Systém používaný k navigaci a k určení současné pozice zařízení GPS kdekoliv na zemi a za jakéhokoliv počasí, s dostupností 24hodin/7dní v týdnu.
Skládá se ze tří částí:
1. Vesmírný segment: 24 satelitů putujících kolem země ve výšce 10 900 námořních mil (20 200) nad povrchem. Na 6 orbitálních drahách se pohybují 4 satelit, které obletí zemi v průběhu 12 hodin.
2. Kontrolní segment: Většinou bezobslužné monitorovací stanice umístěné ve světě, sledující a monitorující satelity (sledována je funkčnost satelitu, přesný čas a poloha). Hlavní stanice je umístěna na americké letecké základně v Coloradu.
3. Uživatelský segment: Přijímač signálu GPS vyhodnocující časový signál z několika satelitů současně, využívající triangulace (Triangulating) a umožňující určit velmi přesnou pozici, kde se zařízení nachází.
Princip:
Každý satelit obsahuje přesné atomové hodiny s maximální odchylkou 3 ns (0.000000003s) a vysílá signál putující rychlostí světla s informací o umístění satelitu a časem vyslání.
Z každého místa na zemi je obvykle viditelných 6 satelitů, přičemž přijímač obvykle vyhodnocuje signál ze 3 z těchto satelitů (při použití satelitů se určuje i nadmořská výška). Při vyhodnocení údajů o umístění satelitů, době šíření a vzdálenosti satelitů od přijímače je vyhodnocena aktuální poloha přijímače.
Rozsah využití je značný - od primárního k vojenským účelům až k určování cílů a navigaci. Je využíván v civilním sektoru pro určování polohy lodí, letadel. S využitím miniaturizace ho stále častěji můžeme najít v automobilech nebo malých osobních zařízeních pro různé využití.
První satelit GPS byl vypuštěn v roce 1978 a plného počtu 24 satelitů bylo dosaženo v květnu 1993. Původní označení NAVSTAR (Navigation System with Timing and Ranging) bylo nahrazeno označením GPS. Vynalezení a provozovaní spadá pod americké ministerstvo obrany (U.S. Department of Defense).
První GPS byly určené hlavně pro vojenské využití. Do roku 2000 byla pozice záměrně zkreslován až o stovky metrů pro civilní používání díky vkládání systémové proměnlivé chyby
SA (Selective Availability) od americké armády do signálu GPS. Chyba měla zamezit zneužití systému pro vojenské účely. Bez speciálních vojenských přijímačů GPS nebylo téměř možné určit přesnou polohu. Od
1.května 2000 bylo americkou vládou schváleno vypuštění této chyby a přesnost všech civilních GPS se automaticky zvýšila až 10x (ze stovek a desítek metrů se staly desítky nebo dokonce jednotky metrů).
S touto chybou souviselo příliš mnoho nevýhod:
1. Do nepovolaných rukou se dostávaly přesné přístroje a samotná armáda občas používala civilní verze GPS.
2. Přístroje byly drahé a nepřesné. 3. Přesné přístroje byly obvykle příliš velké. Pro docílení přesnosti se používalo DGPS - korekčního signálu z komerčních družic nebo pozemních vysílačů.
4. Nemožnost přesnější navigace pro letadla, lodě a automobily.
S odstraněním chyby a rozvojem komunikací a technologií přišly nové moderní přístroje, které jsou velmi malé, vynikají přesností a začínají být i cenově dostupné.
Spolehlivost GPS může být ovlivněna mnoha faktory. Nejčastějšími příčinami pro zkreslení signálu jsou:
Dlouhé podzemní tunely a podzemní prostory, četnost vysokých budov, velmi špatné počasí při silných bouřích a deštích, hluboká údolí a vysoké hory.
Přesnost může být zvýšena pomocí tzv. Diferenčního GPS. V závislosti na přístroji a signálu DGPS může být DGPS stále důležitým doplňkem GPS.
Používání DGPS se zdá být po vypuštění této chyby zbytečné, ale pro potřebu velmi přesného určení pozice je stále důležité. Používáno je například v U.S.Coast Guard.
