Co to je GPS? Historie a úvod do problematiky
12.12.2005, Bergmann , článek
Všechny nás v tom daném okamžiku spojovala touha po přesném určení polohy a po klidném dosažení cíle našich cest pomocí nejmodernější techniky. Je jen hrou osudu, že na mé krabičce svítí led diody, že naslouchá družicím a že ji od navigačních pomůcek dávných mořeplavců dělí několik staletí…
Kapitoly článku:
- Co to je GPS? Historie a úvod do problematiky
- Řídící segment, Uživatelský segment, GPS v praxi, Co dodat na závěr ?
Systém NAVSTAR - GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System - oficiální název) stojí na vrcholu dlouhodobého vývoje rádiových navigací. Stal se její nejmodernější metodou, která pro svou činnost využívá soustavu navigačních družic, obíhajících Zemi na základě přesně určených podmínek a nepřetržitě vysílajících datové informace.
Vznik satelitních navigačních systémů se datuje do druhé poloviny 20. století. U jejich zrodu stály především armádní zájmy. V roce 1960 započalo US-NAVY s umísťováním družic systému TRANSIT na oběžnou dráhu. Hlavním úkolem tehdy bylo určování polohy plavidel. Tento systém byl v roce 1964 uvolněn i pro civilní použití a nyní slouží zejména majitelům civilních jachet. Postupem času byl projekt TRANSIT následován řadou dalších systémů. Nejpoužívanějším a nejrozsáhlejším se stal Globální polohový systém NAVSTAR - GPS.
Počátky vývoje GPS spadají do roku 1973, kdy byla zahájena první fáze, zahrnující vypuštění 4 pokusných družic a kdy se také rozběhl vývoj uživatelských zařízení. Do roku 1979, začátku druhé vývojové fáze, bylo vypuštěno celkem 11 družic. V této fázi byla současně vybudována pozemní řídící střediska a počet družic se zvýšil na 24. V prosinci 1993 bylo poprvé dosaženo trojrozměrného zaměřování. Rok 1995 se stal významným mezníkem - došlo k oficiálnímu vyhlášení plné operační způsobilosti systému. V současné době jsou na oběžné dráze již družice třetí generace, čtvrtá je naplánována k vypuštění v roce 2006 a pátá se nachází ve fázi projektování.
Technologie GPS byla na počátku využívána jen jako přesný vojenský lokalizační a navigační prostředek sledování pozic vojenských jednotek, zaměřování cílů, apod.), v 80. letech 20.století americká vláda rozhodla o jeho uvolnění i pro civilní účely. Poté došlo k mohutnému rozšíření technologie GPS do všech oblastí lidské činnosti. Od roku 1996 je globální polohový systém na základě rozhodnutí prezidenta USA kontrolován vládním výborem IGEB (Interagency GPS Executive Board), jehož úkolem je sledování vývoje systému a jeho usměrňování v souladu se zájmy národní bezpečnosti. Kromě toho IGEB provádí i dohled na zajištění dostupnosti GPS pro celosvětové mírové využití (vědecké i komerční) a podporuje mezinárodní spolupráci v této oblasti.
Systém GPS je tvořen třemi segmenty : kosmickým, řídícím a uživatelským.
Kosmický segment GPS představují družice umístěné na šesti kruhových drahách se sklonem 55° k rovině rovníku, vzdálené 20 190 km od povrchu Země a pohybující se rychlostí 11 300 km/h. Za jeden den uskuteční každá družice dva oběhy kolem Země (jeden oběh trvá 11 h 58 min), proto je další den na stejném místě oběžné dráhy vždy o 4 minuty dříve. Každá ze šesti drah má pět pozic pro umístění družic, z čehož plyne, že za současné konfigurace je maximální možný počet družic GPS na oběžné dráze roven počtu třiceti kusů. Pozice č. 5 je u každé dráhy záložní, k dosažení FOC (Full Operational Capability - plné operační způsobilosti) postačuje 24 funkčních družic.
