| סקירת הכרותהשמוש במילה מערכת = SYSTEM מביע שמספר רב של מכלולים ומתקנים משולבים בתקשורת בינהם לצורך הפקת תוצאות נדרשות. השמוש המקובל בראשי התבות GPS מתייחס רק ליחידת מקלט מיוחד לקליטה, חשוב והצגת אתר. העובדה שמדובר במערכת אומרת שהמשתמש במקלט תלוי בגורמים שאין לו שליטה או מידע עליהם. תחנת הרדיו לתקשורת הימית בכלי השיט גם היא חלק ממערכת ותלויה ביחידות אחרות; בנגוד לאלה, עזרי הנווט כמו המצפנים, שעון, מד-דרך, מד-מהירות, מד-עומק ומכ"מ הם יחידות עצמאיות, שהן החושים של המשיט. |  |
| המטרה הכללית של הקמת המערכת היא לספק, ללא הפסקה, נתוני אתר ותנועה, בכל מקום על כדור הארץ, ומעליו, ובכל תנאי ראות ומזג-אויר. ראשיתה של המערכת במשרד ההגנה האמריקאי, והיא פותחה ומנוהלת, בעדיפות ראשונה, עבור הצרכים הבטחוניים של ממשלת ארצות הברית. המערכת 'שוחררה' כנסיון לשמוש אזרחי בשנה 1980. המערכת נמצאת בתהליך של עדכון ושפור, הפעלתה הרשמית לצרכים אזרחיים החלה ב-1993. האמינות והדיוק הרב של התוצאות הוליד מגוון הולך ומתרחב של שמושים בתחומים רבים (נווט ונתוב כלי תחבורה ביבשה בים ובאויר,מפוי שטחים, קדוחים,כרית מחצבים, השגחה על תופעות סביבתיות, מחקר ארכאולוגי, בקורת על עבודות תשתית ועוד). מבחינת המשיטים, לצרכים של ספנות אזרחית (הובלת מטענים, דייג, תיירות וכו') ראוי לזכור את הדברים הבאים:- 1. מרכז השליטה במערכת נמצא בידי משרד ההגנה האמריקאי והוא יכול להגביל ולשנות את רמת הדיוק שהוא מספק לשמוש אזרחי. 2. בגלל האמינות והדיוק הרב של המערכת, עלול המשתמש לפתח תלות ולא להיות ספקני במקרה של חריגה גדולה בדיוק, ובה בעת, לזלזל בהתקנה ואחזקה של אמצעים אחרים, וכך, לאבד את המיומנות בקביעת אתר באמצעים אחרים. 3. הן הכלל של "ימאות טובה" והן תקנות של רשויות באזורי מים שונים מחייבים שכלי שיט, בסווג מסויים, יתקינו ויפעילו אמצעי נווט ונתוב כגבוי למקלט ה-GPS . |
| עקרון הפקת האתרהפקת האתר (לכלי שיט על פני הים) מתקבלת ממציאת נקודת החיתוך שבין המעטפות של שלושה כדורים (לפחות). כדור אחד הוא כדור הארץ עליו נמצא כלי השיט; ושני הכדורים האחרים הם, כל אחד, כדור דמיוני, שבמרכזו נמצא לווין, שמקלט ה-GPS זהה ומדד את מחוגו (אורך הרדיוס שלו). המקלט מחשב את הטווח לכל לווין (רדיוס הכדור שסביבו) על ידי מדידת הזמן שחולף מזמן שדור קוד מזהה של