skripta GPS

ů:
• letectva,
• armády,
• námořnictva,
• pobřežní stráže,
• námořní pěchoty (US Marine Corps),
• obranné kartografické agentury (Defense Mapping Agency),
• států NATO a Austrálie.

GPS tvoří tři segmenty (části):
• kosmický,
• kontrolní,
• uživatelský.

Kosmický segment je tvořen družicemi umístěnými na oběžné dráze, kontrolní segment za‐
hrnuje pozemní řídící, monitorovací a vysílací stanice a uživatelský segment je vytvářen širo‐
kým spektrem přijímačů GPS, určených pro nejrůznější aplikace.



- 9 -

Obrázek 5: Tři segmenty GPS
Zdroj: http://www.google.com
3.2 Budování systému GPS
V prosinci roku 1973 obdržela JPO souhlas se zahájením prací na programu GPS NAVSTAR.
Práce byly rozděleny do tří fází.
Fáze první (1973 ‐ 79)
Byla ověřena koncepce systému, vypsáno výběrové řízení na jednotlivé komponenty systému
(družice, p‐ijíma8e, testovací polygon, řídící střediska). Byly vypuštěny první dvě družice NTS
(Navigation Technology Satellites). Obíhaly na nižších drahách a testovaly jednotlivé subsys‐
témy družic projektu.
První družice byla vyrobena firmou Rockwell a vypuštěna v únoru 1978. V prosinci téhož roku
byly k dispozici již 4 družice, bylo tedy možné určovat prostorovou polohu po omezenou do‐
bu a jen na testovacím polygonu v Arizoně (Yuma Proving Ground). Družice vypuštěné v prv‐
ní fázi se označují jako družice bloku I (nebo NDS). Vypuštěno jich bylo celkem 11 a s někte‐
rými z nich bylo dosaženo počátečního provozního stavu systému IOC (Initial Operational
Capability). Družice byly projektovány s životností 3 roky, některé sloužily i 10 let.
Fáze druhá (1979 ‐ 85)
Budovala se řídící a monitorovací střediska. V prosinci 1980 byla vybrána firma Rockwell pro
vývoj 28 družic bloku II. Pro vývoj armádního uživatelského zařízení byly vybrány firmy Mag‐
navox, Rockwell‐Collins, Texas Instrument a Teledyne. V závěrečných etapách této fáze byl
vývoj přijímačů svěřen firmám Rockwell‐Collins a Magnavox.
Fáze třetí (1985 ‐ 3. 3. 1994)
V únoru 1989 byla vypuštěna první družice bloku II. Družice bloku II nahrazovaly blok I a do‐
plňovaly systém na plánovaný stav. Třírozměrné určení polohy v libovolném místě na Zemi
po 24 hodin bylo možné od počátku roku 1993. Desátá (start 26. 11. 1990) až 28. Družice (6.


- 10 -
11. 1997) bloku II nesou označení blok IIA. Mají lepší paměť a umožňují pracovat 180 dní bez
kontaktu s řídícím střediskem (pro případ zničení řídícího centra ve válce). Životnost bloku II
(resp. IIA) byl plánována na 7,5 roku.
V červnu 1989 byl s firmou General Electric uzavřen kontrakt na konstrukci a výrobu 20 dru‐
žic bloku IIR (Replacement or Replenishment Operational Satellites). První start 17. 1. 1997
byl neúspěšný, další se již povedl (23. 7. 1997). Družice je v operačním nasazení od 31. 1.
1998.
Výhody těchto družic spočívají ve vzájemné komunikaci mezi družicemi, které si navzájem
sdělují svojí polohu. To umožňuje rychlé odhalení případné chybné polohy družice. Plánova‐
ná životnost je 10 let.
Po vypuštění 30 družice (8. 12. 1993) bylo dosaženo počátečního operačního stavu systému
(IOC). To znamená, že systém obsahuje 24 družic, které poskytují službu SPS (Standard Posi‐
tioning Service) a předpokládané změny jsou oznamovány 48 hodin předem.
3. 3. 1994 bylo v provozu 24 družic bloku II a systém byl uveden do činnosti. Plného operač‐
ního stavu FOC (Full Operational Capability) bylo dosaženo 27. 4. 1995 po důkladném testo‐
vání systému.

