Česky English

Úvodní stránka GNSS systémy GNSS mimo Evropu Americký NAVSTAR GPS

Americký družicový navigační systém NAVSTAR GPS

GPS
(Image zdroj: ESA)

Globální polohový systém (Global Positioning System, GPS) je v současné době jediný plně funkční satelitní navigační systém. Více než dva tucty GPS družic obíhá na střední oběžné dráze (Medium Earth Orbit, MEO) a vysílá signály, které umožňují GPS přijímačům určit jejich polohu, rychlost a směr pohybu.

Od té doby, co byla první experimentální GPS družice vypuštěna v roce 1978, se GPS stal nepostradatelným nástrojem pro navigaci po celém světě a také důležitým nástrojem pro tvorbu map a velkým pomocníkem v oblasti zeměměřičství. GPS je navíc velmi přesným referenčním nástrojem při určování času, čehož se využívá při vědeckém zkoumání zemětřesení anebo při synchronizaci telekomunikačních sítí. GPS se stal plně funkčním a dostupným po celém světě 17.ledna 1994, kdy byla poprvé sestava 24 družic kompletní.

Systém byl vyvinut Ministerstvem obrany Spojených Států Amerických (United States Department of Defense) a jeho oficiální název je NAVSTAR GPS (NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System). Družicová konstelace je udržována a řízena padesátým "vesmírným"  oddílem (letkou) vzdušných sil Spojených Států (50th Space Wing of the United States Air Force). I přesto, že údržba systému stojí ročně přibližně 400 milionů dolarů (včetně nákladů na výměnu přestárlých družic), je GPS pro civilní používání zcela zadarmo.

Po technologické a vědecké stránce je GPS pravděpodobně nejdůležitějším praktickým důkazem Einsteinovy obecné teorie relativity.

Historie

Konečná podoba systému GPS je částečně odvozena od podobných pozemních radiových navigačních systémů. Jedním z nich je LORAN, který byl vyvinut počátkem čtyřicátých let 20.století a byl používán již během druhé světové války. Další inspirace pro systém GPS přišla v roce 1957, kdy Sovětský svaz vypustil Sputnik. Tým amerických vědců, vedených Dr. Richardem B. Kershnerem, monitoroval radiové vysílání Sputniku. Vědci zjistili, že díky Dopplerově efektu frekvence vysílaného signálu byla vyšší, když se Sputnik přibližoval a naopak nižší, když se vzdaloval. Uvědomili si, že při znalosti jejich přesné polohy na Zemi mohli určit přesnou polohu Sputniku na jeho oběžné dráze (při známých parametrech oběžné dráhy Sputniku) pomocí měření  frekvenční změny.

První družicový navigační systém Transit, který byl používán námořnictvem Spojených Států, byl poprvé úspěšně otestován v roce 1960. Tento systém využíval pět družic a byl schopen určit polohu jednou za hodinu. V roce 1967 Námořnictvo Spojených Států vyvinulo Družici Timation, která ve svém vybavení jako první nesla do vesmíru přesné hodiny (na přesném určování času je GPS založen). Pozemní navigační systém Omega, založený na porovnávání fází signálu, byl v sedmdesátých letech 20. století prvním celosvětovým radiovým navigačním systémem.

První experimentální GPS družice Bloku I (Block-I GPS) byla vypuštěna v únoru roku 1978. GPS družice byly nejdříve vyráběny společností Rockwell International a v současné době je vyrábí společnost Lockheed Martin.

Časový přehled

  • V roce 1983, poté co sovětský stíhací letoun sestřelil korejské civilní letadlo KAL 007 v zakázaném sovětském leteckém prostoru a zahynulo všech 269 lidí na palubě, americký prezident Ronald Reagan oznámil, že GPS systém bude po dokončení přístupný i civilnímu použití
  • V roce 1985 bylo vypuštěno deset dalších experimentálních družic Bloku I.
  • 14. února 1989 byla vynesena na oběžnou dráhu moderní družice Bloku II, první svého druhu.
  • V roce 1992 byl zrušen Druhý "Vesmírný" oddíl (2nd Space Wing), který do této doby řídil celý systém, a byl nahrazen Padesátým "Vesmírným" oddílem (50th Space Wing).
  • Do konce roku 1993 se GPS stal funkčním (zajištěn minimální počet družic pro určení polohy kdekoli na Zemi).
  • 17. ledna 1994 bylo poprvé na oběžné dráze 24 družic potřebných pro plnou funkčnost systému.
  • V roce 1996 americký prezident Bill Clinton oficiálně uznal důležitost GPS jak pro civilní tak pro armádní sektor a vydal směrnici (policy directive), ve které se GPS definuje jako systém dvojího využití. Také založil Správní orgán GPS (Interagency GPS Executive Board), pro správu GPS jako národního majetku.
  • V roce 1998 viceprezident Al Gore oznámil plán na modernizaci GPS, a to přidáním dvou civilních signálů pro vylepšení přesnosti a spolehlivosti, obzvláště ve vztahu k letecké bezpečnosti.
  • 2. května 2000 byla vypnuta  "Selective Availability", což umožnilo civilním uživatelům přijímat plnohodnotný signál.
  • V roce 2004 americký prezident George W. Bush nahradil Správní orgán GPS jiným orgánem, a to National Space-Based Positioning, Navigation, and Timing Executive Committee.

