASS). W 1995 roku wystrzelo-
no ostatnie satelity tego systemu, b´dàcego konstelacjà 24
statków kosmicznych. Jednak od tego czasu kilka z nich prze-
sta∏o funkcjonowaç. Do koƒca tego roku planuje si´ wystrze-
lenie co najmniej dziewi´ciu dodatkowych.

Gdy GLONASS b´dzie ju˝ w pe∏ni sprawny, znacznie

zwi´kszà si´ mo˝liwoÊci operacyjne odbiorników wykorzy-
stujàcych zarówno sygna∏y systemu rosyjskiego, jak i GPS.
Poprawa da si´ szczególnie odczuç w miejskich „kanionach”,
obszarach, na których wysokie budynki oraz inne przeszko-
dy utrudniajà dotarcie sygna∏om satelitarnym. Precyzj´ okre-

CoÊ wi´cej

ni˝ tylko telefonia

Telefon komórkowy to zaledwie jedno,
najbardziej popularne zastosowanie
∏àcznoÊci bezprzewodowej.
Technika ta umo˝liwia tak˝e dok∏adne
okreÊlenie po∏o˝enia oraz zdalne
sterowanie, a w przysz∏oÊci stanie si´
prawdopodobnie przydatna
w naszym codziennym ˝yciu

Warren L. Stutzman i Carl B. Dietrich, Jr.

SLIM FILMS

Â

WIAT

N

AUKI

Czerwiec 1998 77

Êlania pozycji w tych re-

jonach móg∏by dodatkowo

zwi´kszyç projektowany Eu-

ropean Navigation Satellite

System (ENSS), który do obj´cia

swym zasi´giem Europy i Afryki b´-

dzie potrzebowa∏ 15 satelitów. Chocia˝

inne nowoczesne satelitarne i naziemne sy-

stemy równie˝ dostarczajà danych o po∏o˝eniu, za

korzystanie z nich si´ p∏aci, a ponadto ˝aden nie jest rów-

nie dok∏adny.

Oprócz wszystkich zalet systemy takie jak GPS majà jednà

powa˝nà wad´ – nie pozwalajà na zwrotne przekazywanie
informacji. Osoby dysponujàce przenoÊnym odbiornikiem
GPS wiedzà co prawda, gdzie si´ znajdujà, ale nie wie tego
nikt inny. Dlatego w wielu przypadkach u˝ytkownik systemu
musi mieç dodatkowo nadajnik.

Pozycj´ mo˝na równie˝ okreÊlaç za pomocà satelitarnego

systemu zdalnego rozpoznania RDSS (remote determination
satellite service). Wykorzystuje on t´ samà zasad´, na której
opiera si´ dzia∏anie GPS, lecz odwrotnie. Naziemny nadajnik
wysy∏a sygna∏ odbierany co najmniej przez dwa satelity. Na
podstawie ró˝nicy w czasie odbioru sygna∏u (odpowiadajàcej
ró˝nicy d∏ugoÊci dróg przebytych przez sygna∏) RDSS wy-
znacza metodami geometrycznymi wspó∏rz´dne po∏o˝enia
naziemnego nadajnika. Jeden z takich systemów, specjalnie
przystosowany do obs∏ugi ci´˝arówek, okreÊla pozycj´ za-
montowanych w pojazdach nadajników z dok∏adnoÊcià do
oko∏o 0.3 km.

W przysz∏oÊci przewiduje si´ wprowadzenie niedrogie-

go dwustronnego kierunkowego pagera. Odbiera∏by on sy-
gna∏y „zapytujàce” transmitowane w sieci niskoorbitujàcych
satelitów (LEO – low earth orbit), a nast´pnie za poÊredni-
ctwem satelity przekazywa∏ sygna∏ do stacji naziemnej, dzi´-
ki czemu mo˝na by okreÊliç jego po∏o˝enie. Tego rodzaju
urzàdzenia prawdopodobnie okaza∏yby si´ niezwykle przy-
datne w opiece nad ma∏ymi dzieçmi i osobami cierpiàcymi
na chorob´ Alzheimera.