Původně byla technologie GPS využívána jen jako přesný vojenský lokalizační a navigační
prostředek (například pro sledování pozic vojenských jednotek, zaměřování cílů, atd.), v 80.
letech však americká vláda rozhodla o jeho uvolnění i pro civilní účely.
Od roku 1996 je globální polohový systém na základě rozhodnutí prezidenta USA kontrolo‐
ván vládním výborem IGEB (Interagency GPS Executive Board), jehož úkolem je sledování
vývoje globálního polohového systému a jeho směřování v souladu se zájmy národní bez‐
pečnosti. Kromě toho provádí i dohled na zajištění dostupnosti GPS pro celosvětové mírové
využití (vědecké i komerční) a podporuje mezinárodní spolupráci v této oblasti.
25. března 1990 vláda zavedla výběrový přístup SA (Selective Availability). Výběrový přístup
je způsob záměrné degradace přesnosti určení polohy pomocí systému GPS modifikací C/A
kódů. Po jeho zavedení poskytovala služba SPS, která je určena pro civilní uživatele, horizon‐
tální přesnost určení polohy 100 m (95%) a vertikální přesnost určení polohy 156 m (95%).
Kvůli velkému tlaku civilních uživatelů mohutně využívajících technologii GPS byl výběrový
přístup 2. května 2000 zrušen rozhodnutím prezidenta USA Billa Clintona. Přesto si Spojené
státy vyhrazují právo omezit sílu nebo přesnost signálu GPS, nebo dokonce veřejný přístup
zamezit úplně, aby v době války nemohl systém užívat nikdo kromě autorizovaných uživatelů
(Slavíček, str. 14).


- 11 -
4 Složení systému GPS NAVSTAR
4.1 Kosmický segment
Kosmický segment se skládá z minimálního počtu 24 družic. Skutečný počet družic je pro‐
měnlivý, neboť jsou vypouštěny stále nové generace družic a staré se ruší teprve podle jejich
aktuálního technického stavu.
Kosmický segment GPS představují družice umístěné na šesti téměř kruhových drahách (má‐
lo exentrické elipsy) se sklonem (inklinací) 55° k rovině rovníku, vzdálené 20 200 km od po‐
vrchu Země a pohybující se rychlostí 11 300 km·h
−1
.
Výběr tohoto sklonu dráhy 55° k rovině rovníku je výsledkem výpočtů astromechaniky. Pa‐
rametry drah družic se totiž s časem postupně mění a velikost časových změn těchto para‐
metrů jsou závislé na jejich počáteční velikosti. Lze dokázat, že právě pro sklon drah 55° je
dlouhodobá (tzv. sekulární) změna času průchodu perigeem nulová.
Za jeden hvězdný den uskuteční každá družice dva oběhy kolem Země (jeden oběh trvá
11 h 58 min), proto je další den na stejném místě oběžné dráhy vždy o 4 minuty dříve.

Obrázek 6: Rozmístění a dráhy 24 družic tvořících FOC
Zdroj: Peter H. Dana
V průběhu posledních let prošly družice systémů satelitních navigací celou řadou technických
změn. Asi nejdůležitější změnou je, že v družicích poslední generace je čas měřen pomocí
vodíkového maseru, takže měření času je o řád přesnější, než u jejich předchůdkyň.
Povinnou součástí vybavení každé družice je přijímač, vysílač, atomové hodiny, procesory a
celá řada ostatních přístrojů, které slouží nejen pro navigaci (např. detekci jaderných vý‐
buchů nebo slouží pro jiné vesměs vojenské účely). Družice také přijímá, uchovává a zpraco‐
vává informace předané pozemními anténami.
„Družice sleduje stav vlastních systémů, koriguje svoji dráhu raketovými motory a podává o
těchto skutečnostech informace do řídícího centra“ (Švábenský O., Fixel J., Weigel J., 1995,
s.5). Stabilizace družice na dráze je zajištěna setrvačníky, o dobíjení palubních baterií se sta‐


- 12 -
rají sluneční články (u družic systému NAVSTAR je plocha slunečních článků 7,25 m
2
). „Druži‐
ce vysílají signály pro uživatele v podobě složitého signálu, který je tvořen řadou koherent‐
ních kmitočtů“ (Švábenský O., Fixel J., Weigel J., 1995, s.5).
4.1.1 Modernizace družic
Od roku 1978 prošly družice GPS velkými změnami a rozsáhlou modernizací. V současnosti je
v provozu již třetí generace a další dvě jsou ve vývoji. Vývoj probíhal v tzv. blocích.
Blok I
• výrobce Rockwell International
• první družice vypuštěna v únoru 1978, poslední 1985
• počet atomových hodin 3
• celkem vypuštěno 10 družic (vyrobeno 11)
• plánovaná životnost 3‐4 roky‐ většina sloužila dvojnásobnou dobu
• poslední družice tohoto bloku dosloužila v roce 1995
• vysílané signály L1 s kódem C/A a P, L2 s kódem P

Obrázek 7: Družice systému NAVSTAR bloku I
Zdroj: http://en.wikipedia.org

Dne 18. prosince 1981 byla jedna družice při neúspěšném startu zničena. Inklinace dráhy
těchto družic byla 63°. Na palubě každé družice byla trojice atomových hodin – jedny
s cesiovým a dvoje s rubidiovým standardem. Plánovaná životnost byla 4,5 roku, ale většina
družic spolehlivě sloužila více než dvojnásobek této doby. Poslední družice Bloku I byla vyřa‐
zena z aktivní služby v listopadu 1995.

Blok II a IIa
• výrobce devíti družic bloku II a 19‐ti družic bloku IIa opět firma Rockwell International
• družice bloku II vypouštěny v letech 1989 – 1997 z letecké základny na mysu Canave‐
ral na Floridě raketou Delta II
• počet atomových hodin 4
• životnost 7 let
• rozdíl mezi blokem II a IIa je v délce práce bez zásahu pozemního střediska, která u
bloku II dosahuje 14 dnů a bloku IIa 180 dnů
• do dnešních dnů fungují na oběžné dráze 2 družice bloku II a 16 družic bloku IIa ‐ nej‐
starší dosud funkční družice byla vypuštěna v roce 1989


- 13 -
• vysílané signály L1 s kódem C/A a P, L2 s kódem P



Obrázek 8: Družice NAVSTAR bloku II
Zdroj:. http://www.gpsworld.org
Obrázek 9: Družice bloku IIA
Zdroj. http://www.gpsworld.org

Blok IIR
• výrobce General Electric
• vypuštěny v letech 1997 ‐ 2004 v počtu 12ks
• zlepšení spočívá hlavně ve vzájemné komunikaci družic ‐ předávají si navzájem svojí
polohu a korigují své dráhy tj. jsou schopny provozu bez pozemního řízení
• počet atomových hodin 3
• životnost 10 let
• současně v provozu 12
• vysílané signály L1 s kódem C/A a P, L2 s kódem P


Obrázek 10: Družice systému NAVSTAR bloku IIR
Zdroj: http://www.gpsy.com

Blok IIR‐M
• výrobce Lockheed Martin
• téměř identické s blokem IIR
• zvyšují výkon vysílacích signálů
• zavádějí kód M ‐ vojenský kód s lepšími šifrovacími způsoby


