Úvod do GPS Pavel Tesa°
5. kv¥tna 2005
Obsah
1
Úvod
5
2
NAVSTAR GPS
7
2.1
ásti systému . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.1.1
Kosmický segment
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.1.2
ídící segment
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.1.3
Uºivatelský segment
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
Výpo£et polohy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
2.2.1
Druºicový signál
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
2.2.2
Kódové m¥°ení
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
2.2.3
Fázové m¥°ení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
2.3
P°esnost GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
2.4
Postup p°i geodetických m¥°eních s GPS
. . . . . . . . . . . . . . . .
20
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
2.2
3
2.4.1
Transformace mezi systémy
2.4.2
Ukládání dat
Slovník GPS pojm·
27
3
Obsah
4
1 Úvod V sou£asnosti se v b¥ºném ºivot¥ stále £ast¥ji setkáváme s globálním polohovým systémem (GPS - Global Positioning System), tedy systémem umoº¬ujícím kdekoliv na Zemi v jakoukoliv denní dobu ur£it polohu uºivatele. Ve skute£nosti existuje n¥kolik globálních polohových systém· (Glonass, Galileo, DORIS, PRARE). Bezesporu nejv¥t²í význam pro, nejen geodetickou, praxi v²ak má americký systém NAVSTAR. Proto £asto pod pojmem "GPS" rozumíme práv¥ pouze tento jediný systém, kterému je v¥nována následující kapitola.
5
1 Úvod
6
2 NAVSTAR GPS V roce 1973 rozhodlo americké ministerstvo obrany (U.S. Department of Defence) vyvinout a vybudovat nový druºicový naviga£ní systém, který by nahradil dopplerovský systém TRANSIT. Výsledkem tohoto rozhodnutí je sou£asný NAVSTAR GPS. Slova "NAVSTAR GPS" jsou zkratkami anglického názvu "NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System". Prvotní d·vody pro vývoj GPS byly ryze vojenské, ale americký kongres vydal pozd¥ji pokyn, aby GPS byl zp°ístupn¥n s ur£itými omezeními i civilním uºivatel·m.
2.1 ásti systému Globální polohový systém sestává ze t°í £ástí nazývaných segmenty:
•
kosmický
•
°ídící
•
uºivatelský
2.1.1 Kosmický segment
První, tzv. kosmický segment je tvo°en druºicem GPS. Druºice jsou umíst¥ny v ²esti rovinách na tém¥° kruhových ob¥ºných drahách ve vý²ce p°ibliºn¥ 20200 km nad povrchem Zem¥, se sklonem k rovníku 55
◦
a ob¥ºnou dobou asi 11 hodin 58 minut
(12 hv¥zdných hodin). To znamená, ºe stejné druºice jsou z ur£itého místa na Zemi vid¥t kaºdý den asi o 4 minuty d°íve. Druºice se pohybují rychlostí 11300 km/h. Kaºdá ze ²esti drah má p¥t pozic pro umíst¥ní druºic, z £ehoº plyne, ºe za sou£asné kon gurace je maximální moºný po£et druºic GPS na ob¥ºné dráze roven po£tu t°iceti
7
2 NAVSTAR GPS
1
kus·. Pozice £. 5 je u kaºdé dráhy záloºní, pro dosaºení FOC
posta£uje 24 funk£ních
druºic. Dokon£ená kon gurace tedy zaji²´uje viditelnost minimáln¥ 4 druºic s elevací v¥t²í neº
15◦
a to 24 hodin denn¥ ze kteréhokoliv místa na Zemi.
Druºice GPS jsou vybaveny vysíla£em, atomovými hodinami, procesory a °adou dal²ích p°ístroj· slouºících k navigaci i k jiným vojenským úkol·m (nap°. k detekci výbuch· jaderných náloºí). Elektronické vybavení druºic umoº¬uje uºivatel·m m¥°it topocentrické vzdálenosti k druºicím a kaºdý satelit vysílá zprávu o své prostorové poloze
r. Druºice jsou vybaveny slune£ními bateriemi, setrva£níky pro udrºování správné
orientace a raketovými motory pro opravy dráhy. Od roku 1978 pro²ly druºice GPS velkými zm¥nami a rozsáhlou modernizací. V sou£asnosti je v provozu jiº t°etí generace a dal²í dv¥ jsou ve vývoji. Nejstar²ím typem druºic je tzv.
Blok I. Druºic tohoto typu bylo v letech 1978 aº 1985 vyrobeno rmou
Rockwell International 11 kus·, ale na ob¥ºnou dráhu jich bylo z Vandenbergovy letecké základny v Kalifornii raketami °ady Atlas E a F vyneseno jen deset. Dne 18. prosince 1981 byla jedna druºice p°i neúsp¥²ném startu zni£ena. Inklinace dráhy t¥chto druºic byla
63◦ . Na palub¥ kaºdé druºice byla trojice atomových hodin jedny
s cesiovým a dvoje s rubidiovým standardem. Plánovaná ºivotnost byla 4,5 roku, ale v¥t²ina druºic spolehliv¥ slouºila více neº dvojnásobek této doby. Poslední druºice Bloku I byla vy°azena z aktivní sluºby v listopadu 1995. V letech 1989 a 1990 byly op¥t rmou Rockwell International vyrobeny druºice
II.
Bloku
V²ech dev¥t vyrobených druºic vynesly na ob¥ºnou dráhu rakety Delta II z le-
tecké základny na mysu Canaveral na Florid¥. Oproti druºicím Bloku I mají zlep²ené odstín¥ní p°ed kosmickým zá°ením, ob¥ºnou dráhu se sklonem
55◦
k rovin¥ rovníku
a jsou také prvními druºicemi GPS, které jsou vybaveny p°ístrojem na detekci jaderných explozí. Navíc dokáºí fungovat 14 dní bez nutnosti korekcí z pozemního °ídícího st°ediska. Na palub¥ nesou £tvery atomové hodiny. Dvoje s cesiovým a dvoje s rubidiovým standardem. Plánovaná ºivotnost je 7,3 roku, ale v sou£asnosti je²t¥ dv¥ druºice Bloku II spolehliv¥ fungují (nejstar²í dodnes funk£ní druºice byla vypu²t¥na v prosinci 1989).
