Princip a složení systému GPS

Globální polohový systém GPS-NAVSTAR (Global positioning system – Navigation using Timing and Ranging) je systém satelitivní navigace přístupný široké veřejnosti, umožňující určit polohu a rychlost objektu v reálném čase. Existují sice i jiné naváděcí systémy DORIS, PRARE, GLONASS (tzv. ruské GPS), ale ty nemají tak velký význam.

Základní informace

Global Positioning System (GPS) je soustava družic patřící Spojeným státům, která celosvětově poskytuje 24 hodin denně vysoce přesné informace pro zjišťováni polohy a navigaci. Jde o radionavigační systém provozovaný vzdušnými silami USA a řízen vládou USA pomocí Interagency GPS Executive Board (IGEB ). Děje se tak pomocí dvaceti osmi družic NAVSTAR GPS, které se pohybují na oběžné dráze 20 200 m nad zemí a vysílají nepřetržitě údaje o přesném čase a poloze ve vesmíru. Přijímač GPS na zemi (nebo nad ní) sleduje tři až dvanáct družic a registruje vysílané informace. Z těchto údajů pak určí přesně svoji vlastní polohu a zároveň i to, jakým směrem a jakou rychlostí se přijímač pohybuje.

Správa systému

Původně vojenský systém nacházel stále širší uplatnění v civilních aplikacích a tedy vznikla potřeba koordinovat vojenské a civilní zájmy. Z tohoto a řady dalších důvodů byl v březnu 1996 GPS vyjmut z výlučné pravomoci Ministerstva obrany USA (dokument PDD – Presidential Decision Directive). Nyní je systém podřízen IGEB (Interagency Executive Board). IGEB společně řídí Ministerstvo obrany USA a Ministerstvo dopravy USA a jsou v něm zastoupena další ministerstva a instituce. IGEB ovlivňuje činnost kosmické divize velitelství systémů vzdušných sil USA a JPO na letecké základně Shriver (Falcon) ve Skalistých horách.

Složení systému

Kosmický segment

Dráhy družic

Dráhy družic

Z každého místa na Zemi je 24 hodin denně pozorovatelných 5–8 družic s elevací větší než 15 stupňů. Zřizovatel zaručuje, že minimálně 4 družice jsou pozorovatelné kdykoliv a odkukoliv. Celý systém má nyní 28 družic. Družice jsou umístěny v šesti rovinách na téměř kruhových drahách ve výšce 20 200 km nad povrchem Země. Družice se pohybují na 6 drahách se sklonem k rovníku 55 až 60 stupňů, oběžná doba 12 hvězdných hodin (11:58). Tzn., že ze stejného místa na Zemi je družice následující den pozorovatelná o 4 minuty dříve. Tři rezervní družice mají zařídit, aby až poté co 3 družice vypoví službu bylo nutné vypustit další. Systém je koncipován tak, že kdykoliv a kdekoliv jsou pozorovatelné 4 družice. Maximálně může být pozorováno až 12 družic. V ČR je běžně k dispozici 7 – 8 družic v daný okamžik. Pro určení polohy jsou nutné 4 družice (x,y,z,t), kde t (posun času přijímače GPS oproti času UTC GPS družic).

Dráhy družic promítnuté na zemský povrch

Dráhy družic promítnuté na zemský povrch

Uživatelský segment

Tvoří jej uživatelské přijímače všech typů a přesností. Přijímač GPS přijímá a analyzuje informace o poloze a času z nejméně 4 družic a na základě jejich zpoždění vypočte svoji polohu (X, Y, Z a T). Výrazně vyšší přesnosti lze dosáhnout porovnáním naměřených hodnot s hodnotami naměřenými referenčním pozemským přijímačem (DGPS – diferenciální GPS). Tímto lze provádět geodetická měření s přesností cm až mm, pozorovat pohyby kontinentů apod.

Určení polohy

Určení polohy

Řídící segment

Je umístěn v USA, sestává z hlavní řídící stanice (MCS v Colorado Springs) a několika monitorovacích stanic rozmístěných po celém světě (Kwajalein, Diego Garcia, Ascensinon, Cape Canaveral, Hawai). Měří signály z družic, které pak zadává do matematického modelu systému, kterým se modeluje přesná poloha satelitů. Při každém průletu družic nad těmito stanicemi jsou vyhodnoceny parametry jejich drah a vypočteny korekce, které jsou vyslány zpět na dané družice a odtud do přijímače, kde dojde k aktualizaci uložených dat o družicích.

