Co je GPS
GPS - Ing. Ji°φ Bain, provozovna Dukelskß 38, 37001 ╚eskΘ Bud∞jovice, LAT 48° 58,021' N, LONG 14° 28,749' E (WGS 84), I╚O 70665508, DI╚ 077-5505070472, Expandia banka 343453001/2400, info@gpsweb.cz, 0602/814101. Strßnka byla upravena 6.1.2002 22:36:38.
Zaujaly Vßs mo₧nosti navigace, nebo lokalizace s vyu₧itφm GPS ? Pak je nejvyÜÜφ Φas na
bezplatnou a nezßvaznou praktickou ukßzku !


GPS-NAVSTAR

Globßlnφ polohov² systΘm GPS-NAVSTAR (Global Positioning System - NAVigation Satellite Timing and Ranging) je systΘm satelitivnφ navigace p°φstupn² ÜirokΘ ve°ejnosti, umo₧≥ujφcφ urΦit velmi p°esn∞ polohu a rychlost v reßlnΘm Φase.


GPS

Global Positioning System (GPS) je soustava dru₧ic pat°φcφ Spojen²m stßt∙m, kterß celosv∞tov∞ poskytuje 24 hodin denn∞ vysoce p°esnΘ informace pro zjiÜ¥ovßni polohy a navigaci. D∞je se tak pomocφ dvaceti Φty° dru₧ic NAVSTAR GPS, kterΘ se pohybujφ na ob∞₧nΘ drßze asi 20 000 km nad zemφ a vysφlajφ nep°etr₧it∞ ·daje o p°esnΘm Φase a o svΘ poloze ve vesmφru. P°ijφmaΦ GPS na zemi (nebo nad nφ) sleduje t°i a₧ dvanßct dru₧ic a registruje vysφlanΘ informace. Z t∞chto ·daj∙ pak urΦφ p°esn∞ svoji vlastnφ polohu a zßrove≥ i to, jak²m sm∞rem a jakou rychlostφ se p°ijφmaΦ pohybuje.

Dru₧ice GPS znß svoji polohu ve vesmφru a p°ijφmaΦ m∙₧e stanovit svoji vzdßlenost od dru₧ice zm∞°enφm Φasu, pot°ebnΘho pro to, aby dorazil radiov² signßl z dru₧ice k p°ijφmaΦi. Po v²poΦtu relativnφ polohy k minimßln∞ 3 a 4 m∞°en²m dru₧icφm m∙₧e zahßjit p°ijφmaΦ GPS triangulaci. Dru₧ice GPS majφ na palub∞ Φtvery velmi p°esnΘ atomovΘ hodiny a jsou na nich zßrove≥ umφst∞ny databßze stßvajφcφch a oΦekßvan²ch poloh ostatnφch satelit∙ kterΘ jsou pr∙b∞₧n∞ vzßjemn∞ aktualizovßny. To umo₧≥uje p°ijφmaΦi GSP po zam∞°enφ jednΘ dru₧ice zφskat vÜechny pot°ebnΘ informace pro rychlΘ vyhledßnφ dalÜφch. Aby hodiny v GPS p°ijφmaΦi dosßhly stejnΘ p°esnosti, je z p°ijφmanΘho signßlu vypoΦφtßvßn tzv. clock offset, kter² v kombinaci s velmi p°esn²mi Φasov²mi znaΦkami vysφlan²mi z dru₧ic umo₧≥uje p°ijφmaΦi zobrazovat Φas s chybou menÜφ ne₧ 1 mikrosekunda. V²konn² mikropoΦφtaΦ v GPS p°ijφmaΦi potom na zßklad∞ srovnßnφ vzdßlenostφ od n∞kolika (min. 3) dru₧ic dokß₧e vypoΦφtat polohu a zobrazit ji v r∙zn²ch formßtech.

GPS byl p∙vodn∞ vojensk²m systΘmem, vyvφjen²m a budovan²m od roku 1973 Ministerstvem obrany Spojen²ch stßt∙. V pr∙b∞hu let se systΘm dßle vyvφjel a rozÜi°oval a zaΦßtkem 90. let se stal pln∞ funkΦnφm a dostupn²m po celΘm sv∞t∞. Potencißl a mo₧nosti systΘmu GPS ukßzaly na rozÜφ°enφ vyu₧itφ systΘmu v mnoha oborech lidskΘ Φinnosti. Kongres Spojen²ch stßt∙ schvßlil v²nos o vyu₧itφ systΘmu GPS i v civilnφ sfΘ°e.


