Global Positioning System

Z Wikipédie

Global Positioning System, zvyčajne nazývaný GPS (armáda USA ho označuje ako NAVSTAR GPS), je satelitný navigačný systém používaný na zistenie presnej pozície a poskytujúci veľmi presnú časovú referenciu takmer kdekoľvek na Zemi alebo zemskej orbite. Používa zostavu aspoň 24 satelitov na strednej zemskej orbite.

Obsah 1 Čo je Globálny polohový systém (GPS) 2 História GPS 2.1 1. časť 2.2 2. časť 2.3 3. časť 3 Štruktúra systému GPS 4 Ako GPS pracuje 5 Technické údaje o systéme 6 Služby SA, SPS a PPS 7 Diferenčný GPS (DGPS)

[úprava] Čo je Globálny polohový systém (GPS)

Globálny polohový systém GPS (Global Positioning System) je družicový systém pre určovanie polohy a času na zemskom povrchu a v priľahlom priestore. Je schopný poskytovať tieto údaje nezávisle na počasí 24 hodín denne. Oficiálny názov celého systému je GPS NAVSTAR (NAVigation Signal for Timing And Ranging). Ide o pasívny družicový dĺžkomerný systém. Cieľom prevádzkovateľa tohto systému, Ministerstva obrany USA, pôvodne bolo, aby vojenské jednotky mohli presne určovať polohu, rýchlosť a čas v jednotnom referenčnom systéme. Z uvedeného vyplýva, že systém bol vyvíjaný najmä pre vojenské účely, ale americký kongres neskoršie schválil jeho využitie s určitými obmedzeniami aj pre civilný sektor.

[úprava] História GPS

Históriu družicových systémov môžeme začať datovať od začiatku 60-tych rokov, keď memorandom ministerstva obrany USA boli vzdušné sily poverené zlúčením pokusných programov Timation a 621B do programu označeného ako GPS NAVSTAR. Prvými elektronickými navigačnými systémami boli rádiomajáky. Po vynájdení umelých družíc sa začalo uvažovať, či by sa nedali pomocou nich vyvinúť presnejšie navigačné systémy. Prvý takýto navigačný systém uviedli do prevádzky USA v 60-tych rokoch a tento systém dostal meno Transit. Koncom 60-tych rokov aj bývalý Sovietsky zväz uviedol do prevádzky navigačný systém označovaný názvom Cyklon a dodnes sú používané ďalšie dva obdobné systémy - vojenský šesť družicový s názvom Parus (niekedy Cikada-M) a civilný 4 družicový s názvom Cikada. Oba systémy majú rovnaké nevýhody. Poskytujú len dvojrozmerné súradnice, určenie polohy je s presnosťou 500 m pri príjme signálu len z jednej družice a nepresný časový signál. Tieto navigačné systémy sa tiež nazývajú Dopplerovské.

Po skúsenostiach s Dopplerovskými systémami sa na začiatku sedemdesiatych rokov USA rozhodli vybudovať nový družicový navigačný systém, ktorý by umožňoval určenie polohy v trojrozmernom priestore spolu s presným časom a sprístupnil by tak družicovú navigáciu aj letectvu. Od 17. decembra 1973 riadi rozvoj programu GPS spoločná programová skupina (Joint Program Office) kozmického oddelenia veliteľstva systémov vzdušných síl USA. JPO je zložená zo zástupcov letectva, námorníctva, armády, námornej pechoty, pobrežnej straže, obrannej kartografickej agentúry, zástupcov štátov NATO a Austrálie. Práce na budovaní systému GPS NAVSTAR boli rozdelené do troch častí:

[úprava] 1. časť

Prebiehala v rokoch 1973 - 1979 kedy bol systém v skúšobnej prevádzke. V tomto čase boli konštruované aj pokusné užívateľské zariadenia. Prvé štyri družice firmy Rockwell boli vypustené v roku 1978 a umožňovali trojrozmernú navigáciu po obmedzenú dobu aj to len na testovacom polygóne v Arizone (Yuma Proving Ground) alebo v jeho okolí. Družice tohto obdobia sa označujú ako družice bloku I, a bolo ich vypustených celkom 11.

[úprava] 2. časť

V tejto časti projektu sa budovala najmä komunikačná infraštruktúra a riadiace strediská. Firme Rockwell bola v roku 1980 pridelená objednávka na vývoj a výrobu 28 družíc bloku II.