Armáda se však nevzdala všech možností systému GPS úplně. Podle různých zdrojů pracuje armáda na možnostech omezení využívání GPS pro určité oblasti, aby tak zamezila možnosti zneužití k vojenským účelům.
GPS je rozděleno na vojenský a civilní systém: Precise Positioning Service (PPS) a Standard Positioning Service (SPS).
Standard Positioning Service (SPS) – Civilní verze GPS. K určování pozice je využíván primární satelitní signál L1 na frekvenci 1575.42 MHz modulovaný C/A kódem s navigačními daty. Průměrná odchylka se liší především v závislosti na typu přístroje a pozici umístění přístroje/pozici satelitů. Podle měřeních v roce 2000 se odchylka průměrně pohybovala od 5 do 16 m ve vertikálním směru (naměřeným maximem je 40m) a od 3 do 8m ve v horizontálním směru (max. 19m). Používání GPS je bezplatné hrazeno vládou USA, která dovoluje využívat
systém pro vojenské a civilní používání. Do budoucna je plánováno vylepšení a přidání dalších dvou frekvencí, kdy L2 bude možné využívat i pro civilní používání a přibude L5 (1176.45 MHz).
Precise Positioning Service (PPS) – Vojenská verze GPS určená pro armádní a autorizované uživatele. K určování pozice jsou využívány:
1. signál L1 a P-kód. 2. Sekundární satelitní signál
L2 na frekvenci 1227.60 MHz a modulovaný šifrovaným P-kódem (nazývaný jako Y-kód) s navigačními daty. Podle měřeních v roce 2000 se odchylka průměrně pohybovala od 1 do 4 m ve vertikálním směru (naměřeným maximem je 7m) a od 1 do 3m ve v horizontálním směru (max. 5m).
C/A kód – anglicky "Coarse Aacquisition Code" (kód pro hrubé měření) nebo "Clear
Access Code" (volně přístupný kód), také nazýván Goldův kód, modulovaný na GPS L1 signálu. Tento kód je sekvence 1023 pseudonáhodně generovaných binárních dvoufázových modulací na GPS signálu na frekvenci 1.023 MHz opakovaných každou 1 milisekundu. Tento kód byl vybrán díky svým dobrým měřícím schopnostem. Je také znám jako "civilian code" (civilní kód).
P kód - je označován jako přesný kód (anglicky "precise" nebo "precision") GPS signálu, používaný americkými a spojeneckými vojenskými přijímači. Je to dlouhá sekvence pseudonáhodně generovaných binárních dvoufázových modulací na GPS na frekvenci 10.23 MHz opakovaných každých zhruba 267 dní. Každý týdenní segment kódu je jedinečný pro daný satelit a je každý týden vynulován.
Každý satelit vysílá navigační zprávu na základě dat periodicky načítaných z kontrolního segmentu a vkládá tuto zprávu do C/A sekvence kódu na frekvenci 1.023 MHz.
Satelit moduluje výsledné sekvence kódu na 1575.42 Mhz L-banc, a tak vytváří signál, který je schopen zasáhnout široké spektrum, pak je vyslán k uživatelům. Toto vysílání je odkazováno na standard SPS. Každý C/A kód je jedinečný a obsahuje mechanismus, který umí identifikovat každý satelit v dané konstelaci.
Pseudo Random Noise (PRN) – binární sekvence, která se zdá být náhodná v daném časovém intervalu, dokud není zjištěn seznam změn konfigurace a výchozích podmínek pro generování sekvence. Každý satelit generuje jedinečnou PRN sekvenci. Všechny satelity GPS vysílají na stejných frekvencích. Pro jejich odlišení GPS přijímačem jsou v signálu z každého z nich umístěny speciální řetězce pseudonáhodných kódů.
Použití:
Chytré bomby: Přesné navádění raket a bomb pomocí GPS v rámci jednotek metrů (někdy je mluveno o cm). Možnou protizbraní, o které se diskutuje jako o neefektivní, je existence rušiček GPS (podle výkonnosti se obvykle odlišuje i jejich velikost – od přenosných v rozměrech od několika cm po mnohem větší).
Navigační přístroje pro automobily: Počítač s displejem LCD s napojením na GPS umí určit aktuální pozici auta a počítač s mapou pomáhá určit směr jízdy do stanoveného cílového bodu. Vyžadována poměrně přesná poloha s přesnosti na desítky metrů. Případné nepřesné údaje z GPS nebo jeho výpadek je řešen pomocí korekcí přes: 1. snímače rychlosti automobilu, 2. signály gyroskopu pro snímání směru 3. stažením údajů o rychlosti, směru a GPS na digitální mapu v počítači. Přesnost korekce je ovlivněna mnoha faktory: 1. nepřesná rychlost (ovlivňována přesností tachometru nebo i nahuštěním pneumatik), 2. způsobem jízdy (různé vybírání zatáček a předjíždění). V mnoha případech jsou GPS zabudovávány do automobilů nejen pro navigaci v automobilu, ale i jako součást bezpečnostních a sledovacích systémů pomáhajících ve sledování automobilů nebo jako ochrana před krádeží. Častěji je to ale řešeno přes systém AVL.
Vědecké: Zaznamenávání pohybů ledovců, sledování zvířat, přírody, určování polohy důležitých míst, sledování znečištění ovzduší v rozsáhlých oblastech, lokalizace nerostného bohatství (od vody v poušti až po ropné vrty v moři), vyznačování území nebo důležitých míst, usnadnění navigace v turistice.
Zabezpečení: Ochrana cenných věcí, především památek se zabudovanými moduly s GPS chránící památky před vývozem do cizích zemích. Bezpečnostní zařízení ověřující správnou polohu v kombinaci s nějakými dalšími prvky může například omezit vzdálený vstup do počítačového systému.
Turistika a cestování: Přijímače GPS jsou kromě aut, lodí a mobilních přístrojů už i v některých hodinkách. Kromě usnadnění navigace můžou zachraňovat i lidské životy nebo majetek. V některých dopravních prostředcích se začínají objevovat informační panely s lokalizací aktuálního umístění a odhadované doby zbývající k dosažení konkrétního cíle. Probíhá testování automatického řízení automobilů. Zde se kromě automatického řízení, které se zatím zdá obtížné uplatňovat, jedná o omezování rychlosti podle pozice v GPS. Automobil vybavený tímto systémem by měl mít omezovač rychlosti, který by podle aktuální pozice měnil maximální povolenou rychlost (otázkou zůstává možnost předjíždění a chuť řidičů tento systém používat).
Zajímavý je projekt pro využití PDA a GPS s PalmOS, viz adresa: http://www.pathaway.com/
Lokalizace: Kromě aut a všelijakých vozidel a věcí se zvažuje možnost lokalizace lidí a zvířat. Otázkou je možnost zneužití těchto informací a omezení soukromí. Možnost využití při ukládání kabelů, trubek nebo jiných věcí ukládaných do země, či míst, které je obtížné zpětně vyhledat. Při přírodních katastrofách je využíváno GPS k ohlašování škod, různých nebezpečí nebo k upřesnění pozice lidí. GPS bývají vybaveny některé požární sbory při boji s požáry a povodněmi.
Diferenční GPS: Při diferenčním GPS je zvýšena přesnost polohy až na jednotky metrů. Diferenční GPS odstraňuje: 1. Malou ale i přesto exitující nepřesnost atomových hodin jednotlivých satelitů. 2. Odchylky v pozici na orbitu. 3. Drobné zkreslení signálu při průchodu ionosférou.
Principem je využití korekčního signálu z komerčních družic (StarLink, OmniSTAR) nebo pozemních vysílačů. K využívání DGPS je potřeba přijímač signálu DGPS a dekodér. Většina těchto přístrojů je externích připojovaných ke GPS, někdy bývají integrovány v GPS, ale v porovnání s klasickými přenosnými GPS jsou obvykle rozměrnější a těžší. Princip: Referenční stanice v dané oblasti zná přesnou polohu své antény pro příjem a vysílání, přesnou polohu porovná s údajem o pozici z GPS. Rozdíl je korekce, kterou je vysílána s pomocí protokolu
RTCM.
Verze pro tisk |
Doporučit