1 Full
Operational Capability, plná opera£ní schopnost globálního polohového systému GPS. Byla vyhlá²ena 17. £ervence 1995, po dosaºení po£tu 24 druºic Bloku II a IIA na ob¥ºné dráze a jejich d·sledném testování. V obecném pojetí ozna£ení pro dostupnost dané technologie (frekvence, kódu) na 24 pln¥ funk£ních druºicích GPS na ob¥ºné dráze.
8
2.1 ásti systému
Dal²ím typem jsou druºice z °ady
Blok IIA, vyráb¥né v letech 1990 aº 1997. S Blokem
II mají spole£ného výrobce, stejné vybavení i stejnou ºivotnost, ale dokáºí samostatn¥ pracovat bez nutnosti zásah· z pozemního °ídícího st°ediska po dobu 180 dní, t°ebaºe za cenu sníºené p°esnosti ur£ení polohy. N¥které na palub¥ nesou nov¥ i laserový odraºe£, který umoº¬uje velmi p°esné zam¥°ení polohy druºice pomocí laserového paprsku vyslaného ze Zem¥. Z 19 druºic vyrobených a vynesených na ob¥ºnou dráhu je jich dnes v provozu 16. Také druºice Bloku IIA byly na ob¥ºnou dráhu vyneseny raketou Delta II. Nejmodern¥j²í typ druºic GPS v sou£asnosti umíst¥ných na ob¥ºné dráze p°edstavuje
Blok IIR.
Výroba za£ala v roce 1997 a poslední druºice této typové °ady byla vy-
pu²t¥na 6. listopadu 2004. Firmou Lockheed Martin bylo vyrobeno t°ináct druºic, ale na ob¥ºné dráze jich pracuje jen dvanáct. První druºice byla ztracena p°i neúsp¥²ném startu 17. ledna 1997. ivotnost druºic Bloku IIR je plánována na 10 let. Nejv¥t²í zm¥ny oproti Bloku IIA jsou: op¥tovné zlep²ení odstín¥ní p°ed kosmickým zá°ením, zv¥t²ení zásob paliva pro raketové motory a p°eprogramovatelný palubní po£íta£. Atomové hodiny jsou v druºici troje, v²echny s rubidiovým standardem. Nejd·leºit¥j²í je ale schopnost samostatného fungování druºice bez zásahu z pozemního °ídícího st°ediska. Druºice Bloku IIR spolu dokáºí komunikovat, sledovat svoje pozice a korigovat své dráhy. Tato schopnost v²ak zatím nem·ºe být vyuºita, protoºe v²echny druºice by musely být typu Blok IIR. Zatím je moºno u Bloku IIR vyuºít jen schopnost stoosmdesátidenního samostatného provozu bez provád¥ní korekcí z pozemního °ídícího centra, podobn¥ jako u druºic Bloku IIA. Druºice Bloku IIR byly na ob¥ºnou dráhu vyneseny raketou Delta II z letecké základny na mysu Canaveral.
2.1.2 ídící segment ídící segment monitoruje funkci druºic a p°edává jim údaje o dráze, chodu jejich hodin a dal²í pomocná data. Tzv.
opera£ní °ídící systém
(Operational Control Sys-
tem OCS) se skládá z jedné hlavní °ídící stanice, p¥ti monitorovacích stanic a t°í pozemních °ídících stanic. Tento systém byl pln¥ uveden do provozu v roce 1985.
Hlavní °ídící stanice
se nachází v Colorado Springs. Shromaº¤uje m¥°ení z monito-
rovacích stanic a po£ítá efemeridy druºic a parametry druºicových hodin. Výsledky pak jdou do pozemních °ídících stanic, které je ve vhodný okamºik p°edávají druºicím. Tyto efemeridy slouºí k navigaci v reálném £ase (tzv. vysílané efemeridy). V
9
2 NAVSTAR GPS
Colorado Springs je zárove¬ jedna z p¥ti
monitorovacích stanic.
Dal²í jsou na ostro-
vech Hawai (Tichý oceán), Ascension Island (jiºní Atlantik), Diego Garcia (Indický oceán) a Kwajalein (Tichý oceán). Tyto stanice jsou vybaveny p°esnými cesiovými £asovými normály a p°ijíma£i P-kódu. M¥°ení jsou p°edávána hlavní °ídící stanici. Monitorovací stanice tvo°í o ciální sí´ pro ur£ování vysílaných efemerid a modelování chodu druºicových hodin. Výsledky jsou modulovány do druºicového signálu a jsou tak dostupné pro navigaci v reálném £ase. Stanice Ascension Island, Diego Garcia a Kwajalein jsou zárove¬ tzv.
pozemní °ídící stanice.
Jsou vybaveny prost°edky pro
komunikaci se satelity a p°edávají jim efemeridy a údaje o chodu jejich hodin, které byly vypo£ítány v hlavní °ídící stanici. V sou£asné dob¥ se tyto údaje p°edávají na druºice jednou denn¥. Pro p°esné geodetické a geofyzikální aplikace jsou zpravidla poºadovány p°esn¥j²í dráhy, neº jsou vysílané efemeridy. Od roku 1992 ur£uje takové vysoce p°esné (precise) dráhy civilní
Mezinárodní GPS sluºba pro geodynamiku
International GPS Service for Geodynamics (IGS). p°ístupné na internetu.
