SLOVAK AMATEUR RADIO STATION

Čo je GPS?


 
GPS – globálny družicový navigačný systém slúži pre určenie okamžitej polohy a času. Vyznačuje sa vysokou presnosťou, možnosťou pracovať kdekoľvek na Zemi a nezávislosťou na počasí a dennej či nočnej dobe. Významným rysom systému je tiež podpora práce v spoločnom systéme súradníc pre celú Zem. GPS tvoria tri segmenty.

Kozmický segment (space segment) dnes predstavuje 27 satelitov (z toho 3 záložné), rovnomerne rozmiestnených na 6 dráhach vzájomne otočených o 60 stupňov vo výške okolo 20 000 km. Družice vysielajú signál na dvoch frekvenciách - L1 (1575.42 MHz) a L2 (1227.62 MHz). Tieto frekvencie sú zvolené zámerne, aby boli odolné voči meteorologickým podmienkam. Signál sa skladá z niekoľkých zložiek – dvoch pseudonáhodných kódov (C/A kód a P kód) a navigačnej správy, ktorá nesie dôležité informácie o polohe družice, jej stave, a podobne. Pre civilných užívateľov je určený hrubší C/A kód (Coarse Acquisition) s bitovou rýchlosťou 1.023 Mb/s, ktorý je dostupný iba na frekvencií L1. Presnejší P kód (Precision alebo tiež Protected) umožňuje merať vzdialenosť užívateľ - družica s vyššou presnosťou vďaka vyššej bitovej rýchlosti (10.23 Mb/s) a možnosti merania na oboch frekvenciách.
Podľa simulácie v programe Orbitron pre miesto pozorovania Trnava môže byť v jednom okamihu na pologuli nad miestom pozorovania "viditeľných" od 9 do 14 družíc. Je to v rozsahu elevácie od 0 do 90 stupňov, teda od horizontu po zenit. Sú v tom zarátané aj družice, pohybujúce sa na úrovni horizontu, ktoré sú viditeľné iba teoreticky, pretože ich tieni okolitý terén.

Riadiaca zložka (control segment) zabezpečuje bezproblémovú prevádzku celého systému – jeho sledovanie, predávanie povelov, aktuálnych informácií o chode hodín a efemeridách družíc.

Užívateľský segment (user segment) je zložkou, ktorú predstavujú prijímače GPS.

Princíp určenia polohy je veľmi jednoduchý, ale technická realizácia bola veľmi náročná. Systém GPS je pasivnym diaľkomerným systémom, teda sám GPS prístroj je iba prijímačom, nič nevysiela. Prístroj prijíma signál z jednotlivých družíc, ktoré vidí na oblohe spolu s navigačnou správou obsahujúcou parametre dráhy družice a ďalšie užitočné informácie pre určenie polohy a sledovanie stavu systému. Z týchto informácií je schopný vypočítať približnú vzdialenosť užívateľ - družica. Pre výpočet polohy stačí príjem signálu minimálne z troch družíc, ak chceme poznať i výšku, potom zo štyroch družíc. Veľmi jednoducho si možno celú situáciu predstaviť priestorovým premietaním. Určujú sa vzdialenosti medzi prijímačom GPS a viditeľnými družicami na základe znalosti časov vyslania a príjmu signálu. Družice GPS preto musia byť vybavené vysoko presnými atómovými hodinami, lebo chyba rádovo milióntiny sekundy môže spôsobiť stometrové odchýlky. Presnosť systému zaručuje prevádzkovateľ; všeobecne sa udáva, že pre civilných užívateľov by nemala prekročiť odchýlka 3 - 10 metrov v horizontálnej a 10 - 60 metrov vo výškovej zložke (stredná polohová chyba).

Veľmi zjednodušene sa dá teda pochopiť funkcia systému GPS takto:
Satelity obiehajú okolo Zeme na presne stanovených dráhach a sústavne vysielajú svoju polohu. Napríklad: "som satelit číslo päť, nachádzam sa tam a tam - ping, práve odbilo šestnásť hodín". Keď túto správu príjmeme na našom GPS prijímači o 16:00:00.0845, vieme, že tejto správe trvalo 0.0845 sekundy, kým sa dostala od satelitu k nám. Pretože vieme, že správa "letí" rýchlosťou svetla (cca 300.000 km za sekundu), vieme zároveň, ako ďaleko sme od družice, ktorá správu odvysielala (25 350 km). Nachádzame sa teda niekde na "povrchu" fiktívnej gule s daným polomerom okolo tohto satelitu (viď obrázok A). Ak príjmeme teraz takéto správy od troch družíc, dostaneme tri guľové plochy, na ktorých sa určite musíme nachádzať. Priesečník dvoch z nich vytvorí kružnicu (viď obrázok B) a tretia guľa túto kružnicu pretne v dvoch bodoch (viď obrázok C, bod O a O' ). Jeden z týchto bodov je niekde "hore" vo vesmíre, teda ho môžeme vylúčiť a druhý bod je naša presná pozícia. Spravidla sa dá v jednom okamihu prijímať signál z 3-7 družíc. Názor, že na určenie polohy potrebuje GPS príjem zo štyroch družíc, je pravdivý. Vyššie popísaný algoritmus predpokladá, že vieme presný čas. Ten čas však musí byť absolútne presný, takže by sme museli mať v našom GPS-ku atómové hodiny. Preto bežný užívateľský GPS prijímač považuje čas za neznámu hodnotu a aby túto hodnotu určil, potrebuje ešte jednu družicu navyše (vyššie bol riešený systém o troch neznámych x, y, z a troch rovniciach (pre každú družicu jedna), teraz tu teda sú štyri neznáme x, y, z, t, preto treba aj štyri rovnice). Ako "vedľajší" produkt náš GPS prístroj vyprodukuje absolútne presný čas.



Kto toto dočítal až potiaľto, určite mu je princíp GPS jasný a za odmenu si môže ísť dať jedno až dve pivká :-)).
 
powered by dpSOFT (c)2006