Úvod do geodézie

NAVSTAR

NAVSTAR GPS logoGlobal Positioning System (Globálny polohový systém), zvyčajne nazývaný GPS (armáda USA ho označuje ako NAVSTAR GPSNAVigation Signal for Timing And Ranging), je satelitný navigačný systém používaný na zistenie presnej pozície a poskytujúci veľmi presnú časovú referenciu takmer kdekoľvek na Zemi alebo zemskej orbite. Používa zostavu aspoň 24 satelitov na strednej zemskej orbite.

GPS Satellite NASA art-iifJe schopný poskytovať údaje o polohe nezávisle na počasí 24 hodín denne. Ide o pasívny družicový dĺžkomerný systém. Cieľom prevádzkovateľa tohto systému, Ministerstva obrany USA, pôvodne bolo, aby vojenské jednotky mohli presne určovať polohu, rýchlosť a čas v jednotnom referenčnom systéme. Z uvedeného vyplýva, že systém bol vyvíjaný najmä pre vojenské účely, ale americký kongres neskôr schválil jeho využitie s určitými obmedzeniami aj pre civilný sektor.

História GPS

História NAVSTAR GPSZa začiatok polohových družicových systémov môžeme považovať začiatok 60-tych rokov, keď memorandum ministerstva obrany USA poverilo vzdušné sily k zlúčeniu pokusných programov Timation a 621 B do programu označeného ako GPS NAVSTAR. Prvými elektronickými navigačnými systémami boli rádiomajáky. Keď sa vyvinuli umelé družice, tak sa začalo uvažovať, či by sa nedali použiť na vývin presnejších navigačných systémov. V 60-tych rokoch uviedli USA prvý takýto navigačný systém, ktorý dostal meno Transit. Ku koncu 60-tych rokov uviedol aj bývalý Sovietsky zväz do prevádzky svoj navigačný systém. Ten bol označovaný ako Cyklon. Dodnes sú používané ďalšie dva obdobné systémy – civilný 4 družicový s názvom Cikada a vojenský 6 družicový označovaný ako Parus (niekedy ako Cikada-M). Oba systémy majú rovnaké nevýhody. Súradnice poskytované týmito systémami sú len dvojrozmerné a určenie polohy je s presnosťou 500 m pri príjme signálu len z jednej družice a nepresný časový signál. Takéto navigačné systémy sa tiež nazývajú ako Dopplerovské.

GRAB 1 sitting atop Transit 2A during launch preparationsPo skúsenostiach s Dopplerovskými systémami sa na začiatku sedemdesiatych rokov USA rozhodli vybudovať nový družicový navigačný systém, ktorý by umožňoval určenie polohy v trojrozmernom priestore spolu s presným časom a umožnil by tak využívať družicovú navigáciu aj pre potreby letectva. 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:

1. Časť:

Prebiehala v rokoch 1973 – 1979 kedy bol systém v skúšobnej prevádzke. V tomto čase boli konštruované aj pokusné užívateľské zariadenia. Firmy Rockwell vypustila svoje prvé štyri družice v roku 1978 a tieto družice umožňovali trojrozmernú navigáciu po obmedzenú dobu aj to len na testovacom polygóne v Arizone (Yuma Proving Ground) alebo v jeho okolí. Družice tohto obdobia sa označujú ako družice bloku I, a bolo ich vypustených celkom 11.

2. Časť:

V tejto časti projektu sa budovala najmä komunikačná infraštruktúra a riadiace strediská. Firme Rockwell bola v roku 1980 pridelená objednávka na vývoj a výrobu 28-mich družíc bloku II

3. Časť:

Delta II 7925 NAVSTAR GPSPrvá z 28 družíc bloku II bola vypustená v roku 1989. Družice bloku I boli doplňované a postupne celkom nahradené družicami bloku II. Tým sa postupne rozširovali možnosti systému. Od roku 1993 je možné trojrozmerné určenie polohy na ľubovoľnom mieste na Zemi 24 hodín denne. Desiata až 28 družica sú označované ako družice bloku IIA. Týchto osemnásť družíc má modifikovanú pamäťovú jednotku, čo im umožňuje činnosť 108 dní bez kontaktu s riadiacim strediskom.