 

Technický popis rozdělení systému

GPS se dělí na tři hlavní segmenty. Jsou to: kosmický segment (Space Segment, SS), řídící segment (Control Segment, CS) a uživatelský segment (User Segment, US).

Kosmický segment

Kosmický segment je tvořen GPS družicemi (v angličtině, v rámci "slovníku" GPS, se lze setkat ještě s označením Space Vehicles, SV). 24 družic je rovnoměrně rozloženo v šesti oběžných rovinách. Oběžné roviny jsou centrické vzhledem k Zemi. Roviny mají přibližně sklon k rovníku 55° a jsou k sobě posunuty o 60° podél rovníku (posunutí rektascenze výstupních uzlů).

Družice obíhají ve výšce přibližně 20 000 kilometrů (11 000 námořních mil), každá družice oběhne svou dráhu dvakrát za hvězdný den, takže přeletí nad stejným místem na Zemi jednou za den (oběžná doba je rovna 11h a 58 min,to znamená, že pozorovatel na Zemi uvidí družici vycházet (pohybuje se stále po stejné trajektorii vždy o 4 minuty dříve). Oběžné dráhy jsou navrženy tak, že alespoň šest družic je vždy viditelných téměř z kteréhokoli místa na Zemi.

K lednu 2007 bylo v GPS konstelaci 29 aktivně vysílajících GPS družic. Doplňkové "extra" družice vylepšují přesnost výpočtů GPS přijímačů, protože poskytují nadbytečná měření. Díky nadbytečnému počtu družic se rozestavění celé konstelace změnilo na nesouměrné, nicméně když několik družic selže, systém zůstává plně funkční (to se týká hlavně spolehlivosti a dostupnosti).

Řídící segment

Dráhy letu GPS družic jsou sledovány monitorovacími stanicemi v těchto lokalitách: Havajské ostrovy, Kwajalein, Ascension, Diego Garcia a Colorado Springs, Colorado. Sledovací data (tracking information) jsou poslány do hlavní řídící stanice, která se nachází na Letecké základně Schriever (Schriever Air Force Base) v Colorado Springs, Colorado. Základna je pod velením Leteckých Sil Spojených Států, jmenovitě je spravována Druhou "Vesmírnou řídící" skupinou (2nd space Operations Squadron, 2nd SOPS). 2nd SOPS pravidelně posílá každé GPS družici aktualizaci navigačních dat (využívá přitom pozemní antény, které jsou součástí zařízení stanic Ascension, Diego Garcia, Kwajalein a Colorado Springs). Tyto aktualizace synchronizují družicové atomové hodiny s přesností do jedné mikrosekundy a upravují družicové efemeridy, které jsou posléze vysílané družicí. Aktualizace jsou vytvořeny pomocí Kalmanova filtru, který využívá data od pozemních monitorovacích stanic, informace o "vesmírném počasí" a další různé zdroje dat.

Uživatelský segment

GPS přijímače uživatelů tvoří uživatelský segment GPS. GPS přijímače se obecně skládají z antény (která je "nalazena" na frekvence vysílané družicemi), procesoru přijímače, a vysoce stabilních hodin (často s pasivní elektronickou součástkou zvanou krystal). Také mohou být vybaveny displejem, na kterém se uživateli mohou zobrazit údaje o jeho poloze a rychlosti. U GPS přijímače se často uvádí počet kanálů, které značí počet družic od kterých je přijímač najednou schopen přijímat signály. Původně se jednalo o 4 až 5 kanálů, ale v současné době se tento počet zvýšil na standardních 12 až 20 kanálů.

Součástí GPS přijímačů mohou také být zařízení pro příjem diferenciálních korekcí nebo také zařízení pro přenos dat do PC nebo jiných zařízení (např. bluetooth).




RSS kanál  |  XML Sitemap  |  Mapa webu  |  Redakční systém WebRedakce - NETservis s.r.o. © 2017

2015 Odbor ITS, kosmických aktivit a VaVaI 

Background image ©ESA - P.Carril
Administrováno CMS systémem společnosti NETservis s.r.o.