Pár slov o Globálním Polohovém Systému - GPS

Popis systému GPS [3]

Systém GPS se definuje jako globální družicový radiový polohový a navigační systém. Tyto pojmy znamenají:

• navigační - systém sloužící k orientaci v prostoru
• globální - lze jej využívat po celé Zemi, 24 hodin denně
• radiový - k navigaci je používáno šíření radiových vln
• družicový - jako vysílače signálu je využíváno umělých družic okolo Země
• polohový - pomocí takového systému 1ze určit svou polohu v prostoru

Obecná struktura

Družicový polohový systém se skládá ze tři segmentů:

• kosmický
• řídící
• uživatelský

Kosmický segment

Kosmický segment představuje soustava umělých družic Země, které mají přesně definované oběžné dráhy. Jednotlivé segmenty se liší typem oběžných drah, výškou, sklonem a počtem oběžných drah, dále pak družicemi, jejich počtem a rozmístěním na oběžných drahách. Kosmický segment musí být postaven tak, aby co nejlépe plnil požadavky uživatelského segmentu, a přitom nepřesahoval limitní možnosti řídícího segmentu. U systému GPS jsou oběžné dráhy družic kruhové s výškou 20 200 km, sklon drah 55°. Doba oběhu jedné družice je jedna polovina siderického dne (přibližně l2 hodin). Oběžných drah bylo zvoleno šest, každé přísluší čtyři družice. Počet družic ve vesmíru, včetně rezervních je 24.

Plně obsazený kosmický segment počítá s tím, že bude ve vesmíru 24 družic. Z toho je 21 funkčních a tři jsou záložní. Kromě nich je počítáno i se čtyřmi družicemi, které jsou v pohotovostním stavu na Zemi a je možno je vypustit během 48 hodin. Oběžné dráhy družic jsou kruhové a svírají s rovníkem úhel přibližně 55 stupňů. Družice po této dráze oběhnou zemi za 11 hodin a 58 minut (polovina siderického dne). Oběžných drah je šest, každá je osazena čtyřmi družicemi. Teoreticky toto uspořádání garantuje viditelnost minimálně čtyř družic na kterémkoli místě na Zemi a to celých 24 hodin denně. U těchto družic je potřeba zhruba jednou ročně provést opravu jejich oběžných drah a dvakrát ročně doplnit plynové trubice pohánějící atomové hodiny. Jinak družice pracují nepřetržitě, dokud nedojde k zásadním poruchám a jejich následné náhradě. Důvodem nutnosti úprav oběžné dráhy jsou její změny způsobené nepravidelnostmi ve sluneční aktivitě, změny gravitačního pole Země atd.

Řídící segment

Jedná se o stanice na zemském povrchu. Ty provádí monitorování kosmického segmentu, jeho vyhodnocování a úpravy tak, aby plnil správně svou funkci. Jde především o sledování signálů družic vyhodnocování chování družic a určování parametrů jejich oběžných drah sledování a korekce hodin na družicích aktualizace parametrů vysílaných družicemi, manévry družic údržba družic koordinace a řízení celého systému.

Řídící segment spravuje celý systém GPS. Skládá se z pěti pozemních monitorovacích stanic (tři z nich jsou zároveň i vysílacími), které provádějí permanentní pozorování družíc kosmického segmentu. Kontrolují jejich oběžné dráhy a vysílají družicím zprávy o jejich změnách. Družice si na základě toho opraví tzv. navigační zprávu vysílanou uživatelům. Stanice se nacházejí na velkých vojenských základnách armády USA po celém světě (Havaj -monitorovací, Kwajalein -vysílací/monitorovací, Diego Grácía vysílací/monitorovací, Ascension -vysílací/monitorovací, Colorado Springs -zde je hlavní řídící stanice).

Dalším důležitým údajem, sledovaným řídícím segmentem, je palubní čas jednotlivých družic. Stanice ho monitorují a případně provedou korekci palubních hodin Tento systém je schopen předávat aktualizované údaje družicím až několikrát denně. Vlastní monitorovací stanice, kromě stanice hlavní, jsou bezobslužné. Tvoří je velice přesný GPS přijímač s vlastními atomovými hodinami, ten provádí neustálá měření na družice v jeho dosahu. Data jsou pak odesílána na hlavní stanici a tam se zpracovávají a vyhodnocují nové efemeridy družic a korekce hodin. Vysílací stanice je poté odešle zpět na příslušnou družici. Přesnost určených efemerid je přibližně 1,5 metru. Existují i zdlouhavější postupy schopné určit oběžné dráhy s přesností až 3 cm. Monitorovací stanice sledují družice po 92 % času.

Uživatelský segment

Uživatelský segment představuje veškeré technické vybavení umožňující zpracování signálů z družic GPS, technologické postupy měření a vyhodnocování prováděné uživateli.

Tvoří jej jednotlivé GPS přijímače, uživatelé a vyhodnocovací nástroje a postupy měření, usnadňující a rozšiřující možnosti využití polohového systému. Konkrétní podoba je vždy dána možnostmi jednotlivých uživatelů, technickými omezeními a možnostmi kosmického segmentu. Přijímače mohou provádět na základě přijatých signálů z družic předběžné výpočty polohy, rychlosti a času. Proto je vhodné použití: pro navigaci, určování polohy, zeměměřictví, určování přesného času, k výzkumným úkolům i pro jiné účely.

