global positioning system מערכת ה-gpsהוקמה על ידי משרד ההגנה האמריקאי, בהשקעה של מיליארדי דולרים על מנת לספק פתרון עולמי כולל לניווט בים, באוויר וביבשה ולענות בכך על צרכי יחידות צבא ארה"ב הפרושות ברחבי העולם.

 
המערכת כוללת 24 לוויינים (21 פעילים ו 3 חלופיים), הנעים בשישה מסלולים בגובה 19,200 ק"מ ומסיימים הקפה מלאה כל 12 שעות. הלוויינים משדרים נתוני ניווט רציפים הנקלטים בעולם כולו ונשלטים ומנוהלים מתחנות בקרה הפרושות במספר מקומות בעולם.

השירות הניתן ע"י המערכת נחלק לשתי רמות:

pps- שרות מוגבל לצבא ארה"ב ובעלי ברית. שרות זה מוצפן למניעת שימוש בידי משתמשים לא מורשים.
רמת הדיוק של pps- רדיוס של שלושה מטר.
sps- שרות אזרחי ללא צורך ברישיון או בתשלום.
רמת הדיוק של שרות זה נתונה לפיקוח משרד ההגנה האמריקאי. כיום הסטייה של sps מבוטלת ורמות הדיוק כמעט זהות.

אם יש לי מקלט gps האם אני יכול להתחיל לנווט בכל מקום ? - לא !

אחת מהטעיות הנפוצות שאנשים עושים היא להניח שמקלט gps הוא מערכת ניווט מלאה הכוללת אי אילו תוכנות ניווט.

מערכת ניווט שלמה כוללת שלושה חלקים :

1. מקלט gps - מכשיר אלקטרוני הקולט מידע מהלוויינים הסובבים את כדור הארץ ואת מידע זה מעביר הלאה.

2. מחשב נייד/מחשב כף יד/מקלט gps עצמאי בעל תצוגה - מכשיר בתצורת מחשב בעל מערכת הפעלה כלשהי.

3. תוכנה - תוכנת ניווט כלשהי שלוקחת את הנתונים שמספק מקלט ה - ג`י. פי. אס ודואגת להציג ולשלב בצורה גראפית את המיקום על מפה כלשהי בכזאת צורה שנוכל לעכל את הנתונים, התוכנות הנפוצות בארץ הם igo לניווט כבישים בישראל, תוכנת naviguide או עמוד ענן לניווט שטח בישראל ותוכנת oziexplorer  היכולה לעבוד עם כל מפה סרוקה.

דוגמאות :

1. מחשב נייד עם מערכת הפעלה מסוג windows בשילוב עם תוכנת naviguide עם מקלט gps המתחבר למחשב  הנייד בחיבור usb או בחיבור bluetooth או בחיבור טורי - serial/.

2. מחשב כף יד מסוג ipaq עם מערכת הפעלה מסוג windows mobile  בשילוב תוכנת igo עם מקלט gps ייחודי ויעודי המתחבר למחשב כף יד מסוג ipaq.

3. מכשיר טלפון מסוג  imate עם מערכת הפעלה מסוג windows mobile phone edition בשילוב עם תוכנת oziexplorer  עם מקלט bluetooth gps אלחוטי שמשדר אל ה - imate.

4. מחשב כף יד מסוג mio או asus המשולב כבר עם מקלט gps פנימי ותוכנת sygic לניווט עירוני.

5. מערכת ניווט סגורה - pnd - personal navigation system או pna - personal navigation device שהיא בעצם מערכת ניווט בלבד ללא יכולות של מחשב כף יד, ישנם מערכות כאלה התומכות בקבצי מולטימדיה כגון mp3, תמונות וסרטונים אך מערכת זו לא גמישה למשתמש ולא ניתן להוסיף לה כל תוכנה שיש בשוק, מוצר זה עובד אך ורק עם תוכנות שתוכננו והותאמו ספציפית למכשיר זה ורק עם תוכנות מקוריות וחוקיות.

