1. NAVSTAR
Global Positioning System (GPS) - właściwie GPS NAVSTAR (ang. Global Positioning System – NAVigation Signal Timing And Ranging) – jeden z systemów nawigacji satelitarnej, stworzony przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych, obejmujący swoim zasięgiem całą kulę ziemską. System składa się z trzech segmentów: segmentu kosmicznego - 31 satelitów orbitujących wokół Ziemi na średniej orbicie okołoziemskiej; segmentu naziemnego - stacji kontrolnych i monitorujących na ziemi oraz segmentu użytkownika - odbiorników sygnału. Zadaniem systemu jest dostarczenie użytkownikowi informacji o jego położeniu oraz ułatwienie nawigacji po terenie.
Działanie polega na pomiarze czasu dotarcia sygnału radiowego z satelitów do odbiornika. Znając prędkość fali elektromagnetycznej oraz znając dokładny czas wysłania danego sygnału można obliczyć odległość odbiornika od satelitów. Sygnał GPS zawiera w sobie informację o układzie satelitów na niebie (tzw. almanach) oraz informację o ich teoretycznej drodze oraz odchyleń od niej (tzw. efemeryda). Odbiornik GPS w pierwszej fazie aktualizuje te informacje w swojej pamięci oraz wykorzystuje w dalszej części do ustalenia swojej odległości od poszczególnych satelitów, dla których odbiornik jest w zasięgu. Wykonując przestrzenne liniowe wcięcie wstecz mikroprocesor odbiornika może obliczyć pozycję geograficzną (długość, szerokość geograficzną oraz wysokość elipsoidalną) i następnie podać ją w wybranym układzie odniesienia - standardowo jest to WGS 84, a także aktualny czas GPS (UTC - Uniwersalny czas koordynowany) z bardzo dużą dokładnością.
System GPS jest utrzymywany i zarządzany przez Departament Obrony USA. Korzystać z jego usług może w zasadzie każdy - wystarczy tylko posiadać odpowiedni odbiornik GPS. Takie odbiorniki są produkowane przez niezależne firmy komercyjne. System GPS jest darmowy i taki ma pozostać zgodnie z polityką Stanów Zjednoczonych.
System pracuje na obszarze całej Ziemi, bo w każdym punkcie globu widoczne są zawsze przynajmniej cztery satelity, a dokładniej - prawdopodobieństwo widoczności przynajmniej 5 satelitów wynosi 99,96%. Co najmniej 24 satelity krążą po 6 orbitach (po 4 na każdej) na wysokości około 20183 km, a ich inklinacja jest równa 55°. Jest to orbita niższa od geostacjonarnej. Satelity okrążają glob dwukrotnie w ciągu doby. Zazwyczaj jest jeszcze kilka satelitów nadmiarowych - bieżący status konstelacji rejestruje m.in. Obserwatorium Astronomiczne Marynarki Wojennej USA.System wielu nadajników jest bardzo kosztowny, Amerykanie regularnie muszą umieszczać na orbicie kolejne w zastępstwie tych, które zeszły z właściwej orbity lub uległy awarii. Ciekawostką jest fakt, że na każdym satelicie jest zainstalowana aparatura szpiegowska NUDET (Nuclear Detection) przeznaczona do natychmiastowego wykrywania wybuchów nuklearnych na Ziemi.
Na Ziemi znajduje się główna stacja kontrolna (Master Control Station) w Colorado Springs, 4 stacje monitorujące (Monitor Stations) - Hawaje, Wyspy Wniebowstąpienia, Kwajalein i Diego Garcia - oraz 6 stacji NGA (National Geospatial Agency) - w Argentynie, Bahrajnie, Australii, Ekwadorze, Wielkiej Brytanii i USA. Segment naziemny sieci GPS jest odpowiedzialny za odbieranie sygnałów od satelitów i obliczanie na tej podstawie poprawek do ich pozycji (efemeryd). Poprawki te są odsyłane z powrotem do satelitów.
Istnieją dwie wersje systemu Navstar:
· PPS (Precise Positioning System) jest dostępny dla wojska USA i NATO oraz wybranych organizacji. Jest on dokładniejszy niż druga wersja -
· SPS (Standard Positioning System). Korzystanie z systemu SPS było i jest bezpłatne i powszechnie dostępne. Konieczny jest oczywiście zakup odbiornika, ale może to zrobić każdy i nie trzeba płacić za odbiór sygnału satelitarnego.
Odbiorniki GPS, na podstawie sygnałów z satelitów obliczają swoje położenie, prędkość i dokładny czas. Większość z nich obecnie zaopatrzona jest w cyfrowe mapy i oprogramowanie wspomagające przetwarzanie tych danych w nawigacji morskiej i lotniczej, geodezji czy prowadzeniu pojazdów w miastach. Należy tutaj zauważyć, że informacja w systemie GPS przesyłana jest jednokierunkowo, odbiorniki pozostają bierne i nie wysyłają żadnych sygnałów do satelitów.
Satelity nadają dwa rodzaje sygnałów: C/A na nośnej L1 = 1575.42 MHz (pasmo sygnału - 1.023 MHz) odbierany przez wszystkie urządzenia GPS (SPS i PPS) oraz sygnał P na nośnej L2 = 1227.60 MHz (pasmo sygnału 10.23 MHz) odbierany tylko przez urządzenia PPS.
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.
Niezbędnym elementem systemu jest możliwość identyfikacji sygnałów z poszczególnych satelitów przez odbiornik GPS. Odseparowanie sygnałów pochodzących od poszczególnych satelitów następuje przy pomocy techniki CDMA (Code Division Multiple Access) - każdy satelita nadaje sygnał stosując inny ciąg rozpraszający PRN (Pseudo random Noise - szum pseudolosowy). PRN w swojej głównej funkcji ma na celu cyfrowe wzmocnienie przekazywanego sygnału (dzięki temu nie potrzebujemy ogromnych talerzy do odbioru sygnału satelitarnego) oraz umożliwia Departamentowi Obrony USA kontrolowanie dostępu do systemu GPS. Dzięki temu wojsko może używać sygnału GPS do przekazywania szyfrowanych komunikatów.
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. Tak jak powiedzieliśmy, teoretycznie do ustalenia trójwymiarowej pozycji obiektu i dokładnego czasu wystarczyłyby sygnały z czterech satelitów. Zazwyczaj odbiornik GPS śledzi co najmniej 5 satelitów, dla większej dokładności obliczeń i na wypadek utraty sygnału od jednego z nich. Sygnały zawierają informacje, od którego satelity pochodzą i kiedy zostały nadane, przesyłana jest także poprawka ich aktualnej pozycji obliczona przez naziemne stacje kontrolne. Na tej podstawie odbiornik GPS, znając teoretyczne pozycje satelitów, może obliczyć :
· prawdziwe pozycje satelitów w danym momencie czasu,
· odległości odbiornik-satelita, na podstawie czasu transmisji sygnału od satelity do odbiornika,
· swoją pozycję.
W tym miejscu są informacje odnośnie metod pomiaru, segmentu kosmicznego, użytkownik i kontrolnego, co wchodzi w skład kolejnych zagadnień i o czym ładnie napisała Agata;) Jedynie mogę dorzucić notkę o rodzajach odbiorników:
Dla jednoczesnego odbioru sygnału z kilku satelitów lub sygnału o dwóch częstotliwościach z jednego satelity, stosuje się odbiorniki dwóch rodzajów:
· multi-chanel (wielokanałowy) - odbiorniki te składają się z określonej liczby niezależnych kanałów i każdy z nich jest przystosowany do odbierania i przetwarzania sygnałów z jednego satelity. Procesy odbioru i przetwarzania sygnałów są prowadzone w takim wielokanałowym odbiorniku jednocześnie. Obserwacje mogą być wykonywane z częstotliwością sekundową.
· multi plexing - odbiorniki te składają się z jednego lub wielu kanałów, z których każdy może odbierać poszczególne sygnały z satelitów. Obserwacje wykonywane są z częstotliwością milisekundową. Najlepszą jakość sygnału mają odbiorniki typu multichanel correlation type. Odbiorniki squaring type kwadratują zarówno sygnały jak i szumy.
Geneza systemu
Początki systemu NAVSTAR GPS (NAVSTAR Global Positioning System) sięgają lat 70. XX w.
W 1968 r. Departament Obrony USA zdecydował o utworzeniu komitetu składającego się z reprezentantów każdej ze służb (NAVSEG - Navigation Satellite Executive Group), który miał pokierować całością prac i określić jedną wspólną koncepcję. Po pięciu latach badań, w 1973 r., zadecydowano, że wiodącą instytucją będzie Air Force, która wkrótce przedstawiła założenia nowego systemu. Połączył on elementy z niezależnie prowadzonych projektów. Jego cechą podstawową jest transmisja precyzyjnego sygnału czasu. W grudniu tego samego roku program zatwierdzono do realizacji. Po kolejnych pięciu latach testów i badań, 22 lutego 1978 r., wystrzelono pierwszego satelitę z tzw. Bloku I (składającego się z 6 satelitów krążących na trzech orbitach o nachyleniu 63° do płaszczyzny równika).
Doświadczenia zebrane podczas tworzenia i użytkowania systemu Transit, a szczególnie satelitów serii TIMATION, które udowodniły możliwość precyzyjnej synchronizacji czasu poprzez systemy satelitarne, umożliwiły Departamentowi Obrony USA stworzenie systemu nawigacji satelitarnej znacznie doskonalszego od poprzednika. Głównymi cechami jakimi miał charakteryzować się nowym system były:
§ możliwość wyznaczenia położenia w czasie rzeczywistym,
§ niezależność od warunków, w których system jest wykorzystywany i odporność na zakłócenia zarówno przypadkowe jak i celowe,
§ 5 pocisków wystrzelonych z niezależnych platform, naprowadzanych za pomocą systemu, ma trafić w cel z dokładnością 5 m,
§ cena jednego odbiornika nie może przekraczać 10000 USD w 1977 r. (równowartość w cenach ok. 50000 USD w 2007 r.),
§ dostępność na całej kuli ziemskiej,
§ synchronizacja czasu na poziomie 1 μs,
§ nielimitowana liczba użytkowników,
§ niewykrywalność odbiornika (brak komunikacji odbiornika z satelitą, wyznaczenie pozycji ma być możliwe wyłącznie w wyniku nasłuchu)
Pierwsze testy systemu rozpoczęły się w 1972 r., pierwszy satelita został wystrzelony w 1978 roku, lecz o w pełni działającym systemie można mówić dopiero od roku 1995.
2. Zakres działania fal GPS
Częstotliwości GPS:
- częstotliwość podstawowa – f=10.23 MHz
- częstotliwość fal nośnych – L1 = 1575,42 MHz
L2 = 1227,60 MHz
L5 = 1176.45 MHz
Satelity w sposób ciągły emitują sygnał nawigacyjny w dwóch kanałach: L1 i L2 o częstotliwości. 1,22766 GHz. Obie częstotliwości nośne oraz sygnały zegarowe, sterujące generatorami ciągów pseudolosowych (C/A - Clear/Acąusition i P- Precise), są uzyskiwane z tego samego wzorca atomowego (do dyspozycji rubidowy lub cezowy) o częstotliwości 10,23 MHz.
Różnica częstotliwości wzorcowych emitowanych przez satelitę wynosi L1-L2 = 347,82 MHz (28,3% względem L2). Częstotliwości są koherentne i powstają w wyniku przemnożenia częstotliwości podstawowej:
LI = 1575,42 MHz = 154 x 10,23 MHz
L2 = 1227,60 MHz = 120 x 10,23 MHz
Częstotliwości nośne, zarówno LI, jak i L2, są modulowane kodami C/A (Coarse, Clear Aąuisition) oraz P/Y (Precise, Protected).
A odnośnie częstoltiwości L5:
Wydana w 1996 roku Dyrektywa dla Prezydenta (Presidential Decision Directive - PDD) stanowi, iż pasma częstotliwości zarówno L1 jak i L2, będą dostępne dla zastosowań cywilnych oraz, że dla zastosowań cywilnych dostarczany będzie odrębny, trzeci sygnał. Chociaż pasma częstotliwości L1 i L2 mogą satysfakcjonować większość cywilnych użytkowników, to jednak użycie pasma L2 wiąże się z pewnymi ograniczeniami w zastosowaniach związanych z zagrożeniem życia. Federalna Agencja Lotnictwa (Federal Aviation Administration - FAA) sprzeciwia się użyciu pasma L2 w zastosowaniach lotniczych związanych z bezpieczeństwem, ponieważ ITU przyznało to pasmo służbom radiolokacyjnym wykorzystującym radary o wysokiej mocy. W paśmie tym mogą występować nieakceptowalne poziomy zakłóceń. Agencja zażądała wyznaczenia częstotliwości GPS dla zastosowań lotniczych w pasmie Lotniczych Służb Nawigacyjnych (A...
danek.nowak