Navigace se uplatňuje především v řízení dopravních prostředků a v turistice. Pro přesná měření, využívaná geodety, je potřeba většinou dvou nebo více přijímačů. Dalším z využití jsou vědecké pokusy při sledování vlastností atmosféry či pohybu geologických útvarů a litosférických desek. V neposlední řadě mohou sloužit přijímače GPS jako zdroje velmi přesného času a kmitočtu pro různé potřeby jako je telekomunikace, energetika atd.

Postup při geodetických měřeních s GPS a plánování měření nejvíce se používá relativní způsob určování polohy ( 2 přijímače ) výsledkem je relativní poloha těchto přijímačů

GPS aplikace vhodné pro KN. Aplikace GPS v mapování

Historie vzniku systému GPS

Systém GPS byl původně vyvinut pro vojenské účely. Postupem času si však našel široké spektrum využití i v civilním sektoru. By1 zřízen a je spravován Ministerstvem obrany USA. Dnes má po světě miliony uživatelů. Popularitu mu získala především:

• globálnost systému - signály jsou dostupné po celé Zemi i v blízkém přilehlém kosmickém prostoru,
• relativně vysoká polohová přesnost (při použití speciálních postupů až řádově milimetry),
• relativně vysoká rychlost měření při zachování odpovídající polohově přesností,
• standardní služby systému GPS jsou bezplatné a dostupné komukoliv,
• systém lze využívat 24 hodin denně a za každého počasí,
• poloha v prostoru je určována třírozměrně,
• systém je schopen poskytovat relativně velmi přesný čas,

Družicová navigace se začala vyvíjet v 60. letech 20. století, nicméně vznik systému GPS je datován až od počátku let sedmdesátých. V té době započaly práce na projektu NAVSTAR-GPS. Projet proběhl v několika etapách.

Etapa první (1973 -1979)

Týkala se ověření základních předpokladů a principů systému. Pokusy byly prováděny na soustavě pozemních vysílačů simulujících budoucí družice. První skutečná družice pro ověření technologie byla vypuštěna pod názvem Timotion II (později byla přejmenována na NTS-1) l4.července 1974. V průběhu roku 1978 byly vyneseny na oběžnou dráhu čtyři tzv. vývojové družice Bloku I, postupně potom další. Celkový počet družic Bloku I dosáhl čísla 11.

Etapa druhá (1979 - 1985)

V této etapě byla budována pozemní řídící střediska systému GPS, zahájen vývoj družic Bloku II a byly testovány prototypy přijímačů signálů z družic.

Etapa třetí (1985 -1995)

Během této etapy byly vypouštěny další družice (celkem 29), první až desátá pod označením Blok II, další pod označením Blok IIA. Družice Bloku IIA byly zdokonalené, schopné pracovat až 180 dní bez zásahu řídícího střediska ze Země. Všechny tyto družice postupně zvyšovaly rozsah, výkon a spolehlivost systému GPS. Ovšem plného operačního stavu podle původních plánu, tedy obsazení oběžných drah kolem Země 24 plně funkčními družicemi, se dosáhlo až v roce 1993. Od června roku 1989 se pracovalo na dalším vývoji a výrobě družic Bloku IIR. Družice tohoto bloku komunikují mezi sebou a vzájemně určují vzdálenosti mezi sebou, čímž zlepšují parametry systému.

Etapa čtvrtá

Započala roku 1995 a trvá dodnes. První družice Bloku IIF byly vyráběny od roku 1995, zatím se příliš nevyužívají. V dnešní době se diskutuje o tom, jaké Konkrétní požadavky budou pokládané na družice Blok III. Zatím se stále používají náhradní družice Bloku IIR.

Přehledný souhrn družic používaných v GPS

• Timotion II (NTS-1) - atomové hodiny (rubidiové oscilátory)
• NTS-2 - cesiové hodiny, nebyla ještě standardní družicí GPS
• Blok I - cesiově hodiny, celkem vyrobeno 11 družic, jejich průměrná životnost dosáhla 8,76 roku. Na těchto družicích ještě nebyla aplikována tzv. selektivní dostupnost.
• Blok II + Blok IIA (z angl. advanced) - cesiové hodiny, celkem vyrobeno 29 družic, které byly vypouštěny s frekvencí 6 ročně. Na těchto družicích byla poprvé zavedena selektivní dostupnost (viz níže). Družice Bloku IIA jsou schopny pracovat až 180 dní nezávislé na řídícím segmentu. Jsou stále ještě v provozu a očekává se, že životnost přesáhne 10 let.
• Blok IIR (z anglického replenischment) - cesiové hodiny, vyráběny od roku 1997. Jsou vybaveny lepší protiradiační ochranou a mohou pracovat 14 dní bez komunikace s řídícím segmentem. Poté se mohou přepnout do auto navigačního módu a v něm pracovat až 180 dní. Tyto družice jsou již schopny měřit vzdá1enosti k ostatním družicím, a tak opravovat zprávy o svých parametrech oběžné dráhy.
• Blok IIF (z anglického follow) - zatím jich nebylo vyrobeno mnoho. Spekuluje se, že jejich výroba bude ukončena a urychlí se práce na družicích bloku III. Měly by přinést rozšíření nosných frekvencí na tři, C/A kód by měl být vysílán i na frekvenci L2, bude přidán speciální F-kód.
• Blok III - tyto družice jsou zatím ve fázi návrhů. Probíhá diskuse o tom, jaké na ně budou kladeny nároky a jak by měly zlepšit systém GPS.

---

Použitá literatura:

• [3] Vacek, M.: Diplomová práce 2003/2004, ZČU Fav Plzeň