Čo je GPS, globálny pozičný systém?

Je to ako s ohňom, ktorý je dobrý sluha, ale zlý pán. Aj mnohé vojenské technológie sa časom adaptujú na civilné použitie a prinášajú úžitok. Niekedy sa stanú takou samozrejmosťou, že si na ich pôvodné určenie ani nespomenieme. Tak je to aj s „dží-pí-es“.

Navigácia kam sa pozriete

To, čo dnes nazývame „navigáciou“ je v skutočnosti prijímač signálov družicového pozičného systému, vďaka ktorému dokážeme určiť polohu v 3D priestore.

Pozrite siS Garmin eTrex Touch 35 sa v prírode nestratíte

Prijímač stačí vybaviť výkonným mikropočítačom, grafikou a geodátami v podobe máp a dokážeme našu polohu úspešne využívať pri navigácii. Ďalšími aplikáciami je automatické monitorovanie pohybu vozidiel, lodí, zásielok, ale aj geodetické merania a podobne. A nezabúdajme na vojakov. Tí sa pomocou GPS nielen do cieľa dopravujú, ale aj úspešne triafajú.

https://www.youtube.com/watch?v=nkYvdSTbtMA

Prijímače sú však len posledným článkom reťazca tvoriaceho sofistikovaný systém. Kľúčovým prvkom GPS (Global Positioning System) je sústava družíc na obežnej dráhe a riadiace a koordinačné strediská na zemi. Hoci je americký systém GPS najrozšírenejší, nie je jediný.

Rusko využíva vlastný družicový pozičný systém GLONASS, ktorý sa začal budovať dokonca skôr ako GPS (dokončený však bol neskôr). EÚ pracuje na meškajúcom systéme Galileo, Čína má svoj navigačný systém BeiDou a India prevádzkuje vlastný regionálny navigačný systém IRNSS. Ten pokrýva indický subkontinent a okolie do vzdialenosti 1500 km.

Starý dobrý GPS

Tak, či onak, pre veľkú časť sveta je relevantný hlavne systém GPS, hoci moderné navigácie a dokonca aj niektoré smartfóny obsahujú aj prijímač pre systém GLONASS.

glonass-satelit
ZDROJ | Wikipedia

Satelit systému GLONASS.

Systém GPS nadviazal na americký systém GNSS Transit , ktorý fungoval v rokoch1964–1996. Jeho vývoj začal v roku 1973 a pôvodne sa nazýval NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System). Vypúšťanie družíc sa realizovalo vo viacerých etapách. V rokoch 1978-1985 bolo vypustených v 1. etape 11 družíc a v nasledujúcich rokoch postupne ich počet dosiahol 24.

Pozrite siGarmin Drive – viac, než navigácia

Keďže životnosť družíc 1. generácie bola len 7,5 roka, museli sa počas existencie systému viackrát obnovovať. Dnes je priemerná životnosť družice 10 rokov a obnova celého systému vyžaduje 20 rokov. Aj to sa zrejme zmení.

V roku 2008 uzavreli US Air Force s firmou Lockheed Martin kontrakt na dodávku 16 družíc bloku IIIA (majú štartovať od roku 2017) za 1,5 miliardy USD na a v roku 2010 na 12 družic bloku IIIB. Životnosť nových družíc by sa mala zvýšiť na 15 rokov.

gps-satelit
ZDROJ | Spaceflight Now

Satelit GPS v montážnej hale.

Keď v roku 1983 Sovieti zostrelili vo svojom vzdušnom priestore civilné lietadlo Korean Air Flight 007, Ronald Reagan rozhodol, že GPS bude po dokončení k dispozícii aj pre civilné účely. Plnú operačnú dostupnosť však GPS dosiahol až v roku 1994, kedy bolo na orbite 24 družíc NAVSTAR.

Keďže presné určovanie polohy má aj strategický význam, americká vláda vzhľadom na bezpečnosť štátu rozhodla o zavedení zvláštneho režimu prevádzky GPS. Takzvaný výberový prístup SA (Selective Availability) vnášal zámernú chybu do údajov o dráhe družíc, ako aj o čase a spôsoboval v bežných GPS prijímačoch nepresnosť.

Tento režim bol v roku 2000 zrušený a dnes dosahuje bežný GPS prijímač presnosť pod 10m.

Ako to funguje?