קיימים מקלטי gps עצמאיים בעלי תצוגה שמשלבים את שלושת החלקים כגון מקלטים של חברת garmin א וmagellan והמציגים בשחור לבן, אבל חסרונם הגדול של כאלה מקלטים הוא שתוכנת הניהול שלהם לוקה בחסר וממשק המשתמש די דל וחסר אפשריות,  מקלטים אלו קשים לתפעול וכמעט תמיד יש לחבר אותם למחשב pc רגיל בכדי לעבוד איתם ביתר קלות או לעבוד איתם בצמוד למפת נייר ורק אז ניתן לנווט איתם בסגנון צבאי כי הם מספקים קוארדינטות בלבד בצורה של למספרים יבשים.

חישוב מיקום

הלוויינים משדרים באופן רציף את מיקומם העדכני בחלל ונתוני זמן המופקים משעונים אטומיים.
מקלט gpsמחשב את הטווח לכל לוויין ע"י מציאת הזמן המדויק, מרגע שידור ההודעה מהלוויין ועד לקליטתה ע"י המכשיר. הפרש הזמן מתורגם לטווח, ע"י הכפלתו במהירות השידור.
על ידי חישוב טווחים ל 4 לוויינים, מוצא המכשיר את קואורדינאטות המיקום המדויק על פני כדור הארץ ואת הגובה מעל פני הים. מיקום זה נקרא מיקום תלת ממדי (3d) .
כאשר הגובה מוזן ידנית יחושב מיקום דו ממדי (2d) בעזרת 3 לוויינים.

מגבלות המערכת

אותות הלוויינים ניתנים לקליטה רק תחת שמיים פתוחים.
לצורך קליטה יעילה בתוך מבנה או רכב סגור מומלץ חיבור לאנטנה חיצונית.
מכשיר gpsמציג את הכיוון והמהירות ע"י חישוב השינוי היחסי בין מיקום אחד לשני. בזמן עמידה או התקדמות איטית נתוני הכיוון והמהירות יהיו לא מדויקים. שימוש במצפן רגיל פותר את הבעיה.
דיוק הקליטה מושפע מזוויות הלוויינים. מכשיר ה- gpsמתחשב בלוויינים הקרובים ביותר לקו האופק. קליטה בקניון צר למשל מגדילה את הטעות בחישוב המיקום. (טעות מתמטית).

היבטים קרטוגראפיים

רשת הקואורדינאטות שבה מבוצעים החישובים ב- gps נקראת ecef. זוהי רשת תלת ממדית ממרכז כדור הארץ.
מכשירי gps ממירים את הנתונים לרשתות המקובלות לשימוש. (גיאוגרפית lat/lon,utmוכו`).
ברשת גיאוגרפית lat/lonמקובל להשתמש בשימוש ימי ואווירי.
רשת utm(מסומנת בכחול במפות סימון שבילים) הנה רשת בין לאומית ומקובלת ברוב המפות בעולם. בארץ, הרשת הדומיננטית במפות אזרחיות היא רשת ישראל ובעתיד רשת ישראל החדשה.
רשת ישראל ייחודית לארץ והיא עצמה היטל של הרשת הגיאוגרפית. בחלק ממכשירי ה- gps ניתן להגדיר רשתות נוספות (user) על הקיימות על ידי הזנה של מספר פרמטרים מתמטיים, ואז ניתן להגדיר גם את רשת ישראל כרשת העבודה של ה-gps.
(דף עם הפרמטרים המתמטיים בדרך כלל מצורף למקלטים).

דאטום

דאטום גיאודזי מגדיר את גודל וצורת פני כדור הארץ, והוא חיוני ליצירת מפה.
שימוש בדאטום שגוי (שאינו מתאים לרשת ולמפה שבשימוש) עלול להביא לשגיאה בת מאות מטרים בחישוב נ"צ.
שימוש ברשת גיאוגרפית מצריך שימוש בדאטום wgs84.
שימוש ברשת utm מצריך שימוש בדאטום europ או europ 50.
שימוש ברשת ישראל מצריך הגדרת דאטום user.