[úprava] 3. časť

Prvá z 28 družíc bloku II bola vypustená v roku 1989. Družice bloku I boli doplňované a postupne celkom nahradené družicami bloku II. Tým sa postupne rozširovali možnosti systému. Trojrozmerné určenie polohy na ľubovolnom mieste na Zemi 24 hodín denne je možné od začiatku roku 1993. Desiata až 28 družica sú označované ako družice bloku IIA. Týchto osemnásť družíc má modifikovanú pamäťovú jednotku čo im umožňuje činnosť 108 dní bez kontaktu s riadiacim strediskom. Ešte v roku 1989 bol s firmou General Electrics uzatvorený kontrakt na rekonštrukciu a výrobu 20 zdokonalených družíc bloku IIR. Tieto družice možu byť bez kontaktu s riadiacim strediskom až 180 dní pričom môžu medzi sebou komunikovať a zisťovať svoju polohu. Tento systém zabezpečuje rýchlejšie zistenie chyby na niektorej z družíc a zaslanie príslušnej správy bez kontaktu s riadiacim strediskom. Vypustením 35. družice 8. decembra 1993 bol dosiahnutý počiatočný operačný stav systému (IOC - Initial Operational Capability). To znamenalo, že v systéme pracuje 21 navigačných a 3 aktívne záložné družíce, ktoré poskytujú službu SPS a prevádzkovateľ je schopný oznámiť zmeny prevádzkového stavu užívateľom (civilným) 48 hodín vopred. Podmienkou pre dosiahnutie plného operačného stavu (FOC - Full Operational Capability) bola činnosť 24 družíc bloku II. Táto podmienka bola splnená 3. marca 1994 a systém bol po dokončení všetkých potrebných testov uvedený do FOC. V tomto stave je až po dnešnú dobu.

Pôvodne bolo plánované, že družice budú obiehať na troch obežných dráhach so sklonom k polárnej rovine 63°. Tri obežné dráhy boli zvolené preto, aby k zaisteniu nepretržitého chodu celého systému stačili tri náhradné družice ktoré sú schopné kedykoľvek zaujať pozíciu poškodenej družice. Táto voľba obežných dráh mala zaručiť stálu viditeľnosť minimálne šiestych a maximálne jedenástich družíc pri prípustnom elevačnom uhle 5°. Tým mala byť zaistená maximálna robustnosť systému. V prípade potreby je však možné meniť dráhu obehu aj ostatných družíc. Záložné družice sú aj na Zemi a je ich možné vyslať na obežnú dráhu v priebehu dvoch dní. Doba obehu mala byť približne 11 h 58 min, čo sú skoro dva obehy za jeden siderický deň. To malo zaistiť periodický prechod nad riadiacou stanicou umiestnenou na území USA, ktorá komunikuje s družicami a prípadne koriguje ich obežné dráhy. Neskôr bola prijatá nová koncepcia, sklon obežných dráh bol znížený na 55° a počet obežných dráh bol zvýšený na šesť so štyrmi družicami na každej z nich. Teda počet družíc ostal 24 len sa premiestnili na nové obežné dráhy.

[úprava] Štruktúra systému GPS

Systém GPS je tvorený tromi zložkami

1. Kozmická
2. Riadiaca
3. Užívateľská

Kozmická zložka GPS systému je tvorená sústavou družíc, rozmiestnených na šiestych obežných dráhach vysielajúcich navigačné signály. Ako bolo spomenuté už skôr, systém je tvorený 24 družicami z ktorých je 21 navigačných a tri sú aktívne záložné. Družice obiehajú vo výške 20 200 km nad povrchom a rovnakú vzájomnú polohu nad daným bodom zopakujú za 11 h 58 min. Každá družica je vybavená prijímacou a vysielacou anténou, atómovými hodinami, palivom pre trysky pohonu, akumulátormi ktoré majú k dispozícii solárne panely s plochou 7,2 m₂ a radom ďalších prístrojov, ktoré slúžia pre navigáciu alebo iné špeciálne účely (napr. pre detekciu výbuchu jadrových náloží). Družica prijíma, spracováva, uchováva a vysiela informácie z/do pozemného riadiaceho centra, na základe ktorých môže korigovať svoju dráhu tryskami, alebo informuje o svojom stave riadiace centrum. Družice bloku II sú vybavené ochranou proti elektromagnetickému impulzu pri jadrovom výbuchu. Každá z družíc váži približne 900 kg a cena jednej je odhadovaná na približne 50 miliónov dolárov.

Riadiaca zložka je zodpovedná za plynulý chod celého systému. Táto zložka je tvorená systémom hlavnej riadiacej stanice, štyroch monitorovacích pozemných staníc umiestnených v rôznych častiach sveta a troch vysielacích staníc, ktoré komunikujú s družicami. Hlavná riadiaca stanica (MCS - Master Station Control) je umiestnená v opevnenom bunkri v Skalistých horách blízko leteckej základni Falcon v Coloráde a má špeciálnu ochranu. Monitorovacie stanice pasívne sledujú družice, prijímajú ich dáta, a tieto predávajú MCS. Tu sú na základe prijatých dát vypočítané presné parametre obežných dráh (efemeridy) a korekcie hodín pre jednotlivé družice. Vysielacie stanice potom tieto parametre minimálne raz denne odovzdajú družiciam. Tie potom vysielajú pomocou rádiových signálov efemeridy svojich obežných dráh a presný čas užívateľom do GPS prijímačov.

