GPS-NAVSTAR
GPS
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
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.
Tvoří jej uživatelské přijímače všech typů a přesností.
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
Co umí přijímač
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
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.