Už vím, jak pracuje navigační systém GPS

Armáda to začala

Zkratka GPS pochází z angličtiny a znamená Global Positioning System. Budeme tomu věřit, i když nedávno jsem četl, že autorem zkratky je český génius Jára Cimrman. Svůj noční let balónem zakončil nešťastným přistáním na Slovensku a tehdy prohlásil „Gdě Prehoha Som?“. Ve skutečnosti se jedná o celosvětový družicový navigační systém, pomocí něhož lze určit přesnou geografickou polohu prakticky kdekoli na Zemi.

Systém GPS se začal plánovat v roce 1973 na Ministerstvu obrany USA a původně byl vyvinut – jak jinak – pro vojenské využití. Projekt byl původně představen pod označením Navstar (Navigation System with Timing and Ranging), později se přešlo na zkratku GPS. Časem se ukázalo mnoho možných využití GPS i v civilním sektoru a proto byl uvolněn i pro běžné použití. První družice byla vypuštěna v roce 1978. Postupně se systém stále více rozšiřoval a do globální celosvětové podoby se dostal v roce 1995. Jen pro zajímavost: uvádí se, že vybudování systému GPS přišlo americké Ministerstvo obrany na více než dvanáct miliard dolarů. 

Satelity hovoří, terminály naslouchají

Kosmickou část systému GPS tvoří družice o hmotnosti 775 kg, které obíhají ve výšce 20 350 km nad Zemí na šesti oběžných drahách. Oběžné dráhy satelitů se od sebe vzájemně odklánějí o 60 stupňů. Na jedné oběžné dráze se pohybuje čtyři až pět družic. Ve skutečnosti obíhá kolem Země zhruba 30 družic, ale současně aktivních je obvykle 24, ostatní jsou vždy záložní. Projít celou oběžnou dráhu zabere satelitu přesně 12 hodin. To znamená, že konfigurace družic na obloze se neustále mění, ale stejné rozmístění se vždy dvakrát denně opakuje. Z jednoho místa na Zemi bývá v přímé viditelnosti antény přijímače 6 až 12 družic.

Takhle vypadají družice systému GPS

Systém GPS pracuje pouze jednosměrně, tedy družice vysílají a pozemské stanice přijímají. Pro přenos signálů družic jsou vyhrazeny dva kmitočty: první s hodnotou 1575,42 MHz a s označením L1 a druhý pak na 1227,60 MHz s označením L2. Signál je modulován kódovou posloupností, podle ní přijímač jednotlivé satelity dokáže rozlišit. Na kanálu L1 se používá kód C/A (Coarse Acquisition) a současně i kód P. Kódová posloupnost P-code se používá pro vojenské účely a pomocí ní je také zakódován kanál L2. Každá z družic vysílá současně na obou kanálech, ale běžné přijímače pracují pouze s kanálem L1. Druhý kanál L2 se používá současně s L1 pro velmi přesná měření.

Jak vzniká signál pro oba kanály GPS je naznačeno na následujícím obrázku. Kódová posloupnost C/A popř. P datový signál nejprve rozprostře a takto upravený signál se pak modulací posune na nosnou vlnu o patřičné frekvenci. Na obrázku vedle je pak naznačeno, jaká data a v jakých časových intervalech se v systému GPS vysílají. Jedna zpráva se dělí do 25 rámců o celkovém trvání 12,5 min. Rámec o celkové délce 1 500 bitů (30 sekund) se skládá z pěti subrámců délky 300 bitů. Data se vysílají rychlostí 50 Hz. 

 
Vznik signálu GPS • datové rámce GPS

Každý satelit posílá také zprávu o své poloze vyjádřenou tzv. efemeridou, což je astronomické přesné určení polohy kosmického tělesa v určitém čase, přesný údaj o čase, dále odhad zpoždění signálu v ionosféře a ještě celou řadu dalších údajů. Mimoto vysílají satelity tzv. almanac, což je vlastně databáze dalších satelitních stanic.

Tuto databázi si přijímač GPS uloží do paměti ihned po přihlášení a dále si ji aktualizuje. V databázi jsou uloženy kódy okolních satelitů a i jejich přibližná poloha, z níž si přijímač umí odhadnout, kdy se zhruba mohou objevit na horizontu. Několik nejbližších kódů si pak přijímač ponechá jako aktuální a každý přijatý signál GPS s nimi porovnává. Činí tak prostřednictvím matematické operace zvané autokorelace a posouváním posloupností o jednotlivé bity vpřed či vzad. Pokud se signál nějaké družice shoduje s uloženým kódem, přijímač se na něj takzvaně zamkne. Princip je naznačen na obrázku níže. Při synchronizaci obou signálů pak přijímač dokáže spočítat dobu cesty signálu od družice.

Synchronizace signálu přijímače a družice