Družice GPS sú umiestnené na obežnej dráhe vo výške 20 350 km nad povrchom s dobou obehu  11 h 58 min. Na jednom mieste je v rovnakom čase viditeľných 8-12 družíc, pričom pre presné určenie polohy potrebuje prijímač zachytiť signál zo 4 družíc. Dráhy sú navzájom posunuté o 60° a na každej dráhe je v súčasnosti nepravidelne rozmiestnených 5-6 družíc.

https://www.youtube.com/watch?v=6XJDf8lunGk

Družica má na palube okrem presných atómových hodín aj mnoho špeciálnych komunikačných prístrojov a napríklad aj detektory na monitorovanie jadrových výbuchov. Energiu zabezpečujú solárne panely a na korekciu dráhy má aj zásobu paliva pre reaktívne motory.

Z pozemného riadiaceho centra dostáva družica údaje pre úpravu svojej dráhy (efemeridy) a posiela dáta o svojom stave. Kľúčom k určeniu polohy je presný čas a šírenie rádiového signálu od satelitu k prijímaču. Poloha satelitu ja známa a z času, ktorý uplynie od odoslania signálu (údaj je zakódovaný priamo v signále) po jeho príjem, sa dá vypočítať ich vzájomná vzdialenosť.

Vďaka veľmi presnému času (s presnosťou na nanosekundy) dokáže prijímač presne identifikovať smer, aj rýchlosť pohybu.

gps-glonass
ZDROJ | Garmin

Satelit vysiela dve nosné frekvencie L1 a L2 so signálmi obsahujúcimi pseudonáhodné kódy C/A, P a navigačnú správu. Bežné GPS prijímače pracujú len s C/A kódom. Satelit zároveň vysiela dve kvalitatívne odlišné informácie.

Na frekvencii L1 sa prenáša tzv. štandardná polohová služba (Standard Positioning Service,  SPS) a na frekvencii L2 presná polohová služba (Precise Positioning Service, PPS), určená špeciálnym používateľom, najmä armáde.

Pozrite siMitsubishi Electric vyvíja pozičný systém pre budovy. Nepotrebuje GPS

Výsledná poloha je hodnota, ktorú získa prijímač vyriešením sústavy 4 rovníc o 4 neznámych na základe údajov zo 4 družíc. V satelitoch vytvárajú presnú časovú základňu rubídiové a céziové atómové hodiny, problémom je však synchronizácia hodín satelitov a prijímača.

Okrem ionosférických porúch a odrazov od prekážok na zemi vstupujú do hry aj relativistické aspekty – kolísajúca gravitácia Zeme v rôznych miestach obežnej dráhy a dilatácia času kvôli rýchlosti družice.

Zlepšenie presnosti

Pre špeciálne aplikácie sa dá dosiahnuť extrémne vysoká presnosť GPS, rádovo desiatok až jednotiek centimetrov. Zvýšenie presnosti sa dá dosiahnuť okrem služby PPS aj pomocou takzvaného diferenčného GPS (DGPS). Jeho princíp spočíva v použití fixného GPS prijímača s presne geodeticky určenou polohou, ktorý predstavuje referenčnú stanicu (RS).

gps-smartfon
ZDROJ | WOOW.bike

Táto stanica meria svoju polohu voči všetkým viditeľným družiciam a namerané údaje porovnáva so svojou skutočnou známou polohou. Zistenú korekciu potom posiela samostatným komunikačným kanálom  ostatným (mobilným) GPS prijímačom. Tie si na základe dát z referenčnej stanice dokážu spresniť výpočty polohy získané zo signálov zo satelitov.

Presnosť určenia polohy sa tak výrazne zvýši, hoci so vzdialenosťou od RS postupne klesá. Diferenčné meranie malo väčší zmysel v časoch zavádzania zámernej chyby (SA), kedy bežné GPS dosahovalo presnosť 30 – 40 metrov.

Pozrite siVyznajte sa v smartfónoch – telekomunikačné a navigačné systémy

Pomocou DGPS sa dala docieliť presnosť  polohy na 3 – 10 metrov. Dnes, keď bežné GPS prijímače dosahujú presnosť asi 5 – 10 metrov, dokáže DGPS korigovať presnosť polohy na 1 až 3 metre.

Vzhľadom na potrebu referenčného prijímača a komunikačného kanálu na spojenie s mobilnými DGPS prijímačmi sa však táto metóda nehodí na určovanie polohy vo veľkých vzdialenostiach. Zlepšenie by mal pre Európanov priniesť systém Galileo, ktorý bude určený primárne na civilné účely.

Komentáre k článku