Struktura systΘmu

Kosmick² segment

Z ka₧dΘho mφsta na Zemi je 24 hodin denn∞ pozorovateln²ch 4-8 dru₧ic s elevacφ v∞tÜφ ne₧ 15 stup≥∙. Z°izovatel zaruΦuje, ₧e minimßln∞ 4 dru₧ice jsou pozorovatelnΘ kdykoliv a odkukoliv. Cel² systΘm mß 24 dru₧ic (21 zßkladnφch a 3 jsou aktivnφ rezervy). Dru₧ice jsou umφst∞ny v Üesti rovinßch na tΘm∞° kruhov²ch drahßch ve v²Üce 20 200 km nad povrchem Zem∞. Sklon k rovnφku 55 stup≥∙, ob∞znß doba 12 hv∞zdn²ch hodin (11:58). Tzn., ₧e ze stejnΘho mφsta na Zemi je dru₧ice nßsledujφcφ den pozorovatelnß o 4 minuty d°φve. T°i rezervnφ dru₧ice majφ za°φdit, aby a₧ potΘ co 3 dru₧ice vypovφ slu₧bu bylo nutnΘ vypustit dalÜφ.

U₧ivatelsk² segment

Tvo°φ jej u₧ivatelskΘ p°ijφmaΦe vÜech typ∙ a p°esnostφ.

╪φdφcφ segment

Je umφst∞n v USA, sestßvß z hlavnφ °φdφcφ stanice a n∞kolika monitorovacφch stanic rozmφst∞n²ch po celΘm sv∞t∞. P°i ka₧dΘm pr∙letu dru₧ic nad t∞mito stanicemi jsou vyhodnoceny parametry jejich drah a vypoΦteny korekce, kterΘ jsou vyslßny zp∞t na danΘ dru₧ice a odtud do p°ijφmaΦe, kde dojde k aktualizaci ulo₧en²ch dat o dru₧icφch.


P°esnost m∞°enφ

Pro omezenφ zneu₧itelnosti systΘmu na minimßlnφ ·rove≥ (nap°. pro teroristickΘ ·Φely) a zabezpeΦenφ prvo°adosti vojensk²ch aplikacφ bylo a₧ do 1.kv∞tna 2000 provozovßno n∞kolik opat°enφ, m.j. - selektivnφ dostupnost (Selected Availibility) - zßm∞rnΘ zhorÜovßnφ p°esnosti urΦenφ polohy nebo zavedenφ tzv. p°esnΘho P/Y - k≤du, kter²m je Üφ°en signßl pouze pro vojenskΘ aplikace. V souΦastnΘ dob∞ je ji₧ zßm∞rnΘ zhorÜovßnφ polohy vypnutΘ. Dφky tomu se pro civilnφ u₧ivatele tΘm∞° 10-ti nßsobn∞ zv²Üila p°esnost urΦenφ polohy. P°i zam∞°enφ dostateΦnΘho poΦtu satelit∙ b²vß v praxi menÜφ, ne₧ 10 m. Podrobn∞jÜφ pojednßnφ obsahuje sta¥ nazvanß Chyby systΘmu GPS.


Co umφ p°ijφmaΦ

V pam∞ti p°ijφmaΦe jsou ulo₧ena data o drßze a pohybu vÜech dru₧ic systΘmu GPS (tzv. almanac). Tato data jsou jeÜt∞ minimßln∞ ka₧d²ch dvanßct hodin zp°es≥ovßna pomocφ korekcφ (efemeridy) stanoven²ch na zßklad∞ m∞°enφ na jednotliv²ch monitorovacφch pozemsk²ch stanicφch °φdφcφho segmentu systΘmu GPS. Ze vÜech t∞chto dat dokß₧e mikropoΦφtaΦ GPS p°ijφmaΦe spoΦφtat, a nßsledn∞ zobrazit na displeji, hodnoty zem∞pisnΘ polohy v mφst∞ antΘny p°ijφmaΦe, kterΘ m∙₧eme pak p°enΘst na mapu. Vyhodnocovßnφ pouze zem∞pisnß Üφ°ky a dΘlky se oznaΦuje jako 2D m≤d a kdy₧ se jeÜt∞ pot°ebnß v²Üka, tak se jednß o 3D m≤d. Hodnoty polohy jsou u v∞tÜiny GPS p°ijφmaΦ∙ ka₧dou jednu a₧ dv∞ sekundy pr∙b∞₧n∞ aktualizovßny. DalÜφmi ·daji je stanovenφ vzdßlenosti mezi dv∞ma vybran²mi zem∞pisn²mi body, nßm∞r skuteΦn² nebo kompasov² z aktußlnφ polohy k vybranΘmu bodu, rychlost a kurs nade dnem atd.

P°i p°esn∞jÜφch m∞°enφch s profesionßlnφmi p°ijφmaΦi a s pou₧itφm p°esn²ch efemerid lze ze systΘmu dostat nap°. parametry rotace Zem∞, pohyby p≤l∙, korekce Φasu apod.