האם ה- gps מחליף את הצורך בידע בניווט וקריאת מפה בשטח? - לא!.

אמנם כיום בניווט עירוני על כבישים מערכות הניווט מחליפות את מפות הנייר לחלוטין וניתן להשתמש בהם במקום מפות נייר - בכל זאת מומלץ להחזיק בטווח יד מפת נייר או אטלס קטן למקרים בהם המערכת תאכזב, מצד שני בניווט שטח (ניווט לג`יפים למשל בשטח פראי) :

אמנם gpsהוא מכשיר עזר לניווט שטח הנותן מיקום וכיוון, אך הוא לא מכיר במאפייני הקרקע ולא מתחשב בהם לציון הדרך.
הוא מאפשר לעשות את כל עבודת הניווט בבית - קריאת המפה, תכנון נכון של הדרך תוך התחשבות במאפייני הקרקע ובחירת הצמתים והנקודות המעניינות. כל אלו דורשים ידע אישי וניסיון בניווט ובקריאת מפה ואת אלו ה-gpsלא יכול להחליף.
לאחר תכנון נכון והכנסת נקודות הציון והמסלול לזיכרון המחשבמחשב כף יד שבו אתם משתמשים אפשר לסמוך בלעדית על המערכת שתוביל אותנו לאורך הניווט המתוכנן ותספק נתוני כיוון, מרחק, מהירות וסטייה שימנעו הליכה לאיבוד בדרך. במידה ורוצים לשנות את התכנון, אפשר שוב בעזרת המפה להכין תוכנית דרך שונה, להזין אותה למערכת ולהפעילה - בשטח.
 
4. מושגים נפוצים הקשורים ל -gps  :

קואורדינאטות (coordinate)
שתי סדרות של מספרים המציינות קווי אורך ורוחב ומתארות מיקום על פני כדור הארץ. מספרים אלו יכולים לציין מעלות, דקות, שניות כמו ברשת הגיאוגרפית או ברשתות utm וישראל הציון הוא מרחק במטרים מקו המשווה.

נקודת ציון (נ.צ.) - (waypoint, landmark (lmk
מיקום המאוחסן בזיכרון מערכת ניווט שלמה,  נ.צ. אפשר לאגור ע"י שמירת המיקום הנוכחי או ע"י יצירת נ.צ. חדשה מתוך מפה.

מערכת ניווט הכוללת מקלט gps מאפשרת לאגור נ.צ. תחת שם או מספר הנוחים לזיהוי מאוחר יותר.

מסלול (route)
לכל מסלול נקודת התחלה וסוף ולעתים נקודות ביניים. כל מקטע במסלול (הקו הישר העובר בין שתי נקודות) נקרא leg. תכנון נכון של הניווט יהיה לפרק את המסלול למקטעים רבים במקומות שקשה לנווט בהם ולהיפך. חשוב לציין נקודות מפתח כגון צמתים, נקודות תצפית ומנוחה כחלק מהמסלול.
בחלק ממערכות הניווט אפשר להפעיל את הניווט המתוכנן לאחור (backtrack).

כיוון תנועה (heading)
כיוון התנועה שלנו נמדד ביחס לקרקע ולא על פי הכיוון אליו פונה המכשיר. כיוון זה נתון במעלות בין 0 ל- 360 מהצפון עם כיוון השעון (כמו במצפן).

אזימוט (bearing)
כאשר רוצים להגיע לנ.צ. מסוימת צריך לדעת את הכיוון ליעד.מערכת ניווט הכוללת מקלט gps מספקת כיוון מנקודת המיקום הנוכחית, אל היעד. כיוון זה נמדד ביחס לצפון והוא נקרא אזימוט ליעד או תכווין.

סטייה אנכית מהציר cross track error xte)) - המרחק לימין או לשמאל מהציר המתוכנן.  

5. egnos - מערכת משלימה, לשיפור אמינות ודיוק ה - gps ברחבי אירופה :

בדומה ל-waas האמריקאי הקים האיחוד האירופי את ה-egnos, מערכת לווינית מקבילה לשידור נתוני בקרה ותיקונים דיפרנציאלים למקלטי gps. המערכת אמורה לשפר את דיוק הניווט במקלטי gpsאזרחיים מכ - 25 מטר לכדי 3 עד 5 מטר !.

בנוסף תשמש ה-egnos כמערכת בקרה חיצונית למערכת ה-gps שתתריע למשתמש במקרה של שיבוש באותות ה-gps.

המערכת משדרת הודעת תיקון כמעט מלאה. בעלי מקלטי gps  מתאימים חשים בשיפור הדיוק ומנווטים בדיוקים של מטרים בודדים. יכולת כזאת הייתה שמורה בעבר רק למערכות ניווט מקצועיות, בעלות עשרות אלפי דולרים, וכעט ניתנת באופן חופשי לרוכש מקלט gps פשוט.

השלמת ההקמה והבחינות של המערכת וייצוב תצורתה הסופי מתוכננים לאפריל 2004, אך כבר כעת היא פועלת ונקלטת היטב באזורינו, כמו גם בכל אירופה, צפון אפריקה והמזרח התיכון. השימוש במערכת חופשי ואינו כרוך ברישום או תשלום.

מערכת ה-egnos כוללת תחנות ייחוס קרקעיות, המצוידות במקלטי gps מיוחדים לביצוע ניטור רציף של שידורי ה-gps וחישוב התיקונים לגורמי הסטייה השונים. תיקונים אלה משודרים באמצעות שני לוויני תקשורת (inmrsat) הנמצאים מעל קו המשווה, אחד מערבית לאפריקה והשני מעל האוקיינוס ההודי (שלישי יתווסף בעתיד). מהלוויין משודר המידע על תדר ה-gps הנקלט במכשירים אזרחיים פשוטים ולא נדרשת כל חומרה נוספת לקליטתו. זאת כמובן בתנאי שהמקלט שברשותך, תוכנן מראש לקליטת השירות.

ה - egnos הוא המרכיב הראשון בתשובה של אירופה למערכת ה-gps הנשלטת על ידי ממשלת ארה"ב.

6. waas - מערכת משלימה, לשיפור אמינות ודיוק ה - gps ברחבי יבשת אמריקה :

ב-9 ליולי 2003 אישרה רשות התעופה האמריקנית (faa) את השימוש במקלטי gps הכוללים ערוצי (wide area augmentation system (waas לגישה לנחיתה בתנאי ראות לקויה. ה-faa התנגד בעבר לאשר מקלטי gps כעזר עיקרי `לטיסת מכשירים` בגלל דיוקו המוגבל כמערכת אוטונומית ובגלל היכולת לשבש או לחסום את אותותיו בקלות.

מערכת ה-waas כוללת רשת תחנות ייחוס קרקעיות שמייצרת נתוני בקרה לגבי מערכת ה-gps. מידע זה משודר מלווייני תקשורת גיאוסטציונריים, בתדר ה-gps "l1". מקלט gps המותאם לקליטת waas ינווט בדיוק משופר של 1 עד 3 מטר. בנוסף מספק ה-waas בקרה לתקינות ואיכות נתוני לוויני ה-gps וגם מהווה עבור אותם מקלטים, לוויין נוסף בקונסטלציית ה - gps המאפשר זמינות ורציפות משופרת של נתוני ניווט.

בנוסף לתרומה האדירה לבטיחות הטיסה והבקרה האווירית, ל-waas ולשירותים התואמים לו (egnos באירופה ו-msas ביפן) ערך רב ביישומים יבשתיים וימיים המחייבים דיוק ואמינות של נתוני הניווט. מקלטי gps רבים מאלה המצויים כיום בשוק, כבר כוללים ערוצי waas ומאפשרים דיוק, זמינות ואמינות משופרים וזאת ללא כל תשלום (שירות ציבורי).

מאת - www.gpsnow.co.il מעבדת מחשבי כף יד