Ešte v roku 1989 vláda USA uzatvorila s firmou General Electrics kontrakt na rekonštrukciu a výrobu 20 zdokonalených družíc bloku IIR. Tieto družice môžu byť bez kontaktu s riadiacim strediskom až 180 dní pričom môžu medzi sebou komunikovať a zisťovať svoju polohu. Tento systém zabezpečuje rýchlejšie zistenie chyby na niektorej z družíc a zaslanie príslušnej správy bez kontaktu s riadiacim strediskom. Vypustením 35. družice 8. decembra 1993 bol dosiahnutý počiatočný operačný stav systému (IOCInitial Operational Capability). To znamenalo, že v systéme pracuje 21 navigačných a 3 aktívne záložné družice, ktoré poskytujú službu SPS a prevádzkovateľ je schopný oznámiť zmeny prevádzkového stavu užívateľom (civilným) 48 hodín vopred. Podmienkou pre dosiahnutie plného operačného stavu (FOCFull Operational Capability) bola činnosť 24 družíc bloku II. Táto podmienka bola splnená 3. marca 1994 a systém bol po dokončení všetkých potrebných testov uvedený do FOC. V tomto stave je až po dnešnú dobu.

Pôvodne bolo plánované, že družice budú obiehať na troch obežných dráhach so sklonom k polárnej rovine 63°. Tri obežné dráhy boli zvolené preto, aby k zaisteniu nepretržitého chodu celého systému stačili tri náhradné družice ktoré sú schopné kedykoľvek zaujať pozíciu poškodenej družice. Táto voľba obežných dráh mala zaručiť stálu viditeľnosť minimálne šiestych a maximálne jedenástich družíc pri prípustnom elevačnom uhle 5°. Tým mala byť zaistená maximálna robustnosť systému. V prípade potreby je však možné meniť dráhu obehu aj ostatných družíc. Záložné družice sú aj na Zemi a je ich možné vyslať na obežnú dráhu v priebehu dvoch dní. Doba obehu mala byť približne 11 h 58 min, čo sú skoro dva obehy za jeden siderický deň. To malo zaistiť periodický prechod nad riadiacou stanicou umiestnenou na území USA, ktorá komunikuje s družicami a prípadne koriguje ich obežné dráhy.

Neskôr bola prijatá nová koncepcia, sklon obežných dráh bol znížený na 55° a počet obežných dráh bol zvýšený na šesť so štyrmi družicami na každej z nich. Teda počet družíc ostal 24 len sa premiestnili na nové obežné dráhy.

Štruktúra GPS

Systém GPS je tvorený tromi zložkami:

  1. Kozmická
  2. Riadiaca
  3. Užívateľská

Porovnanie obežnej dráhy satelitovKozmická zložka GPS je tvorená sústavou družíc, rozmiestnených na šiestich obežných dráhach a vysielajúcich navigačné signály. Ako som už skôr spomenul, tento systém je tvorený 21 navigačnými družicami a tromi aktívne záložnými družicami. Tieto družice obiehajú vo výške 20 200 km nad Zemským povrchom a rovnakú vzájomnú polohu nad hocijakým určeným bodom nadobúdajú každých 11 h 58 min. Každá družica je vybavená prijímacou a vysielacou anténou, atómovými hodinami, palivom pre trysky 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). Dráhy GPS NAVSTARKaždá družica vysiela, prijíma, spracováva a uchováva informácie z a do pozemného riadiaceho centra, na základe ktorých môže meniť svoju dráhu obehu pomocou trysiek, alebo informovať riadiace centrum o svojom stave. Družice bloku II sú vybavené ochranou proti elektromagnetickému impulzu pri jadrovom výbuchu. Cena jednej družice je odhadovaná približne na 50 miliónov amerických dolárov, a každá družica váži okolo 900 kg.

Riadiace strediska NAVSTARRiadiaca 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 (MCSMaster Station Control) je umiestnená v opevnenom bunkri v Skalistých horách blízko leteckej základni 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.

Schéma fungovania GPSUžívateľská zložka je tvorená GPS prijímačmi, užívateľmi samotnými, vyhodnocovacími nástrojmi a postupmi potrebnými k vyhodnoteniu 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.

Fungovanie GPS

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. Hlavný 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. K neznámym súradniciam užívateľa pristupuje teda neznáma b a pre výpočet polohy potrebujeme celkom štyri rovnice:

b = c Dt (kde c je rýchlosť svetla)

(xi – x)2 + (yi – y)2 + (zi – z)2 = Di + b

Di = 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 k počiatku svojej časovej základni. Meraný čas tmi môže prepočítať na vzdialenosť Di, ktorá sa nazýva pseudovzdialenosť (pseudorange). Ak sa meranie uskutočňuje minimálne k štyrom družiciam, má zariadenie k dispozícii všetky veličiny potrebné pre riešenie sústavy rovníc, ktorých neznámymi sú súradnice (X, Y, Z) a posun Dt užívateľovej časovej základne vzhľadom k časovej základni družice.

Technické údaje o systéme

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 Radndom Noise).

