Globálny lokalizačný systém

Históriu družicových systémov môžeme začať datovať od začiatku 60. rokov, keď memorandom ministerstva obrany USA boli vzdušné sily poverené zlúčením pokusných programov Timation a 621B do programu označeného ako GPS NAVSTAR. Prvými elektronickými navigačnými systémami boli rádiomajáky. Po vynájdení umelých družíc sa začalo uvažovať, či by sa nedali pomocou nich vyvinúť presnejšie navigačné systémy. Prvý takýto navigačný systém uviedli do prevádzky USA v 60. rokoch a tento systém dostal meno Transit. Koncom 60. rokov aj bývalý Sovietsky zväz uviedol do prevádzky navigačný systém označovaný názvom Cyklon a dodnes sú používané ďalšie dva obdobné systémy – vojenský šesť družicový s názvom Parus (niekedy Cikada-M) a civilný 4 družicový s názvom Cikada. Oba systémy majú rovnaké nevýhody. Poskytujú len dvojrozmerné súradnice, určenie polohy je s presnosťou 500 m pri príjme signálu len z jednej družice a nepresný časový signál. Tieto navigačné systémy sa tiež nazývajú Dopplerovské.

Po skúsenostiach s Dopplerovskými systémami sa na začiatku 70. rokov USA rozhodli vybudovať nový družicový navigačný systém, ktorý by umožňoval určenie polohy v trojrozmernom priestore spolu s presným časom a sprístupnil by tak družicovú navigáciu aj letectvu. Od 17. decembra 1973 riadi rozvoj programu GPS spoločná programová skupina (Joint Program Office) kozmického oddelenia veliteľstva systémov vzdušných síl USA. JPO je zložená zo zástupcov letectva, námorníctva, armády, námornej pechoty, pobrežnej stráže, obrannej kartografickej agentúry, zástupcov štátov NATO a Austrálie. Práce na budovaní systému GPS NAVSTAR boli rozdelené do troch častí:

Systém GPS je tvorený tromi zložkami

1. Kozmická
2. Riadiaca
3. Užívateľská

Kozmická zložka GPS systému je tvorená sústavou družíc rozmiestnených na šiestich obežných dráhach vysielajúcich navigačné signály. GPS systém je tvorený 24 družicami, z ktorých je 21 navigačných a tri sú aktívne záložné. Družice obiehajú vo výške 20 200 km nad povrchom a rovnakú vzájomnú polohu nad daným bodom zopakujú za 11 h 58 min. Každá družica je vybavená prijímacou a vysielacou anténou, atómovými hodinami, palivom pre dýzy pohonu, akumulátormi, ktoré majú k dispozícii solárne panely s plochou 7,2 m² a radom ďalších prístrojov, ktoré slúžia pre navigáciu alebo iné špeciálne účely (napr. pre detekciu výbuchu jadrových náloží). Družica prijíma, spracováva, uchováva a vysiela informácie z/do pozemného riadiaceho centra, na základe ktorých môže korigovať svoju dráhu dýzami, alebo informuje o svojom stave riadiace centrum. Družice bloku II sú vybavené ochranou proti elektromagnetickému impulzu pri jadrovom výbuchu. Každá z družíc váži približne 900 kg a cena jednej je odhadovaná na približne 50 miliónov dolárov.

Riadiaca zložka je zodpovedná za plynulý chod celého systému. Táto zložka je tvorená systémom hlavnej riadiacej stanice, štyroch monitorovacích pozemných staníc umiestnených v rôznych častiach sveta a troch vysielacích staníc, ktoré komunikujú s družicami. Hlavná riadiaca stanica (MCS – Master Control Station) je umiestnená v opevnenom bunkri v Skalistých horách blízko leteckej základne Falcon v Colorade a má špeciálnu ochranu. Monitorovacie stanice pasívne sledujú družice, prijímajú ich dáta, a tieto predávajú MCS. Tu sú na základe prijatých dát vypočítané presné parametre obežných dráh (efemeridy) a korekcie hodín pre jednotlivé družice. Vysielacie stanice potom tieto parametre minimálne raz denne odovzdajú družiciam. Tie potom vysielajú pomocou rádiových signálov efemeridy svojich obežných dráh a presný čas užívateľom do GPS prijímačov.

