Jak pracuje navigační systém GPS

Zkratka GPS pochází z angličtiny a znamená Global Positioning System. Budeme tomu věřit, i když nedávno jsem četl, že autorem zkratky je český génius Jára Cimrman. Svůj noční let balónem zakončil nešťastným přistáním na Slovensku a tehdy prohlásil „Gdě Prehoha Som?“. Ve skutečnosti se jedná o celosvětový družicový navigační systém, pomocí něhož lze určit přesnou geografickou polohu prakticky kdekoli na Zemi.

Systém GPS se začal plánovat v roce 1973 na Ministerstvu obrany USA a původně byl vyvinut – jak jinak – pro vojenské využití. Projekt byl původně představen pod označením Navstar (Navigation System with Timing and Ranging), později se přešlo na zkratku GPS. Časem se ukázalo mnoho možných využití GPS i v civilním sektoru a proto byl uvolněn i pro běžné použití. První družice byla vypuštěna v roce 1978. Postupně se systém stále více rozšiřoval a do globální celosvětové podoby se dostal v roce 1995. Jen pro zajímavost: uvádí se, že vybudování systému GPS přišlo americké Ministerstvo obrany na více než dvanáct miliard dolarů.

Satelity hovoří, terminály naslouchají

Kosmickou část systému GPS tvoří družice o hmotnosti 775 kg, které obíhají ve výšce 20 350 km nad Zemí na šesti oběžných drahách. Oběžné dráhy satelitů se od sebe vzájemně odklánějí o 60 stupňů. Na jedné oběžné dráze se pohybuje čtyři až pět družic. Ve skutečnosti obíhá kolem Země zhruba 30 družic, ale současně aktivních je obvykle 24, ostatní jsou vždy záložní. Projít celou oběžnou dráhu zabere satelitu přesně 12 hodin. To znamená, že konfigurace družic na obloze se neustále mění, ale stejné rozmístění se vždy dvakrát denně opakuje. Z jednoho místa na Zemi bývá v přímé viditelnosti antény přijímače 6 až 12 družic.

Takhle vypadají družice systému GPS

GPS GPS GPS

Systém GPS pracuje pouze jednosměrně, tedy družice vysílají a pozemské stanice přijímají. Pro přenos signálů družic jsou vyhrazeny dva kmitočty: první s hodnotou 1575,42 MHz a s označením L1 a druhý pak na 1227,60 MHz s označením L2. Signál je modulován kódovou posloupností, podle ní přijímač jednotlivé satelity dokáže rozlišit. Na kanálu L1 se používá kód C/A (Coarse Acquisition) a současně i kód P. Kódová posloupnost P-code se používá pro vojenské účely a pomocí ní je také zakódován kanál L2. Každá z družic vysílá současně na obou kanálech, ale běžné přijímače pracují pouze s kanálem L1. Druhý kanál L2 se používá současně s L1 pro velmi přesná měření.

Jak vzniká signál pro oba kanály GPS je naznačeno na následujícím obrázku. Kódová posloupnost C/A popř. P datový signál nejprve rozprostře a takto upravený signál se pak modulací posune na nosnou vlnu o patřičné frekvenci. Na obrázku vedle je pak naznačeno, jaká data a v jakých časových intervalech se v systému GPS vysílají. Jedna zpráva se dělí do 25 rámců o celkovém trvání 12,5 min. Rámec o celkové délce 1 500 bitů (30 sekund) se skládá z pěti subrámců délky 300 bitů. Data se vysílají rychlostí 50 Hz.

Vznik signálu GPS • datové rámce GPS

GPS GPS

Každý satelit posílá také zprávu o své poloze vyjádřenou tzv. efemeridou, což je astronomické přesné určení polohy kosmického tělesa v určitém čase, přesný údaj o čase, dále odhad zpoždění signálu v ionosféře a ještě celou řadu dalších údajů. Mimoto vysílají satelity tzv. almanac, což je vlastně databáze dalších satelitních stanic.

Tuto databázi si přijímač GPS uloží do paměti ihned po přihlášení a dále si ji aktualizuje. V databázi jsou uloženy kódy okolních satelitů a i jejich přibližná poloha, z níž si přijímač umí odhadnout, kdy se zhruba mohou objevit na horizontu. Několik nejbližších kódů si pak přijímač ponechá jako aktuální a každý přijatý signál GPS s nimi porovnává. Činí tak prostřednictvím matematické operace zvané autokorelace a posouváním posloupností o jednotlivé bity vpřed či vzad. Pokud se signál nějaké družice shoduje s uloženým kódem, přijímač se na něj takzvaně zamkne. Princip je naznačen na obrázku níže. Při synchronizaci obou signálů pak přijímač dokáže spočítat dobu cesty signálu od družice.

Synchronizace signálu přijímače a družice

GPS

Jedna koule, druhá koule

Samotný princip určení polohy je docela jednoduchý. Přijímač si nejprve vypočte vzdálenost, která jej dělí od několika okolních družic, a to z doby cesty signálu a z rychlosti světla včetně započítání vlivů atmosféry. Princip přesného určení polohy je naznačen na obrázku níže. Pokud tedy zná přijímač zatím jen vzdálenost k jedné z družic, předpokládá dle pravidel geometrie, že sám leží někde na plášti koule s poloměrem rovným dané vzdálenosti, jejíž střed tvoří daná družice, na obrázku např. koule A. Pokud ale zná vzdálenost i k jinému satelitu, např. B, může vypočíst průnik povrchů koule, což je už jen kružnice. Se třetí koulí se možnost polohy zúží pouze na dva body, přičemž jeden z nich leží buď vysoko v prostoru nebo hluboko v Zemi a může se škrtnou. Je hotovo.

Ilustrace principu trilaterace

GPS

Tomuto postupu se říká trilaterace. V praxi je situace oproti modelovému příkladu složitější, protože s měřením a počítáním vzdáleností vznikají nepřesnosti. Proto se k určení polohy používá vždy nejméně čtyř družic. Chyby mohou vzniknout jednak odchýlením se od skutečné hodnoty rychlosti šíření signálu atmosférou, ale také samotnou družicí, pokud pošle nesprávné či nepřesné údaje. Aby se tomu zamezilo, má každá z družic své vlastní přesné atomové hodiny. Na správnou polohu družic dohlíží také pozemní řídicí systém, který polohu a pohyb družic sleduje a koriguje.

Rozmístění pozemních řídicích stanic

GPS

Pozemní systém je tvořen celkem pěti monitorovacími základnami, z nichž tři mají také anténní systémy pro vysílání směrem k satelitům. Hlavní stanici a ostatní stanice najdete na mapce výše. Na dalších obrázcích je pak ukázka, jak taková pozemní anténa pro vysílání směrem k družicím může vypadat. Běžná přesnost GPS se při standardních podmínkách a dobrém signálu obvykle vejde do řádu deseti metrů. Nebylo tomu tak ale vždy. Do roku 2000 bylo u GPS zapnuto umělé znepřesnění pomocí mechanizmu zvaného SA, to kvůli nepřátelům, kteří by mohli GPS zneužít proti NATO.

Antény základen pro spojení s družicemi

GPS GPS GPS

Signál GPS je velice slabý. Jeho úroveň se v blízkosti Země pohybuje v řádech deset na mínus šestnáctou wattů. Jen pro přibližnou představu, v literatuře se taková energie přirovnává k úrovni světelného záření žárovky 25 W pozorovaného ze vzdálenosti 11 000 mil. Takový slabý signál je utopen hluboko v lokálním elektromagnetickém rušení, což ale není na závadu díky systému rozprostřeného spektra, jež dovoluje restaurovat i podobně zarušený signál. Tato koncepce má svůj původ v období studené války, kdy se USA snažily systém skrýt před tehdejším ruským protivníkem. Další důvod je také omezený přísun elektrické energie, kterou družice čerpají ze solárních panelů. Nevýhodou pro uživatele je však to, že přijímač GPS si žádá nejlépe přímou viditelnost na oblohu. Slabý signál je špatně dostupný v budovách a podléhá atmosférickým vlivům.

Konkurence je potřeba

Systém GPS pochopitelně není jediný a sám, proto se v krátkosti podívejme i na konkurenční systémy. V době napjatých vztahů mezi východem a západem si východní blok vybudoval v osmdesátých letech svůj vlastní satelitní navigační systém, který i dnes stále běží. Systém se jmenuje GLONASS a je provozován ruským ministerstvem obrany. GLONASS má 24 satelitů na třech drahách odkloněných o 120 stupňů, umístěných ve výšce 19100 km. Více si o systému GLONASS můžete přečíst třeba zde.

Protože GPS spadá pod správu Ministerstva obrany USA, které má také rozhodující slovo v tom, co se systémem bude, je logické, že Evropa chce mít také svůj samostatný systém, který by vlivu USA nepodléhal. Takovým systémem se má stát Galileo. Bude využívat třiceti satelitů, které budou vždy po deseti rozmístěny na třech oběžných drahách. Projekt Galileo, jako historicky největší evropský průmyslový projekt, je společnou iniciativou Evropské komise (EC) a Evropské kosmické agentury (ESA). Program nyní přechází z fáze vývoje a ověřování, jež byla plánována pro období 2001–2005, do fáze zavádění. Bude tedy následovat postupné vypouštění zbývajících družic na oběžnou dráhu a zároveň se bude dokončovat pozemní infrastruktura. Provoz by měl být podle harmonogramu zahájen v roce 2008.

Družice systému Galileo • oběžné dráhy

GPS GPS GPS

Více se o projektu Galileo dočtete na stránkách Evropské komise a Evropské kosmické agentury. Po jednáních s USA bylo dosaženo dohody o kompatibilitě systému Galileo s GPS, což je velmi pozitivní a chvályhodný počin. Předpokládané využití systému Galileo se týká především sektoru dopravy, ale své uplatnění najde i jinde, např. u měřicích systémů.

Originál: Jaroslav Snášel (MobilMania 21.10.2005)

Vytisknout stránku Vytisknout stránkupublikováno 26. 11. 2005, zobrazeno 2352x, dnes 2x
Hodnocení0.0 (0)

Komentáře (0)

Zatím zde není žádný komentář.
CalmCube2 CMS · Webdesign Michal Škrabálek
RSSVytisknout stránku · Mapa stránek · © 2013 - 2018 Yacht Baharis