Parametry signßl∙ dru₧ic GPS

Ka₧dß dru₧ice vysφlß signßly na dvou zßkladnφch frekvencφch:

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 nosnΘ vlny modulovanΘ k≤dy C(t), P(t) a navigaΦnφ zprßvou D(t). K≤dy a data nab²vajφ hodnot +1,-1 a jednß se tedy o modulaci s binßrnφm fßzov²m klφΦovßnφm (BPSK). Minimßlnφ v²kon signßlu GPS na v²stupu lineßrn∞ polarizovanΘ antΘny se ziskem 3dB bude na Zemi -160 dBW za p°edpokladu ztrßt v atmosfΘ°e 2dB a p°i chyb∞ sm∞rovßnφ dru₧ice 0,5 stupn∞. Minimßlnφ ·rove≥ signßlu zßvisφ na elevaci dru₧ice. Maximßlnφ hodnota signßlu nep°ekroΦφ -153 dBW (zdroj: GPS, SPS, Signal Specification, Washington, Department of  Defence, 1993).

   Data D(t) slou₧φ k p°enosu parametr∙ drah dru₧ic (efemerid) z nich₧ se v p°ijφmaΦφch urΦuje ploha dru₧ic (x,y,z). Efemeridy jsou dvojφho druhu:

   K≤dy C(t) a D(t) jsou pseunßhodnΘ posloupnosti Φφslic (+1/-1). K≤dy umo₧≥ujφ:


C/A k≤d

   Gold∙v k≤d. Jeho zßkladnφ vlastnostφ je ostrΘ minimum autokorelaΦnφ funkce zajiÜ¥ujφcφ m∞°enφ vzdßlenostφ. VzßjemnΘ korelaΦnφ funkce dvou r∙zn²ch k≤d∙ majφ malΘ hodnoty Φφm₧ je docφleno dobrΘ odd∞lenφ signßl∙ dru₧ic. Perioda k≤du je 1 ms a obsahuje 1023 bit∙ (bitovß rychlost 1,023 Mbit/s). Je tΘ₧ oznaΦovßn jako C/A k≤d - Coarse Acquisition (k≤d pro hrubΘ m∞°enφ). V p°ijφmaΦi jej lze generovat bez spoluprßce se sprßvcem systΘmu a je tedy p°φstupn² vÜem. Odtud plyne jinΘ vysv∞tlenφ C/A - Clear Access (voln² p°φstup). Jeho p°esnost v poloze ve vodorovnΘ rovin∞ Φinφ 53 m.
   Jeliko₧ je systΘm vojensk², p°esnost 53 m dostaΦujφcφ pro niΦenφ strategick²ch raket a proto vlßda USA pou₧φvala do konce dubna 2000 re₧im tzv. Selective Availability - v²b∞rovß dostupnost. SpoΦφvala v zßm∞rnΘm zhorÜovßnφ p°esnosti m∞°enφ manipulovßnφm se signßlem dru₧ic.


P k≤d

Je oznaΦovßn jako p°esn² k≤d (Precision nebo Protected). Jeho bitovß rychlost je desetinßsobnß oproti k≤du C/A a Φinφ 10,23 Mbit/s. K≤d P je pseudonßhodnß posloupnost maximßlnφ dΘlky s periodou p°ibli₧n∞ 266 dn∙ (23 017 555,5 s). Perioda obsahuje 235,46959.1012 bit∙, ale vyu₧φvß se z nφ pouze sedmidennφ Φßst. K≤d se nuluje do v²chozφho stavu o p∙lnoci ze soboty na ned∞li. RychlejÜφ a delÜφ P k≤d umo₧≥uje v∞tÜφ kmitoΦtovΘ rozprost°enφ signßlu a tudφ₧ i p°esn∞jÜφ m∞°enφ. Je tΘ₧ mo₧nΘ m∞°it na obou frekvencφch L1 a L2 a tφm podstatn∞ omezit vliv ionosfΘrickΘ refrakce (viz chyby systΘmu). Chyba m∞°enφ polohy v horizontßlnφ rovin∞ je maximßln∞ 21 m.


Y k≤d

Vzhledem k tomu, ₧e u₧itφm P k≤du lze urΦit polohu s p°esnostφ 3 m a lepÜφ byl algoritmus generovßnφ P k≤du utajovßn. Na poΦßtku 90. let byl algoritmus P k≤du uvoln∞n a publikovßn. Zneu₧itφ vysokΘ p°esnosti se vy°eÜilo p°ek≤dovßnφm P k≤du na Y k≤d, jeho₧ dek≤dovßnφ je mo₧nΘ pouze p°i znalosti Üifry dostupnΘ jen autorizovan²m u₧ivatel∙m. Zak≤dovßnφ je oznaΦovßno A-S (Anti-Spoofing). Tato ochrana znemo₧≥uje i imitovßnφ dru₧ice nep°φtelem. A-S byl zaveden 31.1.1994.