Nejmodernější družice GPS v současnosti umístěné na oběžné dráze představují Bloky IIR a IIF. Výroba začala v roce 1997 a poslední družice typové řady IIR byla vypuštěna 6. listopadu 2004. Firmou Lockheed Martin bylo vyrobeno třináct družic, ale na oběžné dráze jich pracuje jen dvanáct. První družice byla ztracena při neúspěšném startu 17. ledna 1997. Životnost družic Bloku IIR byla plánována na 10 let, některé ze strojů ale úspěšně tuto hranici překonaly. Největší změny oproti předchozímu Bloku IIA jsou: zlepšení odstínění před kosmickým zářením, zvětšení zásob paliva pro raketové motory a přeprogramovatelný palubní počítač. Nejdůležitější je ale schopnost samostatného fungování družice bez zásahu z pozemního řídícího střediska. Družice Bloku IIR spolu dokáží komunikovat, sledovat svoje pozice a korigovat své dráhy. Tato schopnost však zatím nemůže být využita, protože všechny družice by musely být typu Blok IIR. Zatím je možno u Bloku IIR využít jen schopnost 180denního samostatného provozu bez provádění korekcí z pozemního řídícího centra, podobně jako u družic Bloku IIA. Družice Bloku IIR byly na oběžnou dráhu vyneseny raketou Delta II z letecké základny na mysu Canaveral. Na nejnovější družice bloku IIF získala v roce 1996 kontrakt firma Boeing-North American. Smlouva byla uzavřena na 30 kusů, životnost by měla dosáhnout 15 let.
Srdcem každé družice jsou velmi přesné atomové hodiny. Na palubě jsou troje až čtvery, s cesiovým nebo rubidiovým oscilátorem. Starají se o dlouhodobou frekvenční stabilitu vysílaného signálu. Tímto způsobem je vytvářena základní frekvence L pásma o hodnotě 10,23 MHz. Jejím vynásobením hodnotami 154 a 120 vznikají nosné frekvence signálů L1 = 1 575,42 MHz a L2 = 1 227,60 MHz. Nosná vlna je modulována fázovou modulací, tzn. že kdykoliv dojde ke změně vysílaného binárního kódu, posune se zároveň její fáze o polovinu vlnové délky. Pro modulaci nosné vlny se používá několik pseudonáhodných, tzv. PRN kódů. Tento kód moduluje nosnou vlnu signálu GPS a je pro každou družici jedinečný. Představiteli PRN kódů jsou například kódy C/A nebo P(Y), které zajišťují přijímači GPS jednoznačnou identifikaci družice vysílající daný kód.
C/A kód vzniká kombinací výstupů ze dvou registrů tak, že výsledná hodnota je výsledkem jejich binárního součtu. Je modulován pouze na nosné vlně L1 a není šifrován, čímž je umožněn jeho příjem i neautorizovaným uživatelům (autorizovaný uživatel má přístup k vojenským kódům GPS. Hlavně to jsou ozbrojené složky USA a jejich spojenců. V „bezpečných" zemích je přístup k vojenským kódům povolen i pro civilní geodetické účely). Horizontální přesnost určení polohy pomocí C/A kódu se pohybuje v řádech jednotek metrů. C/A kód je 1023 bitů dlouhý a je vysílán frekvencí 1 023 MHz, tzn., že je opakován každou tisícinu sekundy.
P kód je modulován na obou nosných vlnách L1, L2 a je určen pouze pro autorizované uživatele. Dvě frekvence používané k měření umožňují odstranění ionosférických a troposférických refrakcí, což zajišťuje velmi přesné určení polohy - geodetické přístroje GPS pracují s přesností v řádech milimetrů. Stejně jako C/A není P kód šifrován. Je vytvářen kombinací bitových sekvencí dvou registrů. První sekvence je opakována každou 1,5 s a vzhledem k frekvenci 10,23 MHz, má délku 1,5345×107 bitů, druhá sekvence je o 37 bitů delší. Jejich kombinací vzniká kód o délce 2,3547×1014 bitů a to určuje dobu opakování P kódu na přibližně 266,4 dne. Celá délka kódu je rozdělena na 37 částí. Každé družici je na jeden týden přidělena jedna z částí P kódu, čímž je docíleno rozdílných PRN kódů. Vždy o sobotní půlnoci, kdy pro GPS začíná nový týden, dochází zároveň i ke změně vysílané části kódu. Bez použití režimu A-S (AntiSpoofing je způsob ochrany vojenského P kódu GPS před případným podvržením nebo zneužitím nepřítelem) není P kód nijak šifrován a není tak zaručena jeho stoprocentní autentičnost a integrita. Z tohoto důvodu je režim A-S neustále zapnut a místo P kódu je vysílán šifrovaný Y kód. Klíčem k jeho rozluštění je W kód, podporovaný pouze v autorizovaných přístrojích, které z Y a W kódů vytvoří P kód použitelný pro navigaci. P kód tedy získáme pouze v případě, známe-li tajný W kód. S tím však pracují pouze vojenské přijímače.