- 14 -
• kód pro civilní uživatele C/A bude nově vysílán i na frekvenci L2 což zpřesní výsledky
pro civilní sektor na 1‐3m (zpřesnění se dosáhne měřením C/A kódu na obou frekven‐
cích a tím lepším korekcí ionosférické refrakce)
• první družice vypuštěna v září 2005
• plné modernizace by mělo být dosaženo v letech 2010 ‐ 2014
• vysílané signály L1 s kódem C/A, P a M, L2 s kódem C/A, P a M

Největší změny oproti Bloku IIA jsou: opětovné zlepšení odstínění před kosmickým zářením,
zvětšení zásob paliva pro raketové motory a přeprogramovatelný palubní počítač. Družice
Bloku IIR byly na oběžnou dráhu vyneseny raketou Delta II z letecké základny na mysu Cana‐
veral.

Blok IIF

Obrázek 11: Družice systému NAVSTAR bloku IIF
Zdroj: http://msl.jpl.nasa.gov

• vývoj zajišťuje Boeing ‐ kontrakt na 33 družic
• plánovaná životnost 15 let
• vysílány budou všechny předchozí signály + zavedou novou civilní frekvenci L5
• budou obsahovat digitální atomové hodiny
• předpokládaný start vypouštění družic tohoto bloku je konec roku 2006







- 15 -
Blok III

Obrázek 12: Družice systému NAVSTAR bloku III
Zdroj: http://msl.jpl.nasa.gov
• plná operační schopnost by měla být dosažena po roce 2020
• důraz bude kladen na zesílení výkonu a šifrování vysílaných signálů, delší životnost a
spolehlivost
• návrhy družic zpracovávají firmy Boeing a Lockheed Martin
• první satelity by měly být vypuštěny v roce 2009

Podrobnější údaje o jednotlivých družicích jsou uvedeny v následující tabulce 1:
Blok I Blok II Blok IIA Blok IIR
Výrobce Rockwell Int. Rockwell Int. Rockwell Int. Lockheed Mar‐
tin
Vypuštění na oběžnou
dráhu
II/1978 –
X/1985
II/1989 –
X/1990
XI/1990 –
XI/1997
XI/1997 –
XI/2004
Vypuštěno ks 11 9 19 12
Hmotnost (při startu) 759 kg 1 816 kg 1 816 kg 2 032 kg
Plánovaná životnost 4,5 roku 7,3 roku 7,3 roku 10 let
V současnosti v provozu 0 2 16 12
Nosič na oběžnou dráhu Atlas E, F Delta II Delta II Delta II
Inklinace dráhy letu 63° 55° 55° 55°
Atomové hodiny 1×Cs, 2×Rb 2×Cs, 2×Rb 2×Cs, 2×Rb 3×Rb
Vysílací frekvence L1, L2 L1, L2 L1, L2 L1, L2
Funkčnost bez kontaktu
s OCS
3 – 4 dny 14 dní 180 dní > 180 dní


- 16 -


Obrázek 13: Raketa Delta II. Vynáší na oběžnou dráhu GPS
satelit Blok IIR‐15 (vlevo) a IIR‐15 (vpravo)
Zdroj: http://www.viewimages.com
4.2 Řídící segment
Řízení GPS tvoří soustava pěti monitorovacích stanic, tří pozemních vysílačů povelů a hlavní‐
ho řídicího střediska.
Monitorovací stanice jsou rozmístěny rovnoměrně podél rovníku: na Havajských ostrovech,
na atolu Kwajalein na Marshallových ostrovech v západním Tichomoří, na ostrově Ascension
ve středním Atlantiku, na ostrově Diego Garcia uprostřed Indického oceánu a v Colorado
Springs v USA. Pozemní vysílače jsou umístěny na ostrovech Ascension, Diego Garcia, na ato‐
lu Kwajalein a na Havaji.
Hlavní pozemní stanice se nachází na základně Falcon AFB v Coloradu, hlavní řídicí středisko
sídlí na Schrieverově letecké základně v Colorado Springs v Coloradu a celý systém je řízen z
ředitelství Navstar na letecké základně v Los Angeles.
Monitorovací stanice jsou vybaveny přesnými cesiovými normály a přijímači P kódu a vytvá‐
řejí síť pro určování palubních efemerid a pro modelování chodu družicových hodin. Monito‐