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

L2 je modulovaná jedným šifrovaným kódom:

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

Služby SA, SPS a PPS

Určenie polohy pomocou systému GPS je veľmi presné aj pri použití jedného kanálu a kódu C/A. Vláda Spojených štátov vzhľadom na strategické záujmy a bezpečnosť štátu rozhodla o zavedení zvláštneho režimu prevádzky GPS – výberový prístup (SA – Selective Availability). Tento prístup spočíva v zámernom zhoršovaní presnosti merania vzdialenosti tým, že mení hodinovú frekvenciu signálu a efemeridy vo vysielanej navigačnej správe. Dôsledkom toho meraná pseudovzdialenosť nezodpovedala vzdialenosti užívateľa od družice a nezodpovedal ani posun jeho hodín vzhľadom k systémovým hodinám. Táto náhodná funkcia bola zavedená 25. 3. 1990 u všetkých družíc bloku II. Po rozsiahlych protestoch odbornej verejnosti však vláda USA svoje rozhodnutie o zavedení SA prehodnotila a dňom 1. 5. 2000 bol zvláštny režim výberového prístupu (Selective Availability) zrušený! Dosiahnuteľná presnosť GPS prijímačov v určení polohy je teraz 10 – 15 m. Už v začiatkoch budovania celého systému sa uvažovalo o využívaní toho systému nielen vojenskými, ale aj civilnými užívateľmi, a preto americká vláda a vývojári GPS hľadali rozumnú mieru obmedzenia prístupu civilných užívateľov, ktorá by zabezpečila prijateľné riziko zneužitia tohto systému ale pri tom by vo väčšej miere neobmedzila civilné využitie.

Nakoniec vláda USA rozdelila prístup do GPS systému pre autorizovaných a neautorizovaných užívateľov. Medzi autorizovaných užívateľov patria: armáda Spojených štátov, armády niektorých ďalších štátov NATO a vybraný civilný užívatelia. Títo užívatelia využívajú službu, ktorá sa označuje ako PPS – Precise Positioning Service (presná polohová služba). Táto služba obsahuje prístup k C/A kódu na nosnej frekvencii L1 a k P – kódu (Precision code) resp. Y – kódu (šifrovaný Pricision code) na frekvenciách L1 a L2 bez obmedzenia. K využívaniu tejto služby musí mať autorizovaný užívateľ špeciálny GPS prijímač, ktorý po zadaní hesla dokáže odstrániť umelú chybu SA a s spracovať a vyhodnotiť šifrovaný Y – kód.

Neautorizovaným užívateľom je poskytovaná štandardná polohová služba SPS – Standard Positioning Service. Táto služba v sebe zahŕňa iba prístup k C/A kódu a navigačným dátovým správam na nosnej frekvencii L1 a je nepretržite k dispozícii všetkým užívateľom GPS po celom svete.

Diferenčný GPS (DGPS)

Použitím diferenčej (rozdielovej) metódy merania sa dosiahne významného zvýšenia presnosti určovania polohy v reálnom čase. Vychádza sa pritom z poznatku, že rozdiely údajov nemeraných dvoma blízkymi GPS prijímačmi sú skreslené podstatne menšími chybami ako samotné merané údaje. To je spôsobené vysokou koreláciou (vzájomnou závislosťou) chýb oboch meraní. Signál sa šíri od družice k obom prijímačom po takmer totožnej dráhe, preto ionosférické a troposférické oneskorenie signálu je zhruba rovnaké. Podobne sa prejavia aj chyby efemerid družíc. Za nekorelované (nezávislé) môžeme považovať len chyby, ktoré spôsobujú samotné prijímače a mnohocestné šírenie signálu (rôzne rušenia, alebo odrazy od niektorých objektov). Z toho vyplýva, že za hlavný zdroj výslednej chyby pri meraní polohy pomocou diferenčného GPS môžeme považovať mnohocestné šírenie signálu.

Meranie polohy použitím DGPS je o niečo zložitejší proces ako pri GPS, pretože sú potrebné najmenej dva prijímače. Jeden prijímač je uložený stacionárne na vopred danej polohe, ktorá bola určená geodetickým meraním. Tento prijímač sa nazýva RS – referenčná stanica. Tento prijímač nepretržite uskutočňuje merania ku všetkým viditeľným družiciam. Tieto zmerané pseudovzdialenosti potom porovnáva s predpokladanými vzdialenosťami (údaje o svojej polohe) a ich rozdiely vysiela vlastným kanálom samostatným kanálom ku všetkým používateľom DGPS. Ostatné DGPS prijímačoch požívajú prijaté korekcie k oprave merania a tak sa podstatne zvyšuje 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.

Pridaj komentár

Vaša e-mailová adresa nebude zverejnená. Vyžadované polia sú označené *


× 5 = dvadsať päť

Môžete použiť tieto HTML značky a atribúty: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>