GPS

NAWIGACJA SATELITANA

GPS - NAVSTAR – system nawigacji satelitarnej obejmujący zasięgiem kulę ziemską. Zasada działania polega na pomiarze czasu dotarcia sygnału radiowego z satelitów do odbiornika. Znając prędkość fali elektromagnetycznej można obliczyć odległość odbiornika od satelitów. Mając wpisane do pamięci urządzenia położenie satelitów w czasie, mikroprocesor odbiornika może obliczyć pozycję geograficzną, wysokość nad układem odniesienia oraz z dużą dokładnością aktualny czas. GPS jest utrzymywany i zarządzany przez Departament Obrony USA. Korzystać z jego usług może w zasadzie każdy - wystarczy tylko posiadać odpowiedni odbiornik GPS.

System satelarny
System pracuje na obszarze całej Ziemi, bo w każdym punkcie kuli ziemskiej widoczne są zawsze przynajmniej cztery satelity. Co najmniej 24 satelity krążą po orbitach na wysokości około 20183 km. Jest to orbita niższa od geostacjonarnej. Na każdym satelicie jest zainstalowana aparatura szpiegowska NUDET (Nuclear Detection) przeznaczona do natychmiastowego wykrywania wybuchów nuklearnych na Ziemi.

Zasada działania
Sygnał dociera do użytkownika na dwóch częstotliwościach nośnych f1 = 1575,42 MHz i f2 = 1227,6 MHz. Druga częstotliwość ze względu na utajnione szyfrowanie sygnału jest dostępna tylko dla armii USA. Porównanie różnicy faz obu sygnałów pozwala na dokładne wyznaczenie czasu propagacji, który ulega nieznacznym wahaniom w wyniku zmiennego wpływu jonosfery. Użytkownicy cywilni przybliżoną poprawkę jonosferyczną otrzymują w depeszy nawigacyjnej lub dzięki systemowi DGPS.
Identyfikacja satelitów oparta jest na metodzie podziału kodu CDMA (Code Division Multiple Access) oznacza to, że wszystkie satelity emitują na tych samych częstotliwościach, ale sygnały są modulowane różnymi kodami.
Odbiór sygnału bez zastosowania anten parabolicznych, które w tym przypadku są bezużyteczne ze względu na ich kierunkowość, wymaga zaawansowanych technik oddzielania sygnału od szumu i przetwarzania sygnału. Satelity są w ciągłym ruchu; wyznaczenie pozycji odbiornika na podstawie pomiaru tzw. pseudoodległości od kilku satelitów jest również złożonym zadaniem, wymagającym m.in. uwzględnienia spowolnienia upływu czasu w polu grawitacyjnym Ziemi.
Dla poprawnej pracy systemu kluczowy jest czas. Każdy satelita jest wyposażony w zegar atomowy, dzięki czemu jego sygnał jest dokładnie zsynchronizowany z całym systemem. Jednocześnie satelity tworzą razem z kilkoma nadajnikami naziemnymi swoista sieć korekcji czasu. W efekcie odbiornik GPS podaje nie tylko pozycje, ale również bardzo precyzyjny czas.
Aby określić pozycję w trójwymiarowej przestrzeni i czas systemu konieczny jest jednoczesny odbiór z przynajmniej czterech satelitów. Odbiornik oblicza trzy pseudodległości do satelitów oraz odchyłki czasu (różnicy między tanim i niedostatecznie dokładnym wzorcem kwarcowym zainstalowanym na odbiorniku i precyzyjnym zegarem atomowym na satelicie). Dokładne współrzędne satelity są transmitowane w depeszy nawigacyjnej. W przypadku możliwości odbioru tylko z trzech satelitów niektóre odbiorniki mogą pracować w trybie 2D z ustawioną przez użytkownika wysokością.

Inne systemy pozycjonowania
Inny pracujący obecnie system pozycjonowania to GLONASS. Jest on zarządzany przez Rosyjskie Siły Kosmiczne. GLONASS dostarcza dwa rodzaje sygnału wojskowy oraz cywilny pracujący z dokładnością 60 m. W skład systemu wchodzą 24 satelity oraz naziemna stacja kontroli. System ten nie obejmuje jednak całego obszaru Ziemi.
Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) jest w trakcie budowy własnego systemu nawigacji. Nosi on nazwę Galileo i składać się będzie z 30 satelitów. Zegary zastosowane w europejskich satelitach mają umożliwić osiągnięcie dokładności pozycjonowania w granicach 50 cm. Pierwsze testy Galileo rozpoczeły się w 2005 roku, a system ma być w pełni sprawny do roku 2008.

---