Sistem Kedudukan Sejagat

Sistem Kedudukan Sejagat atau Sistem Penentududukan Sejagat (, GPS) merujuk kepada sistem yang menentukan kedudukan seseorang melalui rujukan silang dengan satelit yang mengelilingi Bumi. Ia merupakan satu-satunya sistem pandu arah satelit yang berfungsi hari ini. Sekumpulan antara 24 dan 32 satelit memancarkan isyarat masa jitu menggunakan radio kepada penerima GPS, yang membolehkan kedudukannya (longitud, latitud dan altitud) dikenal pasti dalam apa jua cuaca, siang dan malam di mana-mana di Bumi.

Sejak mula beroperasi pada 1993, GPS telah menjadi kemudahan sejagat yang penting, amat diperlukan untuk pandu arah moden di darat, laut dan udara di serata dunia, selain menjadi alat penting dalam pembuatan peta dan pengukuran tanah. GPS juga memberikan rujukan masa jitu, seperti yang diperlukan dalam telekomunikasi dan sesetengah kajian saintifik, termasuklah kajian mengenai gempa bumi.

Pada mulanya GPS direka untuk tujuan ketenteraan oleh Jabatan Pertahanan Amerika Syarikat bagi mengendali sistem pensasaran peluru berpandu semasa Perang Dingin, tetapi kini ia telah digunakan bagi kegunaan awam. Nama rasminya ialah NAVSTAR GPS dan ia dikawal selia dari Kem Tentera Udara Schriever di Colorado. Kos penyelenggaraan sistem ini ialah US$400 juta setahun.

GPS mula diaktifkan untuk umum pada 17 Julai 1995. Mulai Ogos 2000, Sistem Penambahan Luas-Kawasan (WAAS) meningkat ketepatan isyarat GPS sehingga 2 untuk penerima GPS yang sesuai. Dengan menggunakan teknik tertentu seperti Pembezaan GPS (DGPS), kejituan GPS boleh mencapai 1 cm untuk jarak dekat.

Kegunaan 
 Ketenteraan: GPS membolehkan peluru berpandu menepati sasaran, dan juga memperbaiki pemerintahan dan pengawalan tentera melalui kesedaran lokasi yang bertambah. Penerima GPS awam mempunyai had secepat mana maklumat mengenai kelajuan dan altitud sesuatu koordinat dikemaskini bagi mengelakkan pihak lain menggunakannya untuk tujuan penyasaran peluru berpandu.

 Pandu arah: GPS digunakan di seluruh dunia sebagai pembantu pandu arah dalam kereta, pesawat dan kapal. Sistem ini juga boleh digunakan dalam mesin penuai, trak lombong dan lain-lain. Penerima GPS tangan boleh digunakan oleh pendaki gunung dan pengembara. Penerima GPS murah seringkali diberkaskan dengan PDA, komputer kereta ataupun sistem pengesan kenderaan.
 Pengukuran: Peninjau dan pengukur tanah menggunakan alat GPS yang lebih mahal dan tepat untuk mencari sempadan, struktur dan penanda tinjauan, dan untuk pembinaan jalan.
 GPS dalam kapal terbang: Kebanyakan sistem penerbangan membenarkan kegunaan alat GPS biasa dalam penerbangan, kecuali ketika mendarat dan berlepas, sama seperti alat elektronik lain. Larangan menggunakan GPS biasanya disebabkan oleh isu keselamatan, iaitu tidak mahu penumpang memetakan jalan penerbangan. Sebaliknya, sesetengah penerbangan pula menyepadukan GPS ke dalam sistem hiburan penerbangan.

 Rujukan masa jitu: Banyak sistem  penyegerakan menggunakan GPS sebagai sumber masa yang tepat. Contohnya ketika menggunakan penderia semasa dalam eksperimen seismologi, GPS boleh digunakan untuk merekod masa tepat sesuatu aktiviti berlaku.

Jam atom pada satelit diset pada "masa GPS", iaitu bilangan saat sejak 00:00:00 UTC, 6 Januari 1980. Hari ini, masa GPS adalah cepat 14 saat berbanding UTC, disebabkan ia tidak mempunyai saat lompat. Jadi setiap penerima akan menambahkan pengimbang masa (yang turut dipancarkan secara berkala) untuk menunjukkan waktu UTC atau waktu tempatan dengan betul.

Penerangan teknikal

Satelit 
Sistem GPS menggunakan kumpulan sekurang-kurang 24 satelit aktif di orbit bulatan pertengahan. Kumpulan ini mempunyai tiga satelit simpanan, sekiranya ada yang rosak. Setiap satelit mengelilingi Bumi dua kali tepat setiap hari pada altutud 20,200 km. Orbit ini dijajarkan supaya sekurang-kurang empat satelit terletak dalam garis penglihatan (LoS) dari mana-mana tempat di Bumi. Terdapat empat satelit dalam setiap daripada enam satah orbit. Setiap orbit dicondongkan 55 darjah daripada satah khatulistiwa, dan jarak hamal nod naikan berbeza 60 darjah.