Užívateľská zložka je tvorená GPS prijímačmi, užívateľmi samotnými, vyhodnocovacími nástrojmi a postupmi potrebnými k vyhodnoteniu meraní. GPS prijímače vykonajú na základe prijatých signálov z družíc predbežné výpočty polohy, rýchlosti a času. Pre výpočet všetkých štyroch súradníc je potrebné prijímať signály aspoň zo štyroch družíc. Prijímače sa delia na jednokanálové a viackanálové. Jednokanálové prijímače sú vybavené len jedným vstupným kanálom, takže pri sledovaní viacerých družíc musia postupne prepínať tento vstupný kanál na jednotlivé družice. Viackanálové prijímače majú dostatočný počet vstupných kanálov, aby mohli súčasne sledovať všetky dostupné družice a tým zvyšovať presnosť výpočtu. Jednou zo základných úloh GPS je navigácia v trojrozmernom priestore. V poslednom čase nastal prudký rozvoj výroby GPS prijímačov v ručnom prevedení, ktorý by sa dal porovnať z rozvojom mobilnej komunikácie v posledných piatich rokoch.

[úprava] Ako GPS pracuje

To, čo sa deje v každom GPS prijímači by sme mohli opísať ako určovanie polohy meraného bodu z priesečníku guľových plôch, ktorých polomer je daný meranými vzdialenosťami. Tento systém sa nazýva tiež dĺžkomerný systém. Meranou veličinou je doba šírenia rádiového signálu z družicovej antény k anténe GPS prijímača tdi. Rýchlosť šírenia signálu je rovná rýchlosti svetla. Každá družica v navigačnej správe okrem iných údajov posiela aj parametre svojej dráhy (efemeridy) z ktorých vieme vypočítať aktuálnu polohu družice (XS, YS, ZS). Keď poznáme súradnice družíc, môžeme polohu užívateľa (X, Y, Z) určiť vypočítaním sústavy troch rovníc o troch neznámych. Problém merania polohy by bol jednoduchý, keby časové základne (hodiny) družice a užívateľa boli synchrónne. Hlavný problémom je doba, ktorá uplynie medzi vyslaním diaľkomerného signálu z GPS družice a jeho prijatím užívateľským GPS prijímačom. Časová základňa užívateľského zariadenia je posunutá o neznámy časový interval Dt, ktorý môžeme prepočítať na vzdialenosť b = c Dt (kde c je rýchlosť svetla). K neznámym súradniciam užívateľa pristupuje teda neznáma b a pre výpočet polohy potrebujeme celkom štyri rovnice

(x_i - x)2 + (y_i - y)2 + (z_i - z)2 = D_i + b

D_i = c tmi

i = 1, 2, 3, 4

Užívateľské GPS zariadenie generuje kópiu signálu vysielaného zvolenou družicou, túto kópiu zosynchronizuje s prijímaným signálom a meria posun tmi počiatku tejto kópie vzhľadom k počiatku svojej časovej časovej základni. Meraný čas tmi môže prepočítať na vzdialenosť Di, ktorá sa nazýva pseudovzdialenosť (pseudorange). Ak sa meranie uskutočňuje minimálne k 4 družiciam, máme k dispozícii všetky veličiny potrebné pre riešenie sústavy rovníc, ktorých neznámymi sú súradnice (X, Y, Z) a posun Dt užívateľovej časovej základne vzhľadom k časovej základni družice.

[úprava] Technické údaje o systéme

Signály GPS družíc sú vysielané na dvoch nosných frekvenciách: L1 (1575,42 MHz, vlnová dĺžka 19 cm) - štandardný polohový systém L2 (1227,60 MHz, vlnová dĺžka 24 cm) - presný polohový systém

Frekvencie sú modulované týmito navigačnými kódmi: L1 je modulovaná dvoma pseudonáhodnými šumami (PRN - Pseudo Radndom Noise).

• hrubý/dostupný (C/A - Coarse/Acquistions code) určený je pre civilné prijímače a má frekvenciu 1,023 MHz. Do tohto kódu je umelo vnášaná chyba v dôsledku opatrenia označovaného ako selektívny prístup (SA - Selective Availability). Bližšie spomenutom v ďalšej kapitole.
• presný (P - Precision code) určený je pre civilné a vojenské prijímače a má frekvenciu 10,23 MHz.

L2 je modulovaná jedným šifrovaným kódom:

• Y-code určený je len pre vojenské prijímače. Je to vlastne šifrovaný Precision code.

[úprava] Služby SA, SPS a PPS

Určenie polohy pomocou systému GPS je veľmi presné aj pri použití jedného kanálu a kódu C/A (Coarse/Acquistions). Americká vláda vzhľadom na strategické záujmy a bezpečnosť štátu rozhodla o zavedení zvláštneho režimu prevádzky GPS - výberový prístup (SA - Selective Availability). Výberový prístup spočíva v zámernom zhoršovaní presnosti merania vzdialenosti tým, že sa menila hodinová frekvencia signálu a efemeridy vo vysielanej navigačnej správe. Výsledkom toho meraná pseudozdialenosť nezodpovedala vzdialenosti užívateľa od družice a nezodpovedal ani posun jeho hodín vzhľadom k systémovým hodinám. Táto náhodná funkcia, ktorá zhoršovala presnosť merania, bola zavedená 25. 3. 1990 u všetkých družíc bloku II. Po protestoch odbornej verejnosti však Americká vláda prehodnotila svoje rozhodnutie o zavedení SA a dňom 1. 5. 2000 bol zvláštny režim výberového prístupu (Selective Availability) zrušený! Dosiahnuteľná presnosť GPS prijímačov v určení polohy je teraz 10 - 15 m. Už od začiatku budovania celého systému sa uvažovalo o využívaní toho systému nielen vojenskými, ale aj civilnými užívateľmi. Preto sa hľadala rozumná miera obmedzenia prístupu civilných užívateľov, ktorá by zaistila prijateľne nízke riziko zneužitia celého systému, a pritom by podstatne neobmedzovala civilné využitie. Nakoniec sa rozhodlo o rozdelení prístupu pre autorizovaných a neautorizovaných užívateľov. Autorizovaný užívateľ je armáda Spojených štátov, armády niektorých ďalších štátov NATO a prípadne vybraný civilný užívateľ. Autorizovaný užívatelia využívajú službu s označením presná polohová služba (PPS - Precise Positioning Service). Táto služba pozostáva v prístupe k C/A kódu na nosnej frekvencii L1 a k P - kódu (Precision code) resp. Y - kódu (šifrovaný Precision code) na frekvenciách L1 a L2 bez obmedzenia. K využívaniu služby PPS musí byť autorizovaný užívateľ vybavený špecialnym GPS prijímačom, ktorý po zadaní hesla dokáže eliminovať umelú chybu SA a spracovávať šifrovaný Y - kód. Neautorizovaným užívateľom je poskytovaná štandardná polohová služba (SPS - Standard Positioning Service). Táto služba pozostáva v prístupe k C/A kódu a navigačným dátovým správam na nosnej frekvencii L1 a je nepretržite k dispozícii všetkým užívateľom GPS po celom svete.

[úprava] Diferenčný GPS (DGPS)

Použitím diferenčej (rozdielovej) metódy merania sa dosiahne významného zvýšenia presnosti určovania polohy v reálnom čase. Vychádzame pri tom z poznatku, že diferencie údajov meraných dvoma blízkymi GPS prijímačmi sú zaťažené podstatne menšími chybami ako samotné namerané údaje. To je spôsobené vysokou koreláciou (vzájomnou závislosťou) chýb oboch meraní. Signál sa šíri od družice k obom prijímačom po skoro rovnakej dráhe, preto ionosférické a troposférické oneskorenie signálu je zhruba rovnaké. Podobne sa prejavia aj chyby efemerid družíc. Za nekorelované (nezávislé) môžeme považovať len chyby spôsobené samotnými prijímačmi a mnohocestným šírením signálu (rôzne odrazy od objektov, rušenia…). Mnohocestné šírenie potom môžeme považovať za hlavný faktor výslednej chyby diferenciálneho GPS. Meranie polohy pomocou DGPS je trochu zložitejšie ako pri GPS, pretože sú potrebné minimálne dva GPS prijímače. Jeden prijímač je umiestnený stacionárne na známej polohe, ktorá sa určila geodetickým meraním. Tento prijímač sa nazýva RS - referenčná stanica. Táto stanica neustále uskutočňuje merania ku všetkým viditeľným družiciam, zmerané pseudovzdialenosti porovnáva s predpokladanými hodnotami (údajmi o svojej polohe) a ich rozdiely vysiela vlastným samostatný kanálom ku všetkým užívateľom DGPS. V prijímačoch ostatných DGPS užívateľov sa prijaté korekcie použijú k oprave merania a tak sa významne zvýši presnosť určenia ich polohy v reálnom čase. Korekčný údaj sa aktualizuje v intervale 1 až 15 sekúnd. Platnosť korekcií je v polomere 10 km centimetrová až decimetrová a v polomere 400 km je metrová. Formát opráv pre ich prenos bol navrhnutý v dokumente RTCM.