10
Tyto dráhy jsou se zpoºd¥ním
2.2 Výpo£et polohy
2.1.3 Uºivatelský segment
Uºivatelský segment tvo°í v²echny p°ijíma£e GPS. Dnes jiº existuje mnoho typ·, které lze d¥lit podle n¥kolika hledisek.
•
podle pouºití
•
tzv. geodetické
podle po£tu p°ijímaných frekvencí
•
ru£ní nebo naviga£ní (turistické)
jednofrekven£ní dvoufrekven£ní
podle po£tu kanál·
jednokanálové - v²echny druºice jsou p°ijímány na jednom kanálu vícekanálové - pro kaºdou druºici je rezervován jeden kanál (modern¥j²í konstrukce)
•
podle schopnosti vyuºívat kódová m¥°ení
kódové - jsou schopny generovat PRN kódy a m¥°it pseudovzdálenost (viz dále)
bez kódu - jsou schopny pouze obnovit p·vodní nosnou vlnu a m¥°it fázi p°ijímaného signálu
2.2 Výpo£et polohy 2
GPS je pasivní
dálkom¥rný systém. Dálkom¥rné systémy ur£ují polohu p°ijíma£e
pomocí vzdáleností od jednotlivých druºic. Známe-li sou°adnice druºic (xi , yi , zi ) a vzdálenosti alespo¬ ke 3 druºicím, m·ºeme polohu p°ijíma£e (xk , yk , zk ) ur£it vy°e²ením t°í rovnic pro t°i neznámé.
Dki =
p
(xi − xk )2 + (yi − yk )2 + (zi − zk )2 , i = 1, 2, 3
(2.1)
2 Uºivatel
GPS informace pouze p°ijímá (uºivatelé nejsou vybaveni tzv. "odpovída£em" na dotaz druºice, z jehoº odpov¥di °ídící systém vypo£ítá polohu uºivatele).
11
2 NAVSTAR GPS
Polohu druºic p°ijíma£ vypo£ítává z Keplerovských parametr· jejich drah (efemerid), které jsou obsahem tzv. naviga£ní zprávy (viz dále).
2.2.1 Druºicový signál
Srdce kaºdé druºice tvo°í velmi p°esné atomové hodiny s cesiovým nebo rubidiovým standardem. Starají se o dlouhodobou frekven£ní stabilitu vysílaného signálu.Takto je vytvá°ena základní frekvence L pásma
f0 = 10, 23 MHz. Koherentn¥ odvozeny jsou
nosné frekvence signál· L1 a L2, které vznikají vynásobením základní frekvence hodnotami 154 a 120, coº dává L1 = 1575.42 MHz a L2 = 1227.60 MHz. Dv¥ sinusové nosné vlny
L1 , L2
s frekvencemi
f1
a
f2
jsou modulovány kódy a naviga£ní zprávou a
p°ená²ejí tak £tení druºicových hodin, dráhové parametry druºice atd. Je pouºívána tzv.
dvoufázová modulace.
Kódy
P (t), C(t)
a naviga£ní zpráva
D(t)
jsou pseudoná-
hodné (PRN-PseudoRandom Noise) posloupnosti £íslic +1 a -1 a do nosné vlny jsou
◦ zaneseny tak, ºe p°i zm¥n¥ stavu se fáze vysílaného signálu zm¥ní o 180 . PRN kódy jsou pro kaºdou druºici unikátní a zaji²´ují p°ijíma£i GPS jednozna£nou identi kaci druºice vysílající daný kód.
12
2.2 Výpo£et polohy
Výsledný signál m·ºe být popsán rovnicemi:
kde
ap , ac
L1 (t) = ap P (t) D(t) cos 2π(f1 t) + ac C(t) D(t) sin 2π(f1 t)
(2.2)
L2 (t) = bp P (t) D(t) cos 2π(f2 t) ,
(2.3)
a
bp
jsou amplitudy signál·.
PRN Kódy PRN sekvence kódu jsou generovány pomocí kombinace výstup· z desetibitových posuvných registr·. Kaºdý registr obsahuje deset bun¥k, z nichº kaºdá p°edstavuje jeden bit. S kaºdým pulsem atomových hodin se bity posunou doprava a hodnota bitu umíst¥ného nejvíce vpravo je ode£tena jako výstup z registru. Nová hodnota bu¬ky umíst¥né nejvíce vlevo je ur£ena binárním sou£tem hodnot dvou vybraných °ídících bun¥k hodnoty 0 nabývá v p°ípad¥, ºe údaje v obou bu¬kách jsou stejné, v ostatních p°ípadech má hodnotu 1. Pouºití r·zných kombinací °ídících bun¥k je rozhodujícím faktorem pro vytvá°ení jedine£ného PRN kódu kaºdé druºice.
• C/A
3
je ur£en pro hrubé m¥°ení. Perioda C/A kódu trvá 1 ms a je dlouhý
1023 bit·. asový interval mezi dv¥ma bity je tedy asi 1ms, za tuto dobu urazí signál p°ibliºn¥ 300 m. C/A kód je modulován pouze na vln¥ L1.
3 tzv.
Gold·v kód, C/A - Course Acquisition, C/A znamenalo také volný p°ístup (Clear Access).