Posledním typem kódu vysílaného družicemi je navigační zpráva. Obsahuje informace o telemetrii, dráze jednotlivých družic a nejrůznější korekční data. Je vysílána frekvencí 50 Hz, její délka je 1 500 bitů a skládá se z pěti částí (subframů), každé po 300 bitech. Jednotlivé subframy jsou tvořeny desítkou třicetibitových slov. První v každém subframu je telemetrické slovo TLM, nesoucí synchronizační vzor a diagnostické zprávy. Za ním následuje slovo HOW (hand-over word), které kromě identifikačních údajů subframu a nejrůznějších indikátorů nese i časovou hodnotu TOW (time of week) platnou pro začátak dalšího subframu. Hodnota TOW představuje počet časových úseků dlouhých 1,5 s uplynulých od začátku týdne GPS. Další slova jsou určena především pro navigační data, ale najdeme zde i nejrůznější vojenská data, kontrolní údaje, data o stavu družic, informace o stavu ionosféry a další údaje.
První subframe navigační zprávy obsahuje údaje o týdnu GPS, stavu družice (jinak také SV - Space Vehicle) a další parametry jako například odhad zpoždění vysílaného signálu nebo kontrolní údaje atomových hodin. Druhá a třetí část jsou vyhrazeny pro vysílání efemerid (Efemeridy jsou součásti navigační zprávy pro GPS obsahující velmi přesná data o poloze dané družice. Jsou vytvářeny Hlavním řídícím střediskem GPS, které je průběžně vypočítává na základě sledování drah družic pozemními stanicemi. Přibližně jednou za hodinu je aktualizované vysílá jednotlivým družicím, které je zahrnují do svých navigačních zpráv. Platnost efemerid trvá nanejvýše čtyři hodiny). Zatímco první tři subframy navigační zprávy jsou pro každou družici unikátní, data ze čtvrtého a pátého subframu jsou u všech družic stejná. Čtvrtý subframe je rezervován především pro vojenské údaje, kromě nich však obsahuje data o stavu ionosféry a provizorně i almanach (Almanach je jednou ze složek signálu GPS - součást navigační zprávy. Obsahuje méně přesná data o poloze družic GPS. Aktualizován je jednou za šest dnů. Všechny družice vysílají stejný almanach, který nese data o poloze všech družic GPS na oběžné dráze) nejnovějších družic, které přesahují počet tvořící FOC - Full Operational Capability (Plná operační způsobilost globálního polohového systému GPS). Ta byla vyhlášena 17. července 1995, po dosažení počtu 24 družic Bloku II a IIA na oběžné dráze a jejich důsledném testování. Poslední subframe navigační zprávy tvoří almanach pro nejdéle sloužících 24 družic.
Pro určení dvojrozměrné polohy (nejčastěji 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.
Trocha historie
Vznik satelitních navigačních systémů se datuje do druhé poloviny 20. století. U jejich zrodu stály především armádní zájmy. V roce 1960 započalo US-NAVY s umísťováním družic systému TRANSIT na oběžnou dráhu. Hlavním úkolem tehdy bylo určování polohy plavidel. Tento systém byl v roce 1964 uvolněn i pro civilní použití a nyní slouží zejména majitelům civilních jachet. Postupem času byl projekt TRANSIT následován řadou dalších systémů. Nejpoužívanějším a nejrozsáhlejším se stal Globální polohový systém NAVSTAR - GPS.
Počátky vývoje GPS spadají do roku 1973, kdy byla zahájena první fáze, zahrnující vypuštění 4 pokusných družic a kdy se také rozběhl vývoj uživatelských zařízení. Do roku 1979, začátku druhé vývojové fáze, bylo vypuštěno celkem 11 družic. V této fázi byla současně vybudována pozemní řídící střediska a počet družic se zvýšil na 24. V prosinci 1993 bylo poprvé dosaženo trojrozměrného zaměřování. Rok 1995 se stal významným mezníkem - došlo k oficiálnímu vyhlášení plné operační způsobilosti systému. V současné době jsou na oběžné dráze již družice třetí generace, čtvrtá je naplánována k vypuštění v roce 2006 a pátá se nachází ve fázi projektování.
Technologie GPS byla na počátku využívána jen jako přesný vojenský lokalizační a navigační prostředek sledování pozic vojenských jednotek, zaměřování cílů, apod.), v 80. letech 20.století americká vláda rozhodla o jeho uvolnění i pro civilní účely. Poté došlo k mohutnému rozšíření technologie GPS do všech oblastí lidské činnosti. Od roku 1996 je globální polohový systém na základě rozhodnutí prezidenta USA kontrolován vládním výborem IGEB (Interagency GPS Executive Board), jehož úkolem je sledování vývoje systému a jeho usměrňování v souladu se zájmy národní bezpečnosti. Kromě toho IGEB provádí i dohled na zajištění dostupnosti GPS pro celosvětové mírové využití (vědecké i komerční) a podporuje mezinárodní spolupráci v této oblasti.
Jak to vlastně funguje?
Systém GPS je tvořen třemi segmenty : kosmickým, řídícím a uživatelským.
Kosmický segment
Kosmický segment GPS představují družice umístěné na šesti kruhových drahách se sklonem 55° k rovině rovníku, vzdálené 20 190 km od povrchu Země a pohybující se rychlostí 11 300 km/h. Za jeden den uskuteční každá družice dva oběhy kolem Země (jeden oběh trvá 11 h 58 min), proto je další den na stejném místě oběžné dráhy vždy o 4 minuty dříve. Každá ze šesti drah má pět pozic pro umístění družic, z čehož plyne, že za současné konfigurace je maximální možný počet družic GPS na oběžné dráze roven počtu třiceti kusů. Pozice č. 5 je u každé dráhy záložní, k dosažení FOC (Full Operational Capability - plné operační způsobilosti) postačuje 24 funkčních družic.
Nejmodernější družice GPS v současnosti umístěné na oběžné dráze představují Bloky IIR a IIF. Výroba začala v roce 1997 a poslední družice typové řady IIR byla vypuštěna 6. listopadu 2004. Firmou Lockheed Martin bylo vyrobeno třináct družic, ale na oběžné dráze jich pracuje jen dvanáct. První družice byla ztracena při neúspěšném startu 17. ledna 1997. Životnost družic Bloku IIR byla plánována na 10 let, některé ze strojů ale úspěšně tuto hranici překonaly. Největší změny oproti předchozímu Bloku IIA jsou: zlepšení odstínění před kosmickým zářením, zvětšení zásob paliva pro raketové motory a přeprogramovatelný palubní počítač. Nejdůležitější je ale schopnost samostatného fungování družice bez zásahu z pozemního řídícího střediska. Družice Bloku IIR spolu dokáží komunikovat, sledovat svoje pozice a korigovat své dráhy. Tato schopnost však zatím nemůže být využita, protože všechny družice by musely být typu Blok IIR. Zatím je možno u Bloku IIR využít jen schopnost 180denního samostatného provozu bez provádění korekcí z pozemního řídícího centra, podobně jako u družic Bloku IIA. Družice Bloku IIR byly na oběžnou dráhu vyneseny raketou Delta II z letecké základny na mysu Canaveral. Na nejnovější družice bloku IIF získala v roce 1996 kontrakt firma Boeing-North American. Smlouva byla uzavřena na 30 kusů, životnost by měla dosáhnout 15 let.
Srdcem každé družice jsou velmi přesné atomové hodiny. Na palubě jsou troje až čtvery, s cesiovým nebo rubidiovým oscilátorem. Starají se o dlouhodobou frekvenční stabilitu vysílaného signálu. Tímto způsobem je vytvářena základní frekvence L pásma o hodnotě 10,23 MHz. Jejím vynásobením hodnotami 154 a 120 vznikají nosné frekvence signálů L1 = 1 575,42 MHz a L2 = 1 227,60 MHz. Nosná vlna je modulována fázovou modulací, tzn. že kdykoliv dojde ke změně vysílaného binárního kódu, posune se zároveň její fáze o polovinu vlnové délky. Pro modulaci nosné vlny se používá několik pseudonáhodných, tzv. PRN kódů. Tento kód moduluje nosnou vlnu signálu GPS a je pro každou družici jedinečný. Představiteli PRN kódů jsou například kódy C/A nebo P(Y), které zajišťují přijímači GPS jednoznačnou identifikaci družice vysílající daný kód.
C/A kód vzniká kombinací výstupů ze dvou registrů tak, že výsledná hodnota je výsledkem jejich binárního součtu. Je modulován pouze na nosné vlně L1 a není šifrován, čímž je umožněn jeho příjem i neautorizovaným uživatelům (autorizovaný uživatel má přístup k vojenským kódům GPS. Hlavně to jsou ozbrojené složky USA a jejich spojenců. V „bezpečných" zemích je přístup k vojenským kódům povolen i pro civilní geodetické účely). Horizontální přesnost určení polohy pomocí C/A kódu se pohybuje v řádech jednotek metrů. C/A kód je 1023 bitů dlouhý a je vysílán frekvencí 1 023 MHz, tzn., že je opakován každou tisícinu sekundy.
P kód je modulován na obou nosných vlnách L1, L2 a je určen pouze pro autorizované uživatele. Dvě frekvence používané k měření umožňují odstranění ionosférických a troposférických refrakcí, což zajišťuje velmi přesné určení polohy - geodetické přístroje GPS pracují s přesností v řádech milimetrů. Stejně jako C/A není P kód šifrován. Je vytvářen kombinací bitových sekvencí dvou registrů. První sekvence je opakována každou 1,5 s a vzhledem k frekvenci 10,23 MHz, má délku 1,5345×107 bitů, druhá sekvence je o 37 bitů delší. Jejich kombinací vzniká kód o délce 2,3547×1014 bitů a to určuje dobu opakování P kódu na přibližně 266,4 dne. Celá délka kódu je rozdělena na 37 částí. Každé družici je na jeden týden přidělena jedna z částí P kódu, čímž je docíleno rozdílných PRN kódů. Vždy o sobotní půlnoci, kdy pro GPS začíná nový týden, dochází zároveň i ke změně vysílané části kódu. Bez použití režimu A-S (AntiSpoofing je způsob ochrany vojenského P kódu GPS před případným podvržením nebo zneužitím nepřítelem) není P kód nijak šifrován a není tak zaručena jeho stoprocentní autentičnost a integrita. Z tohoto důvodu je režim A-S neustále zapnut a místo P kódu je vysílán šifrovaný Y kód. Klíčem k jeho rozluštění je W kód, podporovaný pouze v autorizovaných přístrojích, které z Y a W kódů vytvoří P kód použitelný pro navigaci. P kód tedy získáme pouze v případě, známe-li tajný W kód. S tím však pracují pouze vojenské přijímače.
Posledním typem kódu vysílaného družicemi je navigační zpráva. Obsahuje informace o telemetrii, dráze jednotlivých družic a nejrůznější korekční data. Je vysílána frekvencí 50 Hz, její délka je 1 500 bitů a skládá se z pěti částí (subframů), každé po 300 bitech. Jednotlivé subframy jsou tvořeny desítkou třicetibitových slov. První v každém subframu je telemetrické slovo TLM, nesoucí synchronizační vzor a diagnostické zprávy. Za ním následuje slovo HOW (hand-over word), které kromě identifikačních údajů subframu a nejrůznějších indikátorů nese i časovou hodnotu TOW (time of week) platnou pro začátak dalšího subframu. Hodnota TOW představuje počet časových úseků dlouhých 1,5 s uplynulých od začátku týdne GPS. Další slova jsou určena především pro navigační data, ale najdeme zde i nejrůznější vojenská data, kontrolní údaje, data o stavu družic, informace o stavu ionosféry a další údaje.
První subframe navigační zprávy obsahuje údaje o týdnu GPS, stavu družice (jinak také SV - Space Vehicle) a další parametry jako například odhad zpoždění vysílaného signálu nebo kontrolní údaje atomových hodin. Druhá a třetí část jsou vyhrazeny pro vysílání efemerid (Efemeridy jsou součásti navigační zprávy pro GPS obsahující velmi přesná data o poloze dané družice. Jsou vytvářeny Hlavním řídícím střediskem GPS, které je průběžně vypočítává na základě sledování drah družic pozemními stanicemi. Přibližně jednou za hodinu je aktualizované vysílá jednotlivým družicím, které je zahrnují do svých navigačních zpráv. Platnost efemerid trvá nanejvýše čtyři hodiny). Zatímco první tři subframy navigační zprávy jsou pro každou družici unikátní, data ze čtvrtého a pátého subframu jsou u všech družic stejná. Čtvrtý subframe je rezervován především pro vojenské údaje, kromě nich však obsahuje data o stavu ionosféry a provizorně i almanach (Almanach je jednou ze složek signálu GPS - součást navigační zprávy. Obsahuje méně přesná data o poloze družic GPS. Aktualizován je jednou za šest dnů. Všechny družice vysílají stejný almanach, který nese data o poloze všech družic GPS na oběžné dráze) nejnovějších družic, které přesahují počet tvořící FOC - Full Operational Capability (Plná operační způsobilost globálního polohového systému GPS). Ta byla vyhlášena 17. července 1995, po dosažení počtu 24 družic Bloku II a IIA na oběžné dráze a jejich důsledném testování. Poslední subframe navigační zprávy tvoří almanach pro nejdéle sloužících 24 družic.
Pro určení dvojrozměrné polohy (nejčastěji 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.
-100.jpg)
.webp)