- 17 -
rovací stanice neustále přijímají signály z družic, uchovávají je a předávají do hlavní stanice
(Švábenský, str. 5).
V hlavní řídící stanici se zpracovávají telemetrické údaje a výsledky sledování pohybu družic
ze všech monitorovacích stanic a počítají se efemeridy družic a parametry družicových hodin.
Efemeridy slouží k navigaci v reálném čase (tzv. vysílané efemeridy). Zároveň se zde uchová‐
vá časový systém GPS, čas GPST.


Obrázek 14: Monitorovací stanice GPS
Zdroj: http://cs.wikipedia.org
Monitorovací stanice tvoří oficiální síť pro určování vysílaných efemerid a modelování chodu
družicových hodin.
Pozemní řídící stanice jsou vybaveny prostředky pro komunikaci se satelity a předávají jim
efemeridy a údaje o chodu jejich hodin, které byly vypočítány v hlavní řídící stanici. Rozmís‐
tění stanic umožňuje denně navázat tři spojení mezi každou družicí a pozemní anténou.
V současné době se tyto informace předávají jednou denně. Toto rozmístění stanic vyhovuje
požadavkům pro navigační systém, umožňující okamžité určování souřadnic stanice.
Řídící segment je dále zodpovědný i za nejrůznější provozní opatření, z nichž nejdůležitější
jsou správa a údržba stávajících družic (například změny oběžných drah a pozic družic, staho‐
vání vysloužilých družic z oběžné dráhy, aj.) a podílí se i na přípravě vypouštění nových dru‐
žic.
V současné době existuje několik pozemních civilních monitorovacích sítí, které ovšem
nejsou součástí systému NAVSTAR a ani žádného jiného a nepodílejí se na řízení a činnosti
systému, ovšem určují přesné efemeridy družic systému NAVSTAR. Jedná se především o síť
CIGNET (Cooperative International GPS Network), kterou provozuje národní geodetická služ‐
ba USA.
V roce 1992 byla zřízena Mezinárodní geodetickou asociací služba IGS (International GPS
service for Geodynamics), jejímž primárním úkolem je sledovat geodynamické jevy v Evropě.


- 18 -
Sekundárně služba zjišťuje přesné dráhy družic systému NAVSTAR a GLONASS, parametry
rotace Země, modely chodu družicových hodin a informace o stavu ionosféry. IGS je tvořena
sítí třiceti stanic rozmístěných po celé Zemi, které mají permanentní provoz. Data a měření
jsou předávána do datových center prostřednictvím sítě internet.
4.3 Uživatelský segment
4.3.1 GPS přijímač
Pro příjem a zpracování GPS signálů byly vyvinuty speciální přijímače. V současné době jich
existuje několik typů ‐ jednokanálové, vícekanálové a hybridní. Jednokanálový přijímač je
schopen zachytit a zpracovat signál jen z jedné družice, proto se po zachycení a zpracování
signálu a uložení informace z jedné družice přepne na druhou, přičemž doba nutná pro celý
tento proces je velmi malá (cca 20ms). U vícekanálových přijímačů je situace jiná, protože
pro každou družici mají vyčleněný samostatný fyzický kanál a tudíž mohou přijímat a zpraco‐
vávat signály z více družic najednou. „Hybridní přijímače sice obsahují více kanálů, avšak ne
v dostatečném množství, aby zajistily pro každou družici samostatný kanál, takže jsou nuceny
také přepínat mezi příjmem signálů z jednotlivých družic“ (Baueršíma I., 1983, str. 90).
GPS přijímač je tvořen anténou, radiofrekvenční jednotkou, mikroprocesorem, komunikační
jednotkou, pamětí a zdrojem napětí. Anténa je doplněna předzesilovačem, protože signály
GPS jsou slabé. Anténa je buď oddělena, nebo je spojena s přijímačem (Švábenský, str. 9).
Struktura GPS přijímače je zobrazena na obrázku č. 15.