Jalan penerbangan satelit ini diukur oleh lima stesen monitor di seluruh dunia (Hawaii, Kwajalein, Pulau Ascension, Diego Garcia, Colorado Springs). Stesen utama Kem Tentera Udara Schriever akan memproses cerapan ini dan menghantar sebarang pengemaskinian melalui stesen di Pulau Ascension, Diego Garcia dan Kwajalein. Kemaskini tersebut menyelaraskan jam atom setiap satelit sehingga 1 mikrosaat, dan juga membetulkan efemeris model orbit dalaman satelit supaya sepadan dengan pemerhatian satelit tersebut dari darat.

Setiap satelit berulangkali memancarkan waktu tepat mengikut jam atomnya bersama-sama dengan paket data. Data tersebut mengandungi unsur berorbit kedudukan jitu satelit, mesej status satelit, dan almanak anggaran kedudukan setiap satelit aktif lain. Almanak ini mebolehkan penerima GPS menggunakan data daripada isyarat satelit yang paling kuat untuk mencari satelit lain.

Penerima 
Penerima GPS mengira kedudukan sekarangnya (latitud, longitud, altitud) dan masa tepat, menggunakan proses penigasegian. Ini melibatkan pengukuran jarak kepada sekurang-kurangnya empat satelit dengan membandingkan penghantaran isyarat masa berkod (kod PRN) satelit. Penerima mengira orbit setiap satelit berasaskan maklumat yang terdapat dalam isyarat radio, dan mengukur jarak ke setiap satelit, dipanggil julat semu, daripada kelambatan masa isyarat dihantar sehingga diterima.

Untuk mengukur kelambatan tersebut, satelit itu berulang kali menghantar jujukan pseudorawak sepanjang 1,023 bit; penerima akan mengira jujukan yang sama daripada satu nombor benih yang diketahui, dan menganjaknya sehingga kedua-dua jujukan sepadan. Setiap satelit menggunakan jujukan yang berlainan, yang membolehkan mereka berkongsi frekuensi radio yang sama, menggunakan capaian pemultipleks pembahagian kod (CDMA), sementara membolehkan penerima mengenal pasti setiap satelit.

Apabila kedudukan dan jarak setiap satelit diketahui, penerima sepatutnya secara teori berada di persimpangan empat sfera khayalan, satu disekeliling setiap satelit, dengan jejari bersamaan kelambatan masa antara satelit dan penerima dikali dengan laju isyarat radio. Pada praktiknya, pengiraan GPS adalah lebih runit kerana beberapa sebab. Satu kerumitan ialah penerima GPS tidak mempunyai jam atom, jadi waktu jitu isyarat diterima tidak diketahui. Mujurlah jam penerima yang sederhana itu boleh memberikan perbandingan tepat masa isyarat satelit berbeza. Penerima dapat menentukan dengan tepat bila isyarat diterima dengan melaraskan jam dalamannya (dan oleh itu jejari sfera) supaya semua sfera itu bertembung berhampiran satu titik.

Salah satu masalah terbesar ketepatan GPS ialah keadaan atmosfera yang berubah akan menukar kelajuan isyarat GPS semasa melalui ionosfera. Kesan ini dikurangkan jika satelit berada tepat di atas dan bertambah apabila mengampiri ufuk, kerana isyarat satelit harus merambat melalui "ketebalan" ionosfera yang lebih apabila sudut bertambah. Apabila kedudukan kasar diketahui, satu model matematik dalaman boleh digunakan untuk menganggar dan membetulkan ralat.

Disebabkan kelambatan ionosfera menjejaskan kelajuan gelombang radio mengikut frekuensi, jalur frekuensi kedua (L2) digunakan untuk membantu menghapuskan ralat ini. Sesetengah penerima tentera dan tujuan-pengukuran yang mahal boleh membandingkan perbezaan antara frekuensi L1 dan L2 untuk mengukur lambatan atmosfera dan membetulkan dengan tepat.

Isyarat GPS juga boleh terjejas akibat isu berbilang laluan, di mana isyarat radio dipantulkan oleh persekitaran - bangunan, dinding ngarai, tanah keras dan lain-lain. Kelambatan ini akan mengurangkan kejituan. Pelbagai teknik penerima, contohnya "langkauan pengkorelasi sempit", telah dimajukan mengurangkan ralat ini. Untuk lambatan berbilang laluan yang lama, penerima boleh mengenal isyarat tersebut dan menolaknya. Untuk lambatan yang singkat yang dipantul tanah, antena khas boleh digunakan. Ralat ini lebih sukar disaring kerana ia hanya lambat sedikit daripada isyarat yang diterima terus, sukar dibezakan daripada naik turun biasa yang disebabkan oleh lambatan atmosfera.

Banyak penerima GPS boleh menghantar data kedudukan ke PC ataupun peranti lain menggunakan protokol NMEA 0183. Yang terbaru ialah NMEA 2000. Kedua-duanya tidak percuma, dimiliki oleh National Marine Electronics Association (NMEA) di AS. Namun begitu, terdapat alat sumber terbuka seperti gpsd yang boleh membaca protokol NMEA tanpa melanggar undang-undang hak harta intelektual.

Frekuensi 
Terdapat beberapa frekuensi dalam spektrum elektromagnet GPS:
 L1 (1575.42 MHz):Membawa kod kasar-pemerolehan (coarse-acquisition) (C/A) yang boleh digunakan umum serta kod ketepatan (precision) P(Y) rahsia.
 L2 (1227.60 MHz):Biasanya cuma membawa kod P(Y). Kunci penyulitan kod ini dikawal ketat oleh kerajaan AS dan biasanya hanya diberikan kepada tentera. Kunci ini ditukar setiap hari. Bagaimanapun, beberapa pembuat penerima GPS atasan memajukan teknik menggunakan isyarat ini walaupun tanpa kunci (cara yang berbelit-belit) untuk menambahkan kejituan dan mengurangkan ralat lambatan ionosfera. Akibatnya, satelit IIR-M moden kini turut memancarkan isyarat awam yang disisipkan kepada isyarat ketenteraan pada L1 dan L2.
 L3 (1381.05 MHz):Membawa isyarat untuk fungsi lain GPS iaitu mengesan pelancaran peluru berpandu/roket (tambahan kepada satelit ketenteraan) dan letupan nuklear.
 L4 (1841.40 MHz):Dalam kajian untuk pembetulan ionosfera tambahan.
 L5 (1176.45 MHz):Dicadangkan untuk isyarat keselamatan jiwa (SoL). Frekuensi ini terletak dalam julat yang dilindungi antarabangsa untuk pandu arah penerbangan, menjanjikan tiada atau sedikit sahaja gangguan dalam semua keadaan. Satelit Blok IIF yang boleh menyediakan isyarat ini dijadualkan dilancarkan pada 2009.

GPS dan kerelatifan 
Jam pada satelit dipengaruhi oleh kerelatifan khas dan am, yang menyebabkan mereka menjadi lebih laju sedikit daripada jam di permukaan Bumi. Perbezaannnya adalah sekitar 38 mikrosaat setiap hari. Sebagai penyelesaian, piawai frekuensi di atas satelit diperlahankan sedikit daripada yang sepatutnya di Bumi, iaitu pada 10.22999999543 MHz berbanding 10.23 MHz. Pengimbangan ini merupakan tunjuk cara praktikal teori kerelatifan dalam sistem dunia-sebenar; ia berfungsi betul-betul seperti yang diramalkan dalam teori, tertakhluk kepada kejituan ukuran.

Pengesanan GPS 
Sistem pengesan GPS menggunakan GPS untuk menentukan kedudukan kenderaan, orang atau binatang peliharaan dan merekod kedudukan tersebut secara berkala untuk mendapatkan fail jejakan atau log aktiviti. Data yang dirakam boleh disimpan dalam unit pengesan tersebut, atau dihantar ke lokasi utama, atau komputer berinternet, mnggunakan modem selular, radio 2-hala, atau satelit. Ini membolehkan data dilaporkan dalam masa sebenar, menggunakan sama ada alat berasaskan pelayar web atau perisian khusus.

Penyesakan GPS 
Mana-mana sistem pandu arah radio, termasuklah yang berasaskan satelit boleh disesakkan. Tentera udara AS pernah membuat latihan penyesakan pada 2003 dan turut memiliki keupayaan anti-olokan. Pada 2002, penerangan terperinci cara membina penyesak jarak dekat GPS L1 C/A pernah dipos di tapak penggodam oleh orang yang tidak diketahui. Terdapat juga satu kes yang didokumenkan mengenai penyesakan tidak sengaja oleh sebuah prapenguat antena TV yang rosak. Jika isyarat penyesakan tersebut lebih kuat, ia boleh mengganggu penerima penerbangan GPS yang terletak dalam garis penglihatan. Selain itu, isyarat GPS juga boleh diganggu oleh ribut geomagnet tabii, terutamanya pada latitud besar.

Penyesak GPS sebesar kotak mancis dikatakan boleh didapati dari Rusia, namun keberkesanannya dipersoalkan selepas digunakan semasa serangan ke atas Iraq. Sesetengah pegawai AS percaya penyesak boleh digunakan untuk menarik peluru berpandu ke struktur awam, manakala yang lain pula langsung tidak percaya ia berkesan. Apa-apapun, penyesak boleh menjadi sasaran peluru anti-sinaran. Penyesak berkuasa rendah mungkin kurang berkesan dan yang berkuasa tinggi senang dikesan dan dimusnahkan.

Sistem lain 
Rusia mempunyai sistem asing dipanggil GLONASS (global navigation system), walaupun dengan cuma 12 satelit pada 2004, ia tidak begitu berguna. Terdapat usaha untuk mengembalikan GLONASS ke status penuh menjelang 2008.
Kesatuan Eropah pula sedang memajukan Galileo sebagai alternatif kepada GPS, dijangka beroperasi mulai 2013. China juga sedang memajukan sistem pandu arah satelit yang dipanggil COMPASS.

Rujukan

Pautan luar 
 GPS.gov - Tapak pendidikan awam oleh Kerajaan AS]
 Sistem Kedudukan Sejagat percuma.

 
Kejuruteraan ruang angkasa
Pandu arah