Příjem signálu a zpětné vyslání s opravenými daty

Příjem signálu a zpětné vyslání s opravenými daty

Monitorovací stanice systému GPS

Monitorovací stanice systému GPS

Princip družicové navigace

Rádiové navigační systémy využívají často pro svojí funkci vysílače, umístěné ve známém místě. Přijímač uživatele zpracovává signály vysílačů a určuje např. vzdálenost a úhel od vysílače. Nevýhodou takto pojatých systému je omezený dosah. Touho konstruktérů bylo vytvořit systém globální, pokrývající signálem celou Zemi. Jako vysílače jsou použity umělé družice Země.

V přijímačích radiových navigačních sytémů může použito dvou metod pro určení polohy:

  • dopplerovská metoda – měří se Dopplerův kmitočet
  • dálkoměrná metoda – měří se zpoždění signálu přepočítané na vzdálenost od zdroje vysílání
  • kombinace obou metod

Určení polohy dálkoměrnou metodou (GPS)

Pro stanovení polohy (zeměpisná šířka a délka) v GPS systému jsou potřebné minimálně tři různé poziční linie. Je tedy nutné provést tři měření od různých vysílačů-družic nad obzorem.V průsečíku těchto tří pozičních linií se pak nachází přijímač (přesněji jeho anténa). Zde si může někdo položit otázku proč je třeba tří pozičních linií, když by přece měly stačit dvě. Důvodem měření pseodonáhodné vzdálenosti a pro rovnice systému je tedy třeba získat i parametr času, který je získán právě pomocí měření z další družice. Pokud je třeba stanovit výšku nad povrchem Země, je nutné provést měření s pomocí minimálně čtyřech družic.

Co vše lze z GPS dostat

V paměti přijímače jsou dále uložena data o dráze a pohybu všech družic systému GPS (tzv. almanac). Tato data jsou ještě minimálně každých dvanáct hodin zpřesňována pomocí korekcí (efemeridy) stanovených na základě měření na jednotlivých monitorovacích pozemských stanicích řídícího segmentu systému GPS. Ze všech těchto dat dokáže mikropočítač GPS přijímače spočítat, a následně zobrazit na displeji, hodnoty zeměpisné polohy v místě antény přijímače, které můžeme pak přenést na mapu. Vyhodnocování pouze zeměpisná šířky a délky se označuje jako 2D mód a když se ještě potřebná výška, tak se jedná o 3D mód. Hodnoty polohy jsou u většiny GPS přijímačů každou jednu až dvě sekundy průběžně aktualizovány. Dalšími údaji je stanovení vzdálenosti mezi dvěma vybranými zeměpisnými body, náměr skutečný nebo kompasový z aktuální polohy k vybranému bodu, rychlost a kurs nade dnem atd.
Při přesnějších měřeních s profesionálními přijímači a s použitím přesných efemerid lze ze systému dostat např. parametry rotace Země, pohyby pólů, korekce času apod.

Parametry signálů družic GPS

Každá družice vysílá signály na dvou základních frekvencích:

  • L1 = 1575,42 MHz (vlnová délka cca 19 cm) – přenáší navigační informace a SPS kód (standardní polohová služba)
  • L2 = 1227,60 MHz (vlnová délka cca 24,4, cm) – používá se pro PPS kód (přesná polohová služba) a pro měření ionosférického zpoždění v přijímačích GPS

a lze je popsat vztahem: s(t) = C(t).D(t).sin(2pL1t) + P(t).D(t).cos(2pL1t) + P(t).D(t).cos(2pL2t).

Jde tedy o nosné vlny modulované kódy C(t), P(t) a navigační zprávou D(t). Kódy a data nabývají hodnot +1,–1 a jedná se tedy o modulaci s binárním fázovým klíčováním (BPSK). Minimální výkon signálu GPS na výstupu lineárně polarizované antény se ziskem 3dB bude na Zemi –160 dBW za předpokladu ztrát v atmosféře 2dB a při chybě směrování družice 0,5 stupně. Minimální úroveň signálu závisí na elevaci družice. Maximální hodnota signálu nepřekročí –153 dBW (zdroj: GPS, SPS, Signal Specification, Washington, Department of Defence, 1993).

