Co je GPS http://www.gpsweb.cz
GPS - Ing. Jiří Bain, provozovna Dukelská 38, 37001 České Budějovice, LAT 48° 58,021' N, LONG 14° 28,749' E (WGS 84), IČO 70665508, DIČ 077-5505070472, eBanka 343453001/2400, info@gpsweb.cz, +420 602814101. Mapa. Outlook-vizitkaVizitka. Stránka byla upravena 2.1.2003 8:24:12.

Zaujaly Vás možnosti navigace, nebo lokalizace s využitím GPS ? Pak je nejvyšší čas na
bezplatnou a nezávaznou praktickou ukázku !


GPS-NAVSTAR


Globální polohový systém GPS-NAVSTAR (Global Positioning System - NAVigation Satellite Timing and Ranging) je systém satelitivní navigace přístupný široké veřejnosti, umožňující určit velmi přesně polohu a rychlost v reálném čase.


GPS


Global Positioning System (GPS) je soustava družic patřící Spojeným státům, která celosvětově poskytuje 24 hodin denně vysoce přesné informace pro zjišťováni polohy a navigaci. Děje se tak pomocí dvaceti čtyř družic NAVSTAR GPS, které se pohybují na oběžné dráze asi 20 000 km nad zemí a vysílají nepřetržitě údaje o přesném čase a o své 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.

Družice GPS zná svoji polohu ve vesmíru a přijímač může stanovit svoji vzdálenost od družice změřením času, potřebného pro to, aby dorazil radiový signál z družice k přijímači. Po výpočtu relativní polohy k minimálně 3 a 4 měřeným družicím může zahájit přijímač GPS triangulaci. Družice GPS mají na palubě čtvery velmi přesné atomové hodiny a jsou na nich zároveň umístěny databáze stávajících a očekávaných poloh ostatních satelitů které jsou průběžně vzájemně aktualizovány. To umožňuje přijímači GSP po zaměření jedné družice získat všechny potřebné informace pro rychlé vyhledání dalších. Aby hodiny v GPS přijímači dosáhly stejné přesnosti, je z přijímaného signálu vypočítáván tzv. clock offset, který v kombinaci s velmi přesnými časovými značkami vysílanými z družic umožňuje přijímači zobrazovat čas s chybou menší než 1 mikrosekunda. Výkonný mikropočítač v GPS přijímači potom na základě srovnání vzdáleností od několika (min. 3) družic dokáže vypočítat polohu a zobrazit ji v různých formátech.

GPS byl původně vojenským systémem, vyvíjeným a budovaným od roku 1973 Ministerstvem obrany Spojených států. V průběhu let se systém dále vyvíjel a rozšiřoval a začátkem 90. let se stal plně funkčním a dostupným po celém světě. Potenciál a možnosti systému GPS ukázaly na rozšíření využití systému v mnoha oborech lidské činnosti. Kongres Spojených států schválil výnos o využití systému GPS i v civilní sféře.


Struktura systému


Kosmický segment

Z každého místa na Zemi je 24 hodin denně pozorovatelných 4-8 družic s elevací větší než 15 stupňů. Zřizovatel zaručuje, že minimálně 4 družice jsou pozorovatelné kdykoliv a odkukoliv. Celý systém má 24 družic (21 základních a 3 jsou aktivní rezervy). Družice jsou umístěny v šesti rovinách na téměř kruhových drahách ve výšce 20 200 km nad povrchem Země. Sklon k rovníku 55 stupňů, obězná 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.

Uživatelský segment

Tvoří jej uživatelské přijímače všech typů a přesností.

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.


Přesnost měření


Pro omezení zneužitelnosti systému na minimální úroveň (např. pro teroristické účely) a zabezpečení prvořadosti vojenských aplikací bylo až do 1.května 2000 provozováno několik opatření, m.j. - selektivní dostupnost (Selected Availibility) - záměrné zhoršování přesnosti určení polohy nebo zavedení tzv. přesného P/Y - kódu, kterým je šířen signál pouze pro vojenské aplikace. V součastné době je již záměrné zhoršování polohy vypnuté. Díky tomu se pro civilní uživatele téměř 10-ti násobně zvýšila přesnost určení polohy. Při zaměření dostatečného počtu satelitů bývá v praxi menší, než 10 m. Podrobnější pojednání obsahuje stať nazvaná Chyby systému GPS.


Co umí přijímač


V paměti přijímače jsou 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:

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:

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


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 používala do konce dubna 2000 režim tzv. Selective Availability - výběrová dostupnost. Spočívala 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.