Global positioning system
(GPS)

Chyba SA (Selective Availability) byla úřady odstraněna.  
Tato chyba měla snížit přesnost navigačního systému 
GPS pro civilní využití řádově na desítky až stovky metrů. 

 
    V současné době je celý systém GPS  tvořen 24 družicemi, které  jsou postupně viditelné celých 24 hodin. Z celkové počtu 24 druž  slouží tři jako záložní. Tyto družice  krouží kolem Země ve výšce přibližně 20 200 km na 6 oběžných drahách skloněných vždy o 60 stupňů. Každá družice je vybavena přijímačem, vysílačem, atomovými hodinami a řadou přístrojů, které slouží pro navigaci popřípadě jiné speciální úkoly. Družice přijímá, zpracovává a uchovává informace předávané z pozemního řídícího centra, na základě kterých koriguje svoji dráhu raketovými motorky, dále sleduje stav vlastních systémů a podává o těchto skutečnostech informace zpět do řídícího centra. Pro případné problémy je každá družice vybavena záložními zdroji, palubní baterie jsou dobíjeny dvěmi slunečními panely. Samotný princip určování polohy systémem GPS je následující: družice vysílá signály pro uživatele v podobě složitého signálu. Každá družice vysílá zprávy o své poloze a přibližné polohy ostatních družic systému. K určení aktuální polohy Váš přijímač počítá tzv. pseudovzdálenosti, což jsou vzdálenosti mezi vaším přijímačem a viditelnými družicemi (nad obzorem). Výpočet pseudovzdálenosti vychází ze znalosti rychlosti šíření družicového signálu a rozdílu času mezi vysláním a příjmem signálu. Termín pseudovzdálenost se zavádí proto, že je nutné zavádět další doplňující výpočty, které určení výsledné polohy dále zpřesňují. Pro určení dvojrozměrné polohy (nejčasněji zeměpisná délka a šířka) postačí příjem signálu z min. tří družic (výpočet tří pseudovzdáleností), pro určení trojrozměrné polohy (navíc výška) minimálně ze čtyř družic. Příjem menšího počtu družic znemožňuje výpočet polohy, vyšší počet družic naopak určení polohy dále zpřesňuje.
    Řídící segment Je umístěn v USA, sestává z hlavní řídící stanice a několika monitorovacích stanic rozmístěných po celém světě. 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.
Monitoruje funkce družic a získané údaje předává zpět družicím. Řídící podsystém tvoří hlavní řídící stanice v Colorado Springs, 5 monitorovacích stanic a 3 pozemní řídící stanice, které spolupracují s hlavní řídící stanicí. Cílem celého řídícího podsystému je monitoring funkcí každé družice, sledování a výpočet dráhy družice, komunikace a zajištění přesného chodu atomových hodin na družicích. Jakákoliv závada na družici musí být co nejrychleji operativně řešena, při ceně 50 miliónů dolarů za družici je to pochopitelné.

    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.

    Parametry signálů družic GPS
Každá družice vysílá signály na dvou základních frekvencích:
L1 = 1575,42 MHz (vlnová délka cca 19 cm)
L2 = 1227,60 MHz (vlnová délka cca 24,4, cm)
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. 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 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.
P kód
Je označován jako přesný kód (Precision nebo Protected). 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.
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.

PPS - precision positioning service ==> chyba 21 m
SPS - standart positioning service ==> chyba 64 m (dříve 100m)
 
 


Home PageKonference TrampInformace o GPSGalerie fotekTipy na výlet
Trampské odkazyKniha návštěvSend Email

All rights reserved Pavel Hopfner 2000
10.2.2001 18:31