Užívateľská zložka je tvorená GPS prijímačmi, užívateľmi samotnými, vyhodnocovacími nástrojmi a postupmi potrebnými na vyhodnotenie meraní. GPS prijímače vykonajú na základe prijatých signálov z družíc predbežné výpočty polohy, rýchlosti a času. Pre výpočet všetkých štyroch súradníc je potrebné prijímať signály aspoň zo štyroch družíc. Prijímače sa delia na jednokanálové a viackanálové. Jednokanálové prijímače sú vybavené len jedným vstupným kanálom, takže pri sledovaní viacerých družíc musia postupne prepínať tento vstupný kanál na jednotlivé družice. Viackanálové prijímače majú dostatočný počet vstupných kanálov, aby mohli súčasne sledovať všetky dostupné družice a tým zvyšovať presnosť výpočtu. Jednou zo základných úloh GPS je navigácia v trojrozmernom priestore. V poslednom čase nastal prudký rozvoj výroby GPS prijímačov v ručnom prevedení, ktorý by sa dal porovnať s rozvojom mobilnej komunikácie v posledných piatich rokoch.

To, čo sa deje v každom GPS prijímači by sme mohli opísať ako určovanie polohy meraného bodu z priesečníku guľových plôch, ktorých polomer je daný meranými vzdialenosťami. Tento systém sa nazýva tiež dĺžkomerný systém. Meranou veličinou je doba šírenia rádiového signálu z družicovej antény k anténe GPS prijímača tdi. Rýchlosť šírenia signálu je rovná rýchlosti svetla. Každá družica v navigačnej správe okrem iných údajov posiela aj parametre svojej dráhy (efemeridy) z ktorých vieme vypočítať aktuálnu polohu družice (XS, YS, ZS). Keď poznáme súradnice družíc, môžeme polohu užívateľa (X, Y, Z) určiť vypočítaním sústavy troch rovníc o troch neznámych. Problém merania polohy by bol jednoduchý, keby časové základne (hodiny) družice a užívateľa boli synchrónne. Hlavným problémom je doba, ktorá uplynie medzi vyslaním diaľkomerného signálu z GPS družice a jeho prijatím užívateľským GPS prijímačom. Časová základňa užívateľského zariadenia je posunutá o neznámy časový interval Dt, ktorý môžeme prepočítať na vzdialenosť b = c Dt (kde c je rýchlosť svetla). K neznámym súradniciam užívateľa pristupuje teda neznáma b a pre výpočet polohy potrebujeme celkom štyri rovnice

(x_i − x)² + (y_i − y)² + (z_i − z)² = (D_i + b)²

D_i = c tmi

i = 1, 2, 3, 4

Užívateľské GPS zariadenie generuje kópiu signálu vysielaného zvolenou družicou, túto kópiu zosynchronizuje s prijímaným signálom a meria posun tmi počiatku tejto kópie vzhľadom na počiatok svojej časovej základne. Meraný čas tmi môže prepočítať na vzdialenosť Di, ktorá sa nazýva pseudovzdialenosť (pseudorange). Ak sa meranie uskutočňuje minimálne k štyrom družiciam, máme k dispozícii všetky veličiny potrebné pre riešenie sústavy rovníc, ktorých neznámymi sú súradnice (X, Y, Z) a posun Dt užívateľovej časovej základne vzhľadom na časovú základňu družice.

Signály GPS družíc sú vysielané na dvoch nosných frekvenciách: L1 (1575,42 MHz, vlnová dĺžka 19 cm) – štandardný polohový systém L2 (1227,60 MHz, vlnová dĺžka 24 cm) – presný polohový systém

Frekvencie sú modulované týmito navigačnými kódmi: L1 je modulovaná dvoma pseudonáhodnými šumami (PRN – Pseudo Random Noise).

• hrubý/dostupný (C/A – Coarse/Acquistions code) určený je pre civilné prijímače a má šírku pásma 1,023 MHz. Do tohto kódu je umelo vnášaná chyba v dôsledku opatrenia označovaného ako selektívny prístup (SA – Selective Availability). Bližšie spomenutom v ďalšej kapitole.
• presný (P – Precision code) určený je pre civilné a vojenské prijímače a má šírku pásma 10,23 MHz.

L2 je modulovaná jedným šifrovaným kódom:

• Y-code určený je len pre vojenské prijímače. Je to vlastne šifrovaný Precision code.

