Globálny lokalizačný systém: Rozdiel medzi revíziami

d
typo, replaced: 7,2 m<sup>2</sup> → {{m2|7.2}}, 500 m → {{m|500|m}}, 10 km → {{km|10|m}} (2), 24 cm → {{cm|24|m}}, 0 - 15 → 0 – 15, - →  –  (22), vzhľadom k → vzhľadom na (3), replaced: S,G → S, G,   →   (3), )i → ) i
d (Verzia používateľa 194.160.130.162 (diskusia) bola vrátená, bola obnovená verzia od Kelovy)
d (typo, replaced: 7,2 m<sup>2</sup> → {{m2|7.2}}, 500 m → {{m|500|m}}, 10 km → {{km|10|m}} (2), 24 cm → {{cm|24|m}}, 0 - 15 → 0 – 15, - →  –  (22), vzhľadom k → vzhľadom na (3), replaced: S,G → S, G,   →   (3), )i → ) i)
[[Súbor:PDA Mapping.jpg|right|thumb|[[PDA]] s podporou GPS]]
 
'''Globálny lokalizačný systém''' alebo '''Globálny systém určenia polohy''' alebo '''Global Positioning System''' (skrátene '''GPS'''; armáda USA systém označuje ako '''NAVSTAR GPS''' -  – '''NAV'''igation '''S'''ignal for '''T'''iming '''A'''nd '''R'''anging) je [[Umelá družica|satelitný]] [[navigačný systém]] používaný na zistenie presnej pozície a poskytujúci veľmi presnú [[čas]]ovú referenciu takmer kdekoľvek na [[Zem]]i alebo zemskej [[Orbitál|orbite]]. Používa zostavu aspoň 24 satelitov na strednej zemskej orbite. Je základom pre [[Prijímač GPS|navigačné prístroje GPS]].
 
Je schopný poskytovať údaje o polohe nezávisle na [[počasie|počasí]] 24 hodín denne. Ide o pasívny družicový dĺžkomerný systém. Cieľom prevádzkovateľa tohto [[systém]]u, Ministerstva obrany [[Spojené štáty|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 [[vojna|vojenské]] účely, ale americký kongres neskôr schválil jeho využitie s určitými obmedzeniami aj pre civilný sektor.
 
== História GPS ==
Históriu družicových systémov môžeme začať datovať od začiatku [[60. roky 20. storočia|60. rokov]], keď memorandom ministerstva obrany USA boli [[United States Air Force|vzdušné sily]] poverené zlúčením pokusných programov Timation a 621B do programu označeného ako GPS NAVSTAR. Prvými elektronickými navigačnými systémami boli [[rádiomaják]]y. Po vynájdení umelých družíc sa začalo uvažovať, či by sa nedali pomocou nich vyvinúť presnejšie navigačné systémy. Prvý takýto [[navigačný systém]] uviedli do prevádzky USA v 60-tych rokoch a tento systém dostal meno [[Transit]]. Koncom 60-tych rokov aj bývalý [[Sovietsky zväz]] uviedol do prevádzky navigačný systém označovaný názvom [[Cyklon]] a dodnes sú používané ďalšie dva obdobné systémy -  – vojenský šesť družicový s názvom Parus (niekedy Cikada-M) a civilný 4 družicový s názvom Cikada. Oba systémy majú rovnaké nevýhody. Poskytujú len dvojrozmerné [[súradnice]], určenie polohy je s presnosťou {{m|500 |m}} pri príjme signálu len z jednej družice a nepresný časový [[signál]]. Tieto navigačné systémy sa tiež nazývajú [[Christian Johann Doppler|Dopplerovské]].
 
Po skúsenostiach s Dopplerovskými systémami sa na začiatku sedemdesiatych rokov USA rozhodli vybudovať nový družicový navigačný systém, ktorý by umožňoval určenie polohy v [[Trojrozmerný priestor|trojrozmernom priestore]] spolu s presným časom a sprístupnil by tak družicovú navigáciu aj [[letectvo|letectvu]]. Od [[17. december|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, [[námorníctvo|námorníctva]], [[armáda|armády]], [[námorná pechota|námornej pechoty]], pobrežnej stráže, obrannej kartografickej agentúry, zástupcov štátov [[Organizácia Severoatlantickej zmluvy|NATO]] a [[Austrália (štát)|Austrálie]]. Práce na budovaní systému GPS NAVSTAR boli rozdelené do troch častí:
 
=== 3. časť ===
Prvá z 28 družíc bloku II bola vypustená v roku [[1989]]. Družice bloku I boli dopĺňané a postupne celkom nahradené družicami bloku II. Tým sa postupne rozširovali možnosti systému. Trojrozmerné určenie polohy na ľubovolnom mieste na Zemi 24 hodín denne je možné od začiatku roku [[1993]]. Desiata až 28. družica sú označované ako družice bloku IIA. Týchto devätnásť družíc má modifikovanú pamäťovú jednotku čo im umožňuje činnosť 108 dní bez kontaktu s [[stredisko riadenia vesmírnych letov|riadiacim strediskom]]. Ešte v roku 1989 bol s firmou General Electrics uzatvorený 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. december|8. decembra]] [[1993]] bol dosiahnutý počiatočný operačný stav systému ('''IOC''' -  – '''I'''nitial '''O'''perational '''C'''apability). 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 ('''FOC''' -  – '''F'''ull '''O'''perational '''C'''apability) bola činnosť 24 družíc bloku II. Táto podmienka bola splnená [[3. marec|3. marca]] [[1994]] a systém bol po dokončení všetkých potrebných testov uvedený do FOC. V tomto stave je až do dnešnej doby.
 
Pôvodne bolo plánované, že družice budú obiehať na troch obežných dráhach so sklonom k polárnej rovine 63°. Tri obežné dráhy boli zvolené preto, aby na zaistenie 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 šiestich a maximálne jedenástich družíc pri prípustnom elevačnom [[uhol|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 [[hodina|h]] 58 [[minúta|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 [[obežná dráha|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.
# Kozmická
# Riadiaca
# Užívateľská
 
'''[[Vesmír|Kozmická]]''' zložka GPS systému je tvorená sústavou družíc rozmiestnených na šiestich obežných dráhach vysielajúcich [[navigácia|navigačné]] [[signál]]y. Ako bolo spomenuté už skôr, systém je tvorený 24 družicami, z ktorých je 21 navigačných a tri sú aktívne záložné. Družice obiehajú vo výške 20 200 [[kilometer|km]] nad povrchom a rovnakú vzájomnú polohu nad daným bodom zopakujú za 11 [[hodina|h]] 58 [[minúta|min]]. Každá družica je vybavená prijímacou a vysielacou [[anténa|anténou]], [[atóm]]ovými hodinami, palivom pre [[dýza|dýzy]] pohonu, [[akumulátor]]mi, ktoré majú k dispozícii [[solárny panel|solárne panely]] s plochou {{m2|7,.2 m<sup>2</sup>}} a radom ďalších prístrojov, ktoré slúžia pre navigáciu alebo iné špeciálne účely (napr. pre detekciu výbuchu [[Jadrová zbraň|jadrových náloží]]). Družica prijíma, spracováva, uchováva a vysiela [[informácia|informácie]] z/do pozemného riadiaceho centra, na základe ktorých môže korigovať svoju dráhu dýzami, alebo informuje o svojom stave riadiace centrum. Družice bloku II sú vybavené ochranou proti [[Elektromagnetizmus|elektromagnetickému]] [[impulz]]u pri jadrovom výbuchu. Každá z družíc váži približne 900 [[kilogram|kg]] a cena jednej je odhadovaná na približne 50 miliónov [[Americký dolár|dolárov]].
 
'''Riadiaca''' 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 ('''MCS''' -  – '''M'''aster '''C'''ontrol '''S'''tation) je umiestnená v opevnenom bunkri v [[Skalisté hory|Skalistých horách]] blízko leteckej základne [[Falcon]] v [[Colorado (štát USA)|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 ([[efemerid]]y) 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.
 
'''Užívateľská''' zložka je tvorená GPS prijímačmi, užívateľmi samotnými, vyhodnocovacími nástrojmi a postupmi potrebnými na vyhodnotenie [[meranie|meraní]]. GPS prijímače vykonajú na základe prijatých signálov z družíc predbežné výpočty [[poloha|polohy]], [[rýchlosť|rýchlosti]] a [[čas]]u. 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 [[kanál]]om, 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 v posledných piatich rokoch.
To, čo sa deje v každom GPS prijímači by sme mohli opísať ako určovanie polohy meraného [[bod]]u z [[priesečník]]u [[guľová plocha|guľových plôch]], ktorých [[polomer]] je daný meranými [[vzdialenosť]]ami. Tento systém sa nazýva tiež dĺžkomerný systém. Meranou veličinou je doba šírenia [[rádiový signál|rádiového signálu]] z družicovej antény k anténe GPS prijímača tdi. Rýchlosť šírenia signálu je rovná [[rýchlosť svetlo|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 = c Dt''' (kde c je rýchlosť svetla). K neznámym súradniciam užívateľa pristupuje teda neznáma '''b''' a pre výpočet polohy potrebujeme celkom štyri rovnice
 
'''(x<sub>i</sub> -  − x)<sup>2</sup> + (y<sub>i</sub> -  − y)<sup>2</sup> + (z<sub>i</sub> -  − z)<sup>2</sup> = (D<sub>i</sub> + b)<sup>2</sup> '''
 
'''D<sub>i</sub> = 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 kna počiatkupočiatok svojej časovej základni. Meraný čas ''tmi'' môže prepočítať na vzdialenosť ''Di'', ktorá sa nazýva pseudovzdialenosť (pseudorange). Ak sa meranie uskutočňuje minimálne k štyrom družiciam, máme k dispozícii všetky veličiny potrebné pre riešenie sústavy rovníc, ktorých neznámymi sú [[súradnica|súradnice]] (X, Y, Z) a posun ''Dt'' užívateľovej časovej základne vzhľadom kna časovejčasovú základnizákladňu 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 {{cm|24 cm|m}}) -  – presný polohový systém
 
[[Frekvencia|Frekvencie]] sú [[modulácia|modulované]] týmito navigačnými [[kód]]mi:
L1 je modulovaná dvoma pseudonáhodnými šumami (PRN -  – Pseudo Random 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 spomenutom 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 (Coarse/Acquistions). [[Spojené štáty|Americká]] vláda vzhľadom na strategické záujmy a bezpečnosť štátu rozhodla o zavedení zvláštneho režimu prevádzky GPS -  – výberový prístup (SA -  – Selective Availability). Výberový prístup spočíva v zámernom zhoršovaní presnosti merania vzdialenosti tým, že sa menila hodinová frekvencia signálu a efemeridy vo vysielanej navigačnej správe. Výsledkom toho meraná pseudovzdialenosť nezodpovedala vzdialenosti užívateľa od družice a nezodpovedal ani posun jeho hodín vzhľadom kna systémovýmsystémové hodinámhodiny. Táto náhodná funkcia, ktorá zhoršovala presnosť merania, bola zavedená 25. 3. 1990 u všetkých družíc bloku II. Po protestoch odbornej verejnosti však Americká vláda prehodnotila svoje rozhodnutie o zavedení SA a dňom 1. 5. 2000 bol zvláštny režim výberového prístupu (Selective Availability) zrušený! Dosiahnuteľná presnosť GPS prijímačov v určení polohy je teraz 10 -  – 15 [[meter|m]].
 
Už od začiatku budovania celého systému sa uvažovalo o využívaní toho systému nielen vojenskými, ale aj civilnými užívateľmi. Preto sa hľadala rozumná miera obmedzenia prístupu civilných užívateľov, ktorá by zaistila prijateľne nízke riziko zneužitia celého systému, a pritom by podstatne neobmedzovala civilné využitie. Nakoniec sa rozhodlo o rozdelení prístupu pre autorizovaných a neautorizovaných užívateľov. Autorizovaný užívateľ je [[armáda Spojených štátov]], armády niektorých ďalších štátov [[NATO]] a prípadne vybraný civilný užívateľ. Autorizovaní užívatelia využívajú službu s označením presná polohová služba (PPS -  – Precise Positioning Service). Táto služba pozostáva v prístupe k C/A kódu na nosnej frekvencii L1 a k P -  – kódu (Precision code) resp. Y -  – kódu (šifrovaný Precision code) na frekvenciách L1 a L2 bez obmedzenia. K využívaniu služby PPS musí byť autorizovaný užívateľ vybavený špeciálnym GPS prijímačom, ktorý po zadaní hesla dokáže eliminovať umelú chybu SA a spracovávať šifrovaný Y -  – [[kód]]. Neautorizovaným užívateľom je poskytovaná štandardná polohová služba (SPS -  – Standard Positioning Service). Táto služba pozostáva v prístupe 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 [[Diferenčný|diferenčnej]] (rozdielovej) [[metóda|metódy]] merania sa dosiahne významného zvýšenia presnosti určovania polohy v reálnom čase. Vychádzame pri tom z poznatku, že diferencie údajov meraných dvoma blízkymi GPS prijímačmi sú zaťažené podstatne menšími chybami ako samotné namerané údaje. To je spôsobené vysokou [[korelácia|koreláciou]] (vzájomnou závislosťou) chýb oboch meraní. Signál sa šíri od družice k obom prijímačom po skoro rovnakej dráhe, preto [[ionosféra|ionosférické]] a [[troposféra|troposférické]] oneskorenie signálu je zhruba rovnaké. Podobne sa prejavia aj chyby efemerid družíc. Za nekorelované (nezávislé) môžeme považovať len chyby spôsobené samotnými prijímačmi a mnohocestným šírením signálu (rôzne odrazy od objektov, rušenia…). Mnohocestné šírenie potom môžeme považovať za hlavný faktor výslednej chyby diferenciálneho GPS. Meranie polohy pomocou DGPS je trochu zložitejšie ako pri GPS, pretože sú potrebné minimálne dva GPS prijímače. Jeden prijímač je umiestnený stacionárne na známej polohe, ktorá sa určila geodetickým meraním. Tento prijímač sa nazýva RS -  – referenčná stanica. Táto stanica neustále uskutočňuje merania ku všetkým viditeľným družiciam, zmerané pseudovzdialenosti porovnáva s predpokladanými hodnotami (údajmi o svojej polohe) a ich rozdiely vysiela vlastným samostatný kanálom k všetkým užívateľom DGPS. V prijímačoch ostatných DGPS užívateľov sa prijaté korekcie použijú k oprave merania a tak sa významne zvýši presnosť určenia ich polohy v reálnom čase. Korekčný údaj sa aktualizuje v intervale 1 až 15 [[sekunda|sekúnd]]. Platnosť korekcií je v polomere {{km|10 km|m}} centimetrová až decimetrová a v polomere 400 {{km|400|m}} je metrová. Formát opráv pre ich prenos bol navrhnutý v dokumente RTCM.
 
== Pozri aj ==
== Externé odkazy ==
* [http://www.geoinformatika.sk www.geoinformatika.sk] Spravodajský portál slovenskej a českej geokomunity o geografických informáciach (GI), geoinformačných systémoch (GIS), geoinformačných technológiach (GIT), geovedách, (geo)informatizácii
* [http://www.geodezia.org www.geodezia.org] Nezávislý informačný portál o GIS, Geodézii, Kartografii, GNSS, NAVSTAR GPS, GLONASS, GALILEO a Geoinformáciach
 
[[Kategória:Satelitné navigačné systémy]]
75 709

úprav