Przesy∏anie danych rozmaitym zdalnym systemom sterowa-

nia mo˝na równie˝ realizowaç za pomocà bezprzewodowych
systemów naziemnych. NajnowoczeÊniejsze wykorzystujà wol-
ne kana∏y g∏osowe i kana∏y sterowania telefonii komórkowej.
Przesy∏ajà komunikaty, takie jak polecenie transmisji odczytu
zamontowanemu na urzàdzeniu przyrzàdowi pomiarowemu
wyposa˝onemu w nadajnik. Przyrzàd pomiarowy przekazuje
nast´pnie krótkie skompresowane komunikaty do centrum po-
∏àczonego z siecià komórkowà. Podobny system jest wykorzy-
stywany do nadzoru automatów sprzedajàcych, które infor-
mujà o zmniejszaniu si´ zapasu towaru, eliminujàc tym samym
niepotrzebne wyjazdy w teren personelu. Niektóre systemy
alarmujà, gdy w ci´˝arówce lub wagonie popsuje si´ urzàdze-
nie ch∏odnicze, i podajà jednoczeÊnie swoje po∏o˝enie, dzi´ki
czemu mo˝na uratowaç przewo˝one towary.

Technika bezprzewodowa jest b∏ogos∏awieƒstwem w przy-

padku miejsc trudno dost´pnych. Pewne przedsi´biorstwo
naftowe prowadzi obecnie terenowe badania systemu wyko-
rzystujàcego sieç komórkowà, który ma s∏u˝yç do sprawdza-
nia stopnia skorodowania gazo- i ropociàgów na odleg∏ych
obszarach. W∏adze parku narodowego Doliny Âmierci za po-
mocà sieci satelitarnej monitorujà poziom wody zbiornika De-
vil’s Hole w Ash Meadow (Nevada), jedynego siedliska za-
gro˝onego pustynnego karpieƒca Cyprinodon macularius.

Szczególne miejsce w zastosowaniach sieci satelitarnych

zajmujà systemy alarmowe zapobiegajàce nie tylko w∏ama-
niom, ale tak˝e katastrofom. W przysz∏oÊci w ten sposób b´-
dzie si´ monitorowaç przejazdy kolejowe – w razie awarii
urzàdzeƒ system wyÊle radiowe sygna∏y ostrzegawcze, a dys-
pozytor b´dzie móg∏ natychmiast skierowaç w odpowiednie
miejsce ekip´ naprawczà.

W pewnych rejonach Stanów Zjednoczonych pogotowie

szybko przyje˝d˝a na wezwanie telefoniczne nawet wtedy,
gdy osoba wzywajàca pomocy nie potrafi podaç swojego po-
∏o˝enia. Ostatnio Federal Communications Commission (FCC
– Federalna Komisja ¸àcznoÊci) wymaga, by tak˝e systemy
komórkowe oraz ∏àcznoÊci osobistej potrafi∏y podaç numer
dzwoniàcego, a poczàwszy od paêdziernika 2001 roku – zlo-
kalizowaç go z dok∏adnoÊcià do 125 m w dwóch trzecich przy-
padków. Aby uniknàç kosztownego wyposa˝ania ka˝dego
telefonu w odbiornik GPS, pracuje si´ obecnie nad naziem-
nymi systemami okreÊlania pozycji. Dalszy rozwój bezprze-
wodowych systemów okreÊlania po∏o˝enia i zdalnego nad-
zorowania b´dzie, podobnie jak dotychczas, wymaga∏ od ich
projektantów pomys∏owoÊci i twórczego podejÊcia. Znajduje-
my si´ zaledwie na poczàtku drogi.

T∏umaczy∏

Witold Czarnecki

SATELITY amerykaƒskiego GPS (niebieski) i ro-

syjskiego GLONASS (czerwony) okrà˝ajà Zie-

mi´, nieustannie wysy∏ajàc „s∏yszalne”

w ka˝dym punkcie naszego globu, zsyn-

chronizowane cyfrowe sygna∏y. Na

ich podstawie urzàdzenie odbior-

cze wylicza swoje po∏o˝enie. Za

pomocà samego tylko GPS da-

je si´ ustaliç po∏o˝enie z do-

k∏adnoÊcià do 18 m.

Informacje o autorach

WARREN L. STUTZMAN i CARL DIETRICH, Jr., sà zwiàzani

z Center for Wireless Telecommunications w Virginia Polytechnic

Institute and State University. Stutzman jest dyrektorem uniwer-

syteckiej Satellite Communications Group oraz profesorem Wy-

dzia∏u Elektrycznego i Techniki Komputerowej. Dietrich jest

doktorantem.

Literatura uzupe∏niajàca

INTRODUCTION TO SATELLITE NAVIGATION

. Walter F. Blanchard,

International Journal of Satellite Communications, vol. 12, nr 5, ss. 421-

426, IX-X/1994.

AN OVERVIEW OF THE CHALLENGES AND PROGRESS IN MEETING THE E-911

REQUIREMENT FOR LOCATION SERVICE

. J. H. Reed, K. J. Krizman, B. D.

Woerner i T. S. Rappaport, w: IEEE Communications (w druku).