Určenie polohy pomocou systému GPS je veľmi presné aj pri použití jedného kanálu a kódu C/A (Coarse/Acquistions). Americká vláda vzhľadom na strategické záujmy a bezpečnosť štátu rozhodla o zavedení zvláštneho režimu prevádzky GPS – výberový prístup (SA – Selective Availability). Výberový prístup spočíva v zámernom zhoršovaní presnosti merania vzdialenosti tým, že sa menila hodinová frekvencia signálu a efemeridy vo vysielanej navigačnej správe. Výsledkom toho meraná pseudovzdialenosť nezodpovedala vzdialenosti užívateľa od družice a nezodpovedal ani posun jeho hodín vzhľadom na systémové hodiny. Táto náhodná funkcia, ktorá zhoršovala presnosť merania, bola zavedená 25. marca 1990 u všetkých družíc bloku II. Po protestoch odbornej verejnosti však americká vláda prehodnotila svoje rozhodnutie o zavedení SA a 1. mája 2000 bol zvláštny režim výberového prístupu (Selective Availability) zrušený. Dosiahnuteľná presnosť GPS prijímačov v určení polohy je teraz 10 – 15 m.

Už od začiatku budovania celého systému sa uvažovalo o využívaní toho systému nielen vojenskými, ale aj civilnými užívateľmi. Preto sa hľadala rozumná miera obmedzenia prístupu civilných užívateľov, ktorá by zaistila prijateľne nízke riziko zneužitia celého systému, a pritom by podstatne neobmedzovala civilné využitie. Nakoniec sa rozhodlo o rozdelení prístupu pre autorizovaných a neautorizovaných užívateľov. Autorizovaný užívateľ je armáda Spojených štátov, armády niektorých ďalších štátov NATO a prípadne vybraný civilný užívateľ. Autorizovaní užívatelia využívajú službu s označením presná polohová služba (PPS – Precise Positioning Service). Táto služba pozostáva v prístupe k C/A kódu na nosnej frekvencii L1 a k P – kódu (Precision code) resp. Y – kódu (šifrovaný Precision code) na frekvenciách L1 a L2 bez obmedzenia. K využívaniu služby PPS musí byť autorizovaný užívateľ vybavený špeciálnym GPS prijímačom, ktorý po zadaní hesla dokáže eliminovať umelú chybu SA a spracovávať šifrovaný Y – kód. Neautorizovaným užívateľom je poskytovaná štandardná polohová služba (SPS – Standard Positioning Service). Táto služba pozostáva v prístupe k C/A kódu a navigačným dátovým správam na nosnej frekvencii L1 a je nepretržite k dispozícii všetkým užívateľom GPS po celom svete.

Použitím diferenčnej (rozdielovej) metódy merania sa dosiahne významného zvýšenia presnosti určovania polohy v reálnom čase. Vychádzame pri tom z poznatku, že diferencie údajov meraných dvoma blízkymi GPS prijímačmi sú zaťažené podstatne menšími chybami ako samotné namerané údaje. To je spôsobené vysokou koreláciou (vzájomnou závislosťou) chýb oboch meraní. Signál sa šíri od družice k obom prijímačom po skoro rovnakej dráhe, preto ionosférické a troposférické oneskorenie signálu je zhruba rovnaké. Podobne sa prejavia aj chyby efemerid družíc. Za nekorelované (nezávislé) môžeme považovať len chyby spôsobené samotnými prijímačmi a mnohocestným šírením signálu (rôzne odrazy od objektov, rušenia…). Mnohocestné šírenie potom môžeme považovať za hlavný faktor výslednej chyby diferenciálneho GPS. Meranie polohy pomocou DGPS je trochu zložitejšie ako pri GPS, pretože sú potrebné minimálne dva GPS prijímače. Jeden prijímač je umiestnený stacionárne na známej polohe, ktorá sa určila geodetickým meraním. Tento prijímač sa nazýva RS – referenčná stanica. Táto stanica neustále uskutočňuje merania ku všetkým viditeľným družiciam, zmerané pseudovzdialenosti porovnáva s predpokladanými hodnotami (údajmi o svojej polohe) a ich rozdiely vysiela vlastným samostatný kanálom k všetkým užívateľom DGPS. V prijímačoch ostatných DGPS užívateľov sa prijaté korekcie použijú k oprave merania a tak sa významne zvýši presnosť určenia ich polohy v reálnom čase. Korekčný údaj sa aktualizuje v intervale 1 až 15 sekúnd. Platnosť korekcií je v polomere 10 km centimetrová až decimetrová a v polomere 400 km je metrová. Formát opráv pre ich prenos bol navrhnutý v dokumente RTCM.

• Geocaching

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Globálny lokalizačný systém

• www.geoinformatika.sk Spravodajský portál slovenskej a českej geokomunity o geografických informáciach (GI), geoinformačných systémoch (GIS), geoinformačných technológiach (GIT), geovedách, (geo)informatizácii
• www.geodezia.org Nezávislý informačný portál o GIS, Geodézii, Kartografii, GNSS, NAVSTAR GPS, GLONASS, GALILEO a Geoinformáciach