13
2 NAVSTAR GPS
• P kód
je modulován na obou nosných vlnách L1, L2 a je ur£en pouze pro au-
torizované uºivatele. Dv¥ frekvence pouºívané k m¥°ení umoº¬ují odstran¥ní ionosférických a troposférických refrakcí, coº zaji²´uje velmi p°esné ur£ení polohy. Stejn¥ jako C/A není P kód ²ifrován. Je vytvá°en kombinací bitových sekvencí dvou registr·. První sekvence je opakována kaºdou 1,5 s a vzhledem k frekvenci 10,23 MHz, má délku
1, 5345 · 107
kombinací vzniká kód o délce
bit·, druhá sekvence je o 37 bit· del²í. Jejich
2, 3547 · 1014
bit·, coº ur£uje dobu opakování P
kódu na p°ibliºn¥ 266,4 dne. asový interval mezi dv¥ma bity je desetkrát men²í neº u C/A kódu, coº odpovídá p°ibliºn¥ 30 m v m¥°ené vzdálenosti. Celá délka kódu je rozd¥lena na 37 £ástí. Kaºdé druºici je na jeden týden p°id¥lena jedna z £ástí P kódu, £ímº je docíleno rozdílných PRN druºic. Vºdy o sobotní p·lnoci, kdy pro GPS za£íná nový týden, dochází zárove¬ i ke zm¥n¥ vysílané £ásti kódu. V p°ípad¥ fungování utajovacího reºimu A-S (Anti-Spoo ng) je P kód ²ifrován pomocí Y kódu (proto se také n¥kdy ozna£uje jako P(Y) kód), který vzniká jako sou£et P a W kód·. P kód tedy získáme pouze v p°ípad¥, známe-li tajný W kód. S tím v²ak pracují pouze vojenské p°ijíma£e.
• Naviga£ní zpráva je posledním typem kódu vysílaného druºicemi. Je vysílána frekvencí 50 Hz, její délka je 1 500 bit· a skládá se z p¥ti £ástí (subfram·), kaºdé po 300 bitech. Obsah naviga£ní zprávy
as vysílání po£átku zprávy
Keplerovské efemeridy druºice - k výpo£tu polohy druºice v £ase
Almanach - údaje o poloze a stavu ostatních druºic, coº umoº¬uje vyhledat
ti
z p°íjmu signálu jediné druºice signály ostatních
Koe cienty ionosférického modelu k odstran¥ní vlivu ionosférické refrakce - viz dále
14
Stav druºice (tzv. health) k posouzení hodnov¥rnosti p°ijaté zprávy
2.2 Výpo£et polohy
Sloºka
Frekvence [MHz]
Základní frekvence
f0
=
10.23
. = 19.0 cm) . (λ2 = 24.4 cm)
Nosná vlna
L1
f1 = 154 f0
=
1575.42 (λ1
Nosná vlna
L2
f2 = 120 f0
=
1227.60
f0
=
10.23
f0 /20
=
0.5115
f0 /10
=
1.023
=
50 · 10−6
P-kód
P (t)
W-kód
W (t)
C/A-kód
C(t)
Naviga£ní zpráva
D(t) f0 /204600
2.2.2 Kódové m¥°ení
M¥°ení vzdáleností je nahrazeno m¥°ením doby druºice dosáhl p°ijíma£e. Doba p°ijíma£em
tk
τdi
τdi ,
pot°ebné k tomu, aby signál z
se v GPS ur£uje z rozdílu £asu p°ijetí signálu
a £tení druºicových hodin
ti
v okamºiku odeslání signálu. Z tohoto
rozdílu je moºné vypo£ítat vzdálenost mezi druºicí a p°ijíma£em pomocí vztahu
Dki = c · (tk − ti ) = c · τmi ,
(2.4)
kde
•
c = 299792458.0 m/s je rychlost sv¥tla,
15
2 NAVSTAR GPS
• tk
je £tení hodin p°ijíma£e v okamºiku p°ijetí signálu,
• ti
je £tení hodin druºice v okamºiku odeslání signálu,
• τmi
je tedy m¥°ená doba p°enosu signálu.
Tato vzdálenost je v²ak zatíºena mnoha chybami, nazývá se tedy
pseudovzdáleností
(pseudorange) nebo také zdánlivou vzdáleností. Nejvýznamn¥j²í chybou je nesynchronnost £asové základny systému (druºice) a uºivatele (p°ijíma£e). asová základna p°ijíma£e (tzv. hodiny) je totiº posunuta o neznámý £asový interval hodin p°ijíma£e), který m·ºeme p°epo£ítat na vzdálenost
b = c·δk
musíme tedy p°idat do rovnic (2.1) chybu hodin p°ijíma£e
δk
δk
(tzv. chyba
. Pro ur£ení polohy
jako £tvrtou neznámou,
z £ehoº vyplývá nutnost p°íjmu signálu od nejmén¥ 4 druºic sou£asn¥.
τdi · c =
p
(xi − xk )2 + (yi − yk )2 + (zi − zk )2 = dki = (τmi + δk ) · c = Dik + b,
(2.5)
i = 1, 2, 3, 4
M¥°ení zpoºd¥ní prob¥hne v GPS p°ijíma£i zhruba takto: Kaºdá druºice vysílá pseudonáhodnou posloupnost v £ase
C(t)
nebo
P (t).
t signál, který druºice vyslala ve tvaru C(t − τ ) nebo P (t − τ ). P°ijíma£ vytvá°í
kopii vysílané pseudonáhodné posloupnosti a posouvá ji v £ase o kopie
P°ijíma£ zachytí
C(t − τ 0 )
nebo
P (t − τ 0 )
τ 0.
Tato posunutá
je porovnávána s p°ijatým signálem. Posunutí, které
bylo nutné k dosaºení maximálního souhlasu (korelace) s p°ijatým signálem, je hledané zpoºd¥ní
τ.