הלווין ועד הגעתו למקלט. שדור הקוד הוא על ידי גלי הרדיו שמהירותם 3×108 מטרים בשניה. במקלט מבוצעת הפעולה של זמןX מהירות = מרחק וביחד עם האתר המקורב שמוכנס עם אתחול המקלט, ממירים את נקודת החיתוך שבין 3 הכדורים לקו-רוחב וקו-אורך על כדור הארץ. האתר על כדור הארץ מתקבל בנקודת החיתוך המשותפת ל-3 כדורים (כדור הארץ, הכדור מסביב ללווין אחד והכדור מסביב ללווין שני). |
 |
| המרכיבים העקריים של המערכת, תכונותיהם ותפקידיהם.מערך לווינים תפקיד הלווינים לשמש נקודות ציון,שמקומן ידוע, וביחס למקומן ימצא מקלט ה-GPS את מקומו, בכל עת ובכל מקום על כדור הארץ ומעליו. הלווינים משדרים מידע על גלי רדיו לכוון כדור הארץ לאזור שמתחת למסלולם . שעונים אטומיים פתוח שעונים מדויקים, שמאפשרים מדידת חלקים קטנים מאד של שניה, עד מעל ל-9 מקומות אחרי הנקודה העשרונית, הוא זה שמאפשר הגדרה מדוייקת של מקום הלווין במסלולו והטוח אל נקודות על כדור הארץ. השעונים מכונים "אטומיים" משום שקצב התנודות שממנו מקבלים את יחידות המדידה, מתקבל מספירת שנויים מחזוריים בקרינה הנפלטת ממתכות צסיום או רובידיום, שלהן תכונות מיוחדות לצורך זה. המבנה של השעון האטומי אינו קשה להבנה; אך העקרון הפיזיקלי שמסביר אותו חורג מתחום הידע הדרוש כאן. המדידה המדויקת של חלקי שניה דרושה משום שרוצים לנצל את גלי הרדיו למדידת מרחקים עד לדיוק של מטרים בודדים, וכידוע גלי הרדיו נעים במהירות האור שהיא 300.000 ק"מ בשניה. שיטת שדור והעברת מידע ספרתי המכונה PSEUDO RANDOM NOISE MODULATION פותחה שיטת שדור וקליטה שמאפשרת לכל הלווינים שבמערכת לשדר את נתוני הזהוי שלהם ומקומם, בה בעת, ועל אותו תדר שדור; ובכך לאפשר להרבה משתמשים ( מקלטים) על כדור הארץ , בכל מקום וללא כוונון, לקלוט רק את הלווינים שמהם יופק האתר. בתוך גל הרדיו שמשודר מהלווינים נמצא קוד , הכוונה היא ששנוים ברמות מתח מייצגות 'מספר אישי' של הלווין. הקוד מכונה PSEUDO RANDOM CODE והוא כמו "מפתח" שהמקלט מנסה להתאים לאחד מכמה "מנעולים" שנמצאים בתוכו. המקלט מביא את ה"מנעולים" שהוא מייצר ,על סמך נתונים שצבורים בזכרונו, לנקודת בקורת עד לקבלת התאמה. תאור מדויק של השיטה חורג מתחום הידע הדרוש למפעיל מקלט ה-GPS (ראה תרשים בהמשך). פתוח בתחום אלקטרוניקה של המחשבים יחידות השליטה במערכת איך מסודרים הלווינים לצורך כסוי עולמי?
הלווינים נעים בגובה 20.000 ק"מ ומסלוליהם מסודרים כך שבכל מקום על כדור הארץ יקלטו לפחות 4 מהם בכל עת. כך מתקבל 'כיסוי עולמי' – GLOBAL POSITIONING . איך מזהה מקלט ה-GPS את מספר הלווינים הדרוש להפקת האתר? 2. גביש מהסוג שמקובל בשעוני יד; אך, שעון זה מתעדכן ברציפות על ידי השעונים האטומים שבלווין, דרושה לכך קליטה של לווין נוסף – לצורך תקון הפרשי זמנים. לכן דרושים לפחות 3 לווינים לכלי שיט ולפחות 4 לכלי טיס. הבעיה השניה היא שקליטת 3 ויותר לווינים בו בזמן, וזהוי "אישי" של כל אחד מהם, אינה יכולה להתקיים, בפשטות, על ערוץ תקשורת יחיד לכל המקלטים שמפוזרים אצל המשתמשים השונים. לכן פותחה שיטת שדור מיוחדת המכונה PSEUDO RANDOM NOISE MODULATION (במקלטים היא מופיעה בקצור PRN ). השיטה פותרת הן את בעית זהוי כל לווין בנפרד, והן את בעית עדכון השעון בכל מקלט; ובכך פותרת גם בעיה שלישית של פשטות המקלט, בזה שאינו נדרש לקלוט מספר רב של ערוצים. השיטה מבוססת על שידור קוד ספרתי המכונה "PSEUDO RANDOM CODE ". באופן כללי המקלט מכיל בזכרון את קוד הזהוי של כל לווין ומתבצעת בו השוואה מחזורית עם כל השדורים הנקלטים עד להשגת זהות עם הזכרון ומציאת הפרש הזמן. להמחשה מובא תרשים דוגמה וצריך להתיחס אליו כאילו "מנסה" המקלט בעזרת צרור מפתחות לפתוח מספר מנעולים, שהם הלווינים הנקלטים באותה עת.
באותה דרגת חשיבות של זהוי הלווין חשוב שהלווין ינוע במסלול יציב, לא יסטה ממסלולו ויופיע בכל נקודה על מסלולו במחזוריות מדוייקת. זאת משום שעצם מקומו הוא חלק מזהויו, ומקומו, הצפוי בכל רגע, נמצא בזכרון המקלט ומשמש בסיס לאתורו. לשם כך הוכנסו הלווינים למסלולים בגובה של כ- 20.000 ק"מ מעל כדור הארץ, כשזה נמצא מתאים להקטנת השפעת כח המשיכה של כדור הארץ וגם למניעת שבושים בשדורי הלווינים כתוצאה משדורים אחרים. עם זאת, משקל כל לווין יכול להגיע ל-840 ק"ג וישנה השפעה של כח המשיכה של כדור הארץ, ולכן ישנו מרכז שליטה על הלווינים שמבצע, ביחד עם משימות אחרות, מדידות ותיקונים במסלולי הלווינים. פעולות כאלה מבוצעות על ערוץ תקשורת מיוחד בין הלווינים ותחנת השליטה והן מכונות "טלמטריה" סיכום מציאת הטווח בין הלווינים ובין מקלט הGPS
עד כאן הכל טוב ויפה, הבנו שבעזרת שני לווינים ושעון מדוייק אפשר למצוא את מיקומנו בגובה פני הים.
מהם הגורמים שמשפיעים על המהירות והדיוק של הפקת האתר א. סוג המקלט שיטת עבוד הנתונים. בהיסטוריה של התפתחות המקלטים, המקלט הפשוט ביותר קולט בסדר טורי את אותם 3 או 4 לווינים שנקלטו ראשונים, ומבצע קליטה חוזרת של אותם לווינים עד להשלמת הזהוי ועבוד המידע. שיטה זו מכונהSEQUENCING , תהליך הפקת האתר עלול להתמשך (מעל לדקה) אך המקלט זול ואינו צורך זרם גבוהה, ולכן מאריך את משך פעולתו מסוללות. שיטה שניה, מהירה יותר, מכונה "רבוב-זמן" = TIME MULTIPLEXING , בשיטה זו מתבצעת סריקה מהירה של מאגרי המידע והשוואה עם הנתונים הנקלטים מהלווינים במחזוריות של כ-50 פעמים בשניה, עד להשלמת כל המידע הדרוש. המידע המעובד בשיטה זו מספק עדכון אתר במרוחים של שניות בודדות. בשיטה השלישית המקלט מספק 4 או יותר מסלולי קליטה מקביליים , וכל מסלול ננעל לקליטה על לווין שונה ועבוד המידע מתבצע ללא דחוי במהירות גבוהה. שיטה זו מכונה "עקיבה- רצופה" CONTINUOUSE TRACKING . מקלטים כאלה הם היקרים יותר ולכן ראוי לבדוק, לפני השמוש המיועד, איזה מקלט נרכש. ישנם יצרנים שאינם מציינים את שיטת הפעולה של המקלט, וחשוב לנסות את המקלט לפני הרכישה.
ג. נתוני אתחול המקלטים החדישים מאתחלים את עצמם בתהליך שיכול להתמשך עד כדי 15 דקות, ממצב שבו לא אגור כל מידע במקלט ועד לסיום יניקת רוב המידע הדרוש לקבלת אתר . עם זאת מאפשרים רוב היצרנים להכנס לתפריטים שיאיצו את האתחול, וחשוב יותר, יעצבו את התוצאות לפי הצרכים המיוחדים של כל משתמש. נסקור להלן את נושאי האתחול העקריים לפי סדר חשיבותם:- |
 |
WGS-84 World Geodetic Survey 1984 NAD 27 North America Datum 1927 Alaska/Canada European Tokyo Australian WGS-72 World Geodetic Survey 1972 NAD 83 North American Datum 1983 Finnish Great Britain Hjorsey 55 User datum Defined by user |
| ד. הפחתת הדיוק הקשורה למקום הלווינם בחלל (המרחקים בינהם ומקומם במסלול המתוכנן) זה מכונה GDOPGEOMETRIC DILUTION OF PRECISION= ה- GDOP מורכב משתי שגיאות : האחת TIME DILUTION OF PRECISION TDOP וזו שגיאה שנובעת מסטיות קטנות במדידת הפרשי הזמן שדרושים לחשוב מקומו של כל לווין במסלולו. שגיאה זו מבוקרת ומתוקנת על ידי מרכז השליטה, ותרומתה לשגיאה הכללית היא כ-1 מטר. השגיאה השניה מכונה PDOP = POSITION DILUTION OF PRECISION כלאמר זו תלויה במקום , או בתצורת הפזור של כל אחד מהלווינם והמקלט במרחב. הפחתת דיוק זו, מופרדת לשני רכיבים: רכיב אנכי המכונה VDOP= VERTICAL DILUTION OF POSITION והשפעתו תהיה משמעותית בעקר בנווט כלי טיס או בהרים, מה שמכונה נווט תלת-ממדי D3 . כמו כן, זה הרכיב שיגרום לשגיאה קבועה אם לא יכניס המפעיל את גובה האנטנה וה-DATUM של המפה. לכלי שיט בעסוק רגיל , השגיאה מרכיב זה היא זניחה. הרכיב השני נקרא הרכיב האופקי HDOP = HORIZONTAL DILUTION OF PRECISION , והוא המשמעותי יותר בהפחתת הדיוק בשיט על פני הים. הנווט בשטחים משוריים בגובה ממוצע אחיד נקרא נווט דו-מימדי D2 . התרומה בשגיאה של רכיב זה היא הגדולה ביותר משום שהיא משמשת מכפיל לכל יתר השגיאות. עם זאת, מקלטים טובים מכילים תוכנית פנימית לבחירת הלווינים שיתנו את זוית החתוך הטובה ביותר להגדרת האתר. ועוד, נתנת למפעיל אפשרות לקרא במקלט אילו לווינים משתתפים ולבטל את אלה שאינם תורמים לשפור הדיוק. כך המקלט יסרוק רק אתהמתאימים ויחיש את פעולתו. 
ו. שגיאה מהמקלט עצמו מקלט ה-GPS עלול לגרום לשגיאה של כ-2 מטרים והיא יכולה לנבוע ממספר גורמים הקשורים באלקטרוניקה והתצוגה של המקלט. לסכום נתן לאמר שמקלט טוב, שבוצע בו אתחול לפי הוראות היצרן, יכול לתת דיוק של אתר עם שגיאות בסדר גודל של כמה עשרות מטרים, ואם ישנה הפעלה של שגיאה יזומה A/S , השגיאה יכולה לגדול לסביבת 120 מטר |