Obrázek 15: Technické schéma GPS přijímače
Zdroj: Švábenský, 1995
Radiofrekvenční jednotka zpracovává přijaté signály na jedné nebo dvou frekvencích. Přijí‐
maný signál se porovnává s referenčním signálem. Signály se filtrují – časové údaje družice,
navigační zpráva, nemodulovaný nosný kmitočet.
Mikroprocesor řídí celý přijímací systém, umožňuje interaktivní komunikaci a programování
přijímače. Řeší navigační úlohu měřením pseudovzdáleností.


- 19 -
Křemenný oscilátor vytváří referenční signál.
Komunikační jednotka zajišťuje styk přijímače s uživatelem. Pomocí klávesnice se vkládají do
přijímače doplňkové informace.
Mezi nejsložitější typy GPS přijímačů patří přijímače letecké a námořní, které musí splňovat
velké nároky nejen na způsob ovládání a na uspořádání výstupního zobrazení, ale také na
mechanickou a klimatickou odolnost. Pro ostatní odvětví využití bývají přístroje konstrukčně
jednodušší.
4.3.2 Rozdělení GPS přijímačů
GPS přijímače se dají podle použití dělit na:
• navigační (vojenské i civilní),
• geodetické,
• přijímače pro časovou synchronizaci.
Geodetické GPS přijímače se používají na velmi přesné měření (mm) ve všech odvětvích ge-
odézie. Používají se drahé přijímače, které pro určení pseudovzdálenosti používají fázové
měření.

Obrázek 16: Geodetický GPS přijímač
Zdroj: http://www.takeit.cz
Na navigační GPS přijímače jsou kladeny různé nároky, co se týká jejich konstrukce, funkcí a
vlastností podle předpokládaného využití. Jedno z dělení navigačních GPS přijímačů je podle
oblasti využití:
• Turistika
• Cykloturistika
• Motorismus
• Námořnictví, loď
• Létání
• Multifunkční přístroje


- 20 -
Mezi důležité konstrukční parametry patří: hmotnost, rozměry a výdrž baterií.
Základními funkcemi navigačních GPS přijímačů potom jsou: zaměření polohy přijímače a
nadmořské výšky, zaměření okamžité, průměrné a maximální rychlosti pohybu, určení směru
pohybu a přesného času. Pokud je definovaný cíl trasy, přístroj počítá vzdálenost do cíle a
směr k němu, zbývající čas do cíle a čas dojezdu do cíle, příčnou odchylku od kurzu a odchyl‐
ku mezi směrem pohybu a směrem na cíl.





GPS do auta Outdoor Sport – běh Cykloturistika Námořní GPS
Obrázek 17: Ukázky navigačních GPS přijímačů
Zdroj: http://www.navigacegps.cz
Uvedené informace se mohou lišit v závislosti na typu přístroje. Nejčastěji jsou zobrazovány
na stránce trasového počítače.
Dalšími stránkami, které navigační GPS přijímače obsahují, jsou stránky mapové, satelitní,
navigační (kompasové) a stránky s nastavením základních funkcí.
Přehled základních stránek navigačního GPS přijímače:
Mapová stránka bývá používána nejčastěji, zejména u mapových modelů přijímačů. Zobrazu‐
je se zde aktuální pozice přijímače, uložené waypointy s názvy a prošlá či navigační trasa.
Satelitní stránka graficky znázorňuje počet satelitů, od kterých lze přijmout signál, a také sílu
signálu.
Navigační stránka má podobu digitálního kompasu. Určuje směr pohybu a ori