Data D(t) slouží k přenosu parametrů drah družic (efemerid) z nichž se v přijímačích určuje ploha družic (x,y,z). Efemeridy jsou dvojího druhu:

  • broadcast (přibližné) – vysílané v kódu D(t)
  • precise (přesné) – poskytuje je IGS a jsou nutná pro přesná geodetická měření na větších územích

Kódy C(t) a D(t) jsou pseunáhodné posloupnosti číslic (+1/-1). Kódy umožňují:

  • přesné měření pseudovzdáleností
  • oddělení signálů jednotlivých družic, které pracují na stejné frekvenci (kódový multiplex CDMA)
  • zvyšují odolnost proti rušení

C/A kód

Goldův kód. Moduluje L1. Sekvence jednoznačně identifikuje každou družici. Jeho základní vlastností je ostré minimum autokorelační funkce zajišťující měření vzdáleností. Vzájemné korelační funkce dvou různých kódů mají malé hodnoty čímž je docíleno dobré oddělení signálů družic. Perioda kódu je 1 ms a obsahuje 1023 bitů (bitová rychlost 1,023 Mbit/s). Je též označován jako C/A kód – Coarse Acquisition (kód pro hrubé měření). V přijímači jej lze generovat bez spolupráce se správcem systému a je tedy přístupný všem. Odtud plyne jiné vysvětlení C/A – Clear Access (volný přístup). Jeho přesnost v poloze ve vodorovné rovině činí 53 m.

Jelikož je systém vojenský, přesnost 53 m je dostačující pro ničení strategických raket a proto vláda USA rozhodla o zavedení režimu Selective Availability – výběrová dostupnost. Spočívá v záměrném zhoršování přesnosti měření manipulováním se signálem družic. Tento režim byl vypnut 1.5.2000.

P kód

Je označován jako přesný kód (Precision nebo Protected). Moduluje L1 a L2. Jeho bitová rychlost je desetinásobná oproti kódu C/A a činí 10,23 Mbit/s. Kód P je pseudonáhodná posloupnost maximální délky s periodou přibližně 266 dnů (23 017 555,5 s). Perioda obsahuje 235,46959.1012 bitů, ale využívá se z ní pouze sedmidenní část. Kód se nuluje do výchozího stavu o půlnoci ze soboty na neděli. Rychlejší a delší P kód umožňuje větší kmitočtové rozprostření signálu a tudíž i přesnější měření. Je též možné měřit na obou frekvencích L1 a L2 a tím podstatně omezit vliv ionosférické refrakce (viz chyby systému). Chyba měření polohy v horizontální rovině je maximálně 21 m.

Data o poloze satelitu a času jsou vysílána v rámcích o velikosti 1500 bitů rozdělených do subrámců po 300 bitech. Rámec je vysílán každých 30 sekund. Kompletní data se vysílají ve 25 rámcích (12,5 minut). Data obsahují:

  • údaje o hodinách na družici a jejich vztahu k referenčnímu času systému GPS
  • údaje o poloze družice a korekční data z řídícího systému
  • almanach – přibližná data o dráze družice

Y kód

Vzhledem k tomu, že užitím P kódu lze určit polohu s přesností 3 m a lepší byl algoritmus generování P kódu utajován. Na počátku 90. let byl algoritmus P kódu uvolněn a publikován. Zneužití vysoké přesnosti se vyřešilo překódováním P kódu na Y kód, jehož dekódování je možné pouze při znalosti šifry dostupné jen autorizovaným uživatelům. Zakódování je označováno A-S (Anti-Spoofing). Tato ochrana znemožňuje i imitování družice nepřítelem. A-S byl zaveden 31.1.1994.

Popis kódů je poplatný době vzniku článku.

Podrobnější informace o struktuře signálu najdete zde.

Souřadný systém WGS-84

WGS – 84 (World Geodetic System) je základním souřadnicovým systémem ve kterém pracuje GPS. Jde o geocentrický souřadnicový systém z roku 1984, který poskytuje údaje ve tvaru zeměpisné délky a šířky. Systém WGS-84 pracuje z kartografického hlediska s parametry elipsoidu WGS-84. Proto také nejsou, jednoduše řečeno, zeměpisné souřadnice jako zeměpisné souřadnice. To je důležité pro uživatele turistických map, které vychází na podkladech vojenských map a kde vlivem použití jiného elipsoidu (Krasovského) a v rámci vojenského souřadnicového systému S-42 jsou rozdíly mezi těmito zeměpisnými souřadnicemi a souřadnicemi WGS-84 v rámci ČR cca 100–150m.

Komentáře

1 | Mortal @ | před desíti roky

Fakt dobry

Clanek na super urovni. Necekal sem, ze kdyz si budu chtit zjistit neco o GPS, ze se dostanu az takhle hluboko. Diky 8-)

reagovat

2 | Tomáš Resutík | před třemi roky

Fakt dobrý :)

reagovat

3 | Ema F.Plzaková @ | před dvěma roky

Hodnocení

Výklad o GPS skvělý avšak stále nemohu najít datum ,tj. rok jeho vzniku a používání.Děkuji.

reagovat

Připojte váš komentář!

Můžete používat Texy! syntaxi.

* Hvězdičkou jsou označeny povinné informace.

Cimrman

Kam jinam?

Mladí ochránci přírody