P°ijíma£e jsou schopné najít místo maximální korelace p°ibliºn¥ s
1% p°esností, coº odpovídá t°ímetrové p°esnosti m¥°ené vzdálenosti p°i pouºití C/A kódu a 30 cm p°i m¥°ení s P kódem. Nevýhodou tohoto ur£ování zpoºd¥ní je nejednozna£nost zp·sobená periodicitou signálu. C/A kód má periodu 1 ms, nejednozna£nost v ur£ení délky je tedy asi 300 km. P°ijíma£ tedy pot°ebuje znát svoji p°ibliºnou po-
4
lohu . V p°ípad¥ neznalosti p°ibliºné polohy lze k roz²í°ení nejednozna£nosti pouºít datové bity s periodou 20 ms (=> 6000 km v ur£ení vzdálenosti). O problému nejednozna£nosti m¥°ené vzdálenosti p°i pouºití P kódu není, p°i délce jeho periody 266 dní (i kdyº se pouºívá pouze sedmidenní £ást), pro uºivatele v blízkosti Zem¥ t°eba mluvit.
4 tzv.
16
po£áte£ní inicializace - viz. dále
2.2 Výpo£et polohy
2.2.3 Fázové m¥°ení
Po ur£ení zpoºd¥ní vzdálenosti
Dki
τ
je naviga£ní zpráva dekódována. Výsledkem je krom¥ pseudo-
a naviga£ní zprávy i demodulovaný, dopplerovsky posunutý druºicový
signál, který je moºné za ur£itých podmínek pouºít k p°esn¥j²ímu výpo£tu polohy uºivatele. Signál je op¥t korelován s jeho kopií, generovanou v p°ijíma£i. P°ijíma£ tak zji²´uje rozdíl fáze p°ijatého signálu
φk (t) a fáze signálu v £ase vyslání druºicí φ(t−τ ).
i Hledaná vzdálenost Dk je potom dána sou£tem zlomku cyklu
∆λ, získaného z rozdílu
fází, a celkového po£tu cykl· sinusové vlny mezi druºicí a p°ijíma£em vynásobeným vlnovou délkou signálu.
Dki = (niF k + ∆λ) · λ
(2.6)
Po zapnutí p°ijíma£e je spu²t¥n £íta£, který po£ítá prob¥hnuté celé cykly sinusové vlny. P°ijíma£ v²ak není schopen rozpoznat po£et cykl·, prob¥hlých p°ed zapnutím £íta£e. Celkový po£et cykl·
niF k
mezi druºicí
i
a p°ijíma£em
být tedy zahrnut do výpo£tu jako dal²í neznámá. Tato tzv.
guita
k
pro frekvenci
F
musí
po£áte£ní fázová ambi-
je velký problém p°i zpracování fázového m¥°ení. První p°ibliºný odhad její
velikosti poskytne vzdálenost vypo£ítaná kódovým m¥°ením. Pouºitím tzv. trojitých diferencí mezi dvojicí p°ijíma£·, dvojicí druºic a dvojicí m¥°ení následujících po sob¥ je moºné neznámou
niF k
eliminovat. Podmínkou je v²ak nep°eru²ený p°íjem druºico-
vého signálu. Nesmí tedy dojít k tzv.
fázovému skoku,
kdy p°i p°eru²ení signálu £íta£
nezaznamená ur£itý celý po£et prob¥hlých cykl·. Tato podmínka je limitujícím faktorem pro fázové m¥°ení v zakrytém území (v lese, mezi zástavbou). Moºností výpo£tu neznámé
niF k
existuje krom¥ jmenovaných trojitých diferencí celá °ada (nap°. pou-
ºití lineárních kombinací m¥°ení na obou kmito£tech). Podrobn¥j²í výklad výpo£tu ambiguit v²ak p°esahuje rámec tohoto pojednání. Problém °e²ení neznámých ambiguit p°i fázovém m¥°ení v podstat¥ znemoº¬uje ur£ení polohy pouze jedním p°ijíma£em. Pouºívá se tedy dvojice p°ijíma£· a ur£uje se jejich relativní poloha. D·vodem vy²²í p°esnosti m¥°ení s fází oproti m¥°ení kódovému je daleko krat²í vlnová délka (λ1
≈ 19.0cm, λ2 ≈ 24.4cm)
neº je délka kódu. Ur£í-li p°ijíma£ rozdíl fází op¥t s 1%
nejistotou, dostáváme se v p°esnosti m¥°ené vzdálenosti
Dki
do °ádu milimetr·.
17
2 NAVSTAR GPS
2.3 P°esnost GPS
Náhodné chyby systému GPS jsou sloºeny z chyby m¥°ené vzdálenosti (pseudorange error) a hodnoty tzv. geometrické odchylky od p°esnosti (GDOP-Geometric Dilution of Precision). Nosná vlna postupuje od druºice k p°ijíma£i atmosférou, která ovliv¬uje rychlost ²í°ení vln a tím i transitní £as, m¥°ené pseudovzdálenosti a fázové rozdíly. Atmosféru se z hlediska ²í°ení signálu d¥lí na dv¥ £ásti, ionosféru a troposféru. Kaºdá £ást ovliv¬uje signál GPS jiným zp·sobem. Mezi systematické chyby mající vliv na p°esnost m¥°ené vzdálenosti pat°í:
1.
Ionosférická refrakce Ionosféra je £ást atmosféry ve vý²ce 50 aº 1000 km nad povrchem Zem¥. Tato £ást atmosféry obsahuje volné elektrony a chová se jako
dispersní
médium. Tedy
refrak£ní index
(a tím i rychlost vlny) závisí na frek-
venci signálu a na po£tu volných elektron· v atmosfér¥. Ionosférická refrakce je tedy závislá na elevaci (minimálních hodnot nabývá p°i elevaci
90◦
- tedy v
nadhlavníku) a na denní dob¥ (minimum v £asných ranních hodinách, maximum kolem 14 hodin místního £asu), mén¥ výrazná je závislost na ro£ní dob¥ (maximum na podzim). Ionosférické zpoºd¥ní tedy závisí na slune£ní aktivit¥,
5
která vykazuje jedenáctiletou periodicitu , p°i kódovém m¥°ení nam¥°íme vlivem ionosféry del²í vzdálenost, p°i m¥°ení s fází nam¥°í p°ijíma£ vzdálenost o stejnou hodnotu krat²í.
2.
Troposférická refrakce
- Troposféra je niº²í £ást atmosféry, která zp·sobuje
stejnou chybu m¥°ení na obou nosných vlnách pro kódová i fázová m¥°ení. Její vliv se eliminuje diferencováním a nebo se vliv troposféry zavádí jako dal²í neznámá. Troposférická refrakce je závislá na vzdálenosti, kterou signál v troposfé°e urazí. Tedy op¥t na eleva£ním úhlu, ale i na nadmo°ské vý²ce p°ijíma£e.
3.
Nep°esná znalost dráhy druºic - efemeridy vysílané v naviga£ní zpráv¥, pouºívané pro výpo£et polohy druºic v p°ijíma£i, mají charakter p°edpov¥di pro n¥kolik nejbliº²ích hodin. Na internetu jsou s ur£itým zpoºd¥ním k dispozici
5 Maxilních
18
hodnot dosahovala aktivita Slunce v roce 2001.
2.3 P°esnost GPS
6
zp°esn¥né parametry drah druºic , které v²ak logicky není moºné pouºít k navigaci v reálném £ase. Tyto zp°esn¥né efemeridy mají v²ak význam aº pro velmi p°esné geodetické práce.
4.
Chyba druºicových hodin - na druºicích jsou umíst¥ny velmi p°esné atomové hodiny. Tato chyba dosahuje daleko men²ích hodnot neº chyba hodin p°ijíma£e. Krom¥ toho jsou v naviga£ní zpráv¥ k dispozici paramatry pro výpo£et aktuální velikosti této chyby, coº umoº¬uje vliv chyby hodin druºice v podstat¥ eliminovat.
5.
Variace fázového centra antény - geometrická vzdálenost Dki
není vztaºena
ke geometrickému st°edu antény. Op¥t má vliv aº pro velmi p°esné geodetické práce.
6.
Multipath
- vícecestné ²í°ení signálu v d·sledku odrazu od r·zných ploch v
blízkosti p°ijíma£e (zástavba, lesní porost, . . . ). Geodetické p°ístroje pouºívají anténu s tlumícím prstencem, zmír¬ujícím ú£inky vedlej²ích odraºených signál· od objekt· pod anténou. Tato technika v²ak neovliv¬uje ú£inky vedlej²ích odraz· od objekt· nad úrovní antény.
K odstran¥ní chyb 1.-4., v£etn¥ chyby hodin p°ijíma£e, se pouºívají jiº zmi¬ované diference a lineární kombinace m¥°ení. P°i výpo£tu pomocí diferencí se poloha ur£uje pouze relativn¥, ur£ení absolutních sou°adnic by vedlo k singulárnímu systému normálních rovnic. P°i relativním ur£ování polohy dvou p°ijíma£· se vliv t¥chto chyb zvy²uje v závislosti na vzdálenosti obou stanic. Ur£ujeme-li absolutní polohu v reálném £ase a pouze na jedné frekvenci, odstra¬uje p°ijíma£ vliv ionosférické refrakce z modelu obsaºeném v naviga£ní zpráv¥.
SA (Selective Availability) Na tomto míst¥ se slu²í p°ipomenout chybu, která m¥la donedávná nejv¥t²í vliv na p°esnost ur£ení polohy civilním uºivatelem. Jedná se o SA (Selective Availability - výb¥rový p°ístup), který spo£íval v zám¥rné zm¥n¥ vysílaných údaj· druºicových hodin
6 P°esnost
polohy druºice, vypo£tené z vysílaných (broadcast) efemerid, se pohybuje v °ádu metr·. Pomocí zp°esn¥ných efemerid se p°esnost polohy druºice dostane do °ádu decimetr·.
19
2 NAVSTAR GPS
a efemerid v naviga£ní zpráv¥, £ímº do²lo k zhor²ení p°esnosti m¥°ené vzdálenosti. Reºim SA byl zaveden 25.3.1990 a ukon£en 1.5.2000.
GDOP (Geometrical Dilution of Precesion) GDOP je ukazatelem kvality geometrického rozloºení druºic nad obzorem v okamºiku m¥°ení. ím více viditelných druºic, které jsou od sebe co nejvíce vzdáleny, tím men²í hodnota DOP a vy²²í kvalita m¥°ení. GDOP je bezrozm¥rné £íslo. Dosaºitelná minimální hodnota GDOP je rovna jedné. P°i výpo£tu polohy dostáváme z rovnic oprav tzv. normální rovnice. Inverzí matice normálních rovnic získáme £tvercovou kovarian£ní matici. Odmocnina ze stopy této matice je námi hledaná veli£ina DOP. leny na hlavní úhlop°í£ce jsou mocniny sm¥rodatných odchylek jednotlivých neznámých.
1 q 2 GDOP = · σx + σy2 + σz2 + σt2 , σ0
(2.7)
kde
σ0
je jednotková sm¥rodatná odchylka.
Sledování velikosti DOP m¥lo význam p°edev²ím v dob¥, kdy nebyl dostate£ný po£et druºic a bylo nutno plánovat £asy observací. Hodnoty GDOP jsou zobrazovány na v¥t²in¥ GPS p°ijíma£·.
2.4 Postup p°i geodetických m¥°eních s GPS V geodézii se prakticky vºdy pouºívá relativní zp·sob ur£ování polohy, kdy sou£asn¥ m¥°í nejmén¥ dva p°ijíma£e a výsledkem je
relativní poloha
t¥chto p°ijíma£·.
V naprosté v¥t²in¥ p°ípad· jsou v geodézii vyuºívána fázová m¥°ení. P°i tzv.
statické
metod¥ m¥°í nejmén¥ dva (ale zpravidla více) p°ijíma£· sou£asn¥ po dobu n¥kolika hodin £i del²í. Statická metoda poskytuje nejp°esn¥j²í výsledky. Pouºívá se pro budování polohových základ·, p°i sledování deformací nebo v geodynamických sítích.
Rychlá statická metoda je ekonomi£t¥j²í variantou metody statické a je pravd¥podobn¥ nej£ast¥ji pouºívanou metodou v geodézii. Hodí se zejména pro zhu²´ování bodových
20
2.4 Postup p°i geodetických m¥°eních s GPS
polí. Doba observace na bodech je zkrácena na 1030 minut podle typu p°ístroje (podstatné je zejména, zda jde o p°ístroj jednofrekven£ní £i dvoufrekven£ní), vzdálenosti mezi p°ijíma£i (délky základny) a kon gurace druºic v okamºiku m¥°ení. Doba m¥°ení je dána minimální dobou nutnou k bezpe£nému vy°e²ení ambiguit. Po jejich vy°e²ení je p°esnost ur£ených sou°adnic dostate£ná (centimetrová) i z velmi krátkých observa£ních interval·. Moderní p°ístroje zpravidla automaticky signalizují, ºe m¥°ení trvalo dostate£n¥ dlouhou dobu a je moºné jej ukon£it. Jeden p°ijíma£ z·stává na referen£ní stanici R po celou dobu m¥°ení. Druhý p°ijíma£ p°echází postupn¥ mezi ur£ovanými body. Pokud jsou poºadovány výsledné sou°adnice ur£ovaných bod· v systému JTSK, je nezbytné m¥°it rovn¥º na trigonometrických bodech (∆). Tak získáme sou°adnice identických bod· pro výpo£et lokálního klí£e sedmiprvkové Helmertovy transformace.
Metoda stop and go je zp·sob m¥°ení podobný rychlé statické metod¥, ale s tím rozdílem, ºe p°ijíma£ nep°estává m¥°it ani p°i p°esunu mezi jednotlivými podrobnými body. Tato metoda má tu výhodu, ºe jen na prvním bod¥ je nutno setrvat tak dlouho, dokud není moºné spolehliv¥ vy°e²it ambiguity (°ádov¥ desítky minut podle typu p°ístroje). Na zbývajících bodech je moºno m¥°ení zkrátit na n¥kolik sekund za p°edpokladu, ºe b¥hem p°esunu nedo²lo ke ztrát¥ signálu a amibiguity se nezm¥nily. Metoda je teoreticky velmi elegantní, ale práv¥ posledn¥ zmín¥ný p°edpoklad je v praxi £asto t¥ºko splnitelný. V p°ípad¥ ztráty signálu p°echází metoda stop and go v rychlou statickou metodu. Metoda stop and go je vhodná k zam¥°ování podrobných bod· v terénu bez p°ekáºek omezujících viditelnost satelit·.
Kinematická metoda s inicializací
je podobná metod¥ stop and go. Po£áte£ní inicia-
lizace (vy°e²ení ambiguit) prob¥hne podobn¥ jako p°i rychlé statické metod¥. Poté se jeden z p°ijíma£· dává do pohybu a provádí m¥°ení v krátkém £asovém kroku (nap°. jedné sekundy). Podmínkou je, ºe pohybující se p°ijíma£ nesmí ztratit b¥hem m¥°ení signál. V opa£ném p°ípad¥ je nutno opakovat inicializaci. Vý²e zmín¥nou nevýhodu nutnost opakovat inicializaci se pokou²í odstranit
kine-
matická metoda bez inicializace. Tato metoda vychází z p°edpokladu, ºe ambiguity je moºno ur£it na základ¥
p°esných kódových m¥°ení
i p°i pohybu p°ijíma£e (on-the- y
ambiguity resolution).
RTK - Real Time Kinematic Jedná se o získání aktuálních p°esných korekcí m¥°ených sou°adnic v reálném £ase, data pro výpo£et korekcí poskytuje referen£ní stanice umíst¥ná na bod¥ o známých sou°adnicích. Metoda RTK tedy vyºaduje speciální m¥°ící
21
2 NAVSTAR GPS
aparaturu vybavenou, jak hardwarov¥ (pro p°enos m¥°ených dat nebo p°ímo korekcí mezi stanicemi), tak softwarov¥ (pro online výpo£et korekcí). Metoda RTK se vyuºívá pro vyty£ovací práce.
Diferen£ní GPS (DGPS) je pravd¥podobn¥ jedinou geodetickou aplikací GPS, která vyuºívá nikoliv fázových, ale pouze kódových m¥°ení. Výrazného zp°esn¥ní v ur£ení polohy lze totiº dosáhnout opravou nam¥°ených vzdáleností. Na bod¥ se známými sou°adnicemi m¥°í p°ijíma£ (tzv. referen£ní stanice nebo také báze). Tento p°ijíma£ je schopen ur£it opravy m¥°ených vzdáleností k vypo£teným p°esným vzdálenostem, získaným z polohy druºice a známé pozice p°ijíma£e. Tyto opravy jsou pak pouºity k zp°esn¥ní m¥°ených vzdáleností druhého p°ijíma£e. Opravy je moºné p°ijíma£·m dodávat bu¤ on-line
7
8
pro zp°esn¥ní polohy v reálném £ase nebo o-line
pro pozd¥j²í
zpracování m¥°ení (tzv. postprocessing). V druhém p°ípad¥ musí být oba p°ijíma£e schopny ukládat m¥°ené pseudovzdálenosti (tzv. raw-data). V sou£asné dob¥ probíhá na území eské republiky testovací provoz sít¥ refen£ních
9
stanic CZEPOS . Krom¥ korekcí pro DGPS bude sí´ CZEPOS poskytovat i dal²í
10
sluºby
.
2.4.1 Transformace mezi systémy
Systémem NAVSTAR GPS je pouºíván geocentrický sou°adný systém
WGS 84
(World Geodetic System) - Sv¥tový geodetický systém z roku 1984, který poskytuje údaje ve tvaru zem¥pisné ²í°ky
ϕ a délky λ. Systém WGS 84 pracuje z kartogra ckého
hlediska s parametry elipsoidu WGS 84
7 Bu¤
11
.
p°es internet nebo p°es GSM. Ve formátu uvedeném v dokumentu RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services), v p°ípad¥ distribuce p°es internet v "obálce" NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol). 8 Ve formátu RINEX(Receiver INdependent EXchange format) 9 CZEPOS je spole£ný projekt ZÚ (Zem¥m¥°ického ú°adu) v Praze , VÚGTK (Výzkumného ústavu geodetického, topogra ckého a kartogra ckého) a ÚZK (eského ú°adu zem¥m¥°ického a katastrálního) 10 nap°. virtuální referen£ní stanice pro kinematické m¥°ení - RTK 11 Rozdíly zem¥pisných sou°adnic WGS 84 oproti vojenskému sou°adnicovému sytému S42 (poºívajícímu Krasovského elipsoid) jsou na území R p°ibliºn¥ 100 - 150 m. S42 je pouºíván nap°. na turistických mapách.
22
2.4 Postup p°i geodetických m¥°eních s GPS
Obecný postup transformace mezi systémy: 12
1. Nejd°íve musíme pomocí zobrazovacích
rovnic p°evést rovinné sou°adnice X,Y
konkrétního systému (nap°. S-JTSK, S42) na zem¥pisné
ϕ, λ
na konkrétním
elipsoidu (S-JTSK pouºívá Bessel·v elipsoid, S42 Krasovského elipsoid).
2. Zem¥pisné sou°adnice p°evedeme na kartézské sou°adnice X,Y,Z.
3. Pomocí sedmiprvkové Helmertovy transformace získáme kartézské sou°adnice X',Y',Z' jiº v novém systému.
4. Kartézské sou°adnice X',Y',Z' p°evedeme na zem¥pisné
ϕ 0 , λ0 .
5. Výsledné rovinné sou°adnice v novém systému získáme op¥t pomocí zobrazovacích rovnic konkrétního kartogra ckého zobrazení.
Problémy transformací
• S-JTSK
- Vý²e popsaný transforma£ní postup je sice exaktní, naráºí v²ak na
problém pom¥rn¥ velkých lokálních deformací S-JTSK, neexistuje tedy jediný
13
globální transforma£ní klí£
Helmertovy sedmiprvkové transformace pro celé
území R. Pro geodetické práce se proto pro kaºdé území vypo£ítavá lokální transforma£ní klí£ z m¥°ených dat na identických bodech.
• S42
- U kvalitn¥j²ího Systému 1942 v²ak nastává jiný problém. S42 je systém
vojenský, transforma£ní klí£e tedy stále podléhají vojenskému utajení. Zve°ej¬ované transforma£ní klí£e tedy op¥t zaru£ují pouze metrovou p°esnost.
2.4.2 Ukládání dat
Pro pozd¥j²í zpracování m¥°ených dat (tzv.
postprocessing )
formát·. Mezi nejpouºívan¥j²í pat°í RINEX (Receiver
mat).
bylo vyvinuto n¥kolik
INdepenedend EXchange for-
Pouºívají se dv¥ formy tohoto formátu - naviga£ní (informace o poloze druºic,
12 Postup
výpo£tu rovinných sou°adnic, v konrétním kartogra ckém zobrazení, ze zem¥pisných sou°adnic a naopak. 13 Globální transforma£ní klí£ zaru£uje pouze metrovou p°esnost.
23
2 NAVSTAR GPS
koncovka .XXn
14
) a observa£ní (m¥°ená data - pseudovzdálenosti a fázová m¥°ení,
koncovka .XXo). Pro ukládání zp°esn¥ných sou°adnic druºic je ur£en formát ru£ních GPS p°ijíma£ích se pouºívá protokol
SP3.
V
NMEA.
Stru£ný popis formátu RINEX Ve formátu RINEX (Receiver
INdepenedend EXchange format) jsou uchovávana, krom¥
jiného, data z GPS p°ijíma£·. Formát RINEX byl vyvinut, aby bylo moºno ukládat a následn¥ zpracovávat data z r·zných typ· p°ijíma£· a r·znými software. Soubory v tomto formátu jsou ASCII, maximalní délka °ádku je 80 znak·. Soubor je striktn¥ formátovaný, záleºí tedy na poloze na znak· °ádce. Soubor lze rozd¥lit na dv¥ základní £ásti - hlavi£ku a vlastní t¥lo s daty. V hlavi£ce jsou zapsány obecné údaje o obsahu souboru a kon£í °ádkem
END OF HEADER.
Následuje t¥lo souboru. Zde je
uveden p°íklad takového souboru v£etn¥ stru£ného popisu.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 1: 2: 3: 4: 5: 6: 7: 8: 9: 10: 11: 12: 13: 14: 15: 16: 17: 18: 19:
2 OBSERVATION DATA GPS GEOTRACER GPS Decoder Ver. 2.2 24-Jun-1999, 00:25 WETTZELL-1202 14201M010 Automatic BKG-Wettzell 322 AOA SNR-8000 ACT 3.3.32.2 400 AOAD/M_T 4075582.4460 931854.7645 4801569.1074 0.0715 -0.0000 0.0000 1 1 0 4 C1 P2 L1 L2 30 1999 6 23 0 0 0.000000 1999 6 23 23 59 30.000000
14 XX
24
RINEX VERSION / TYPE PGM / RUN BY / DATE MARKER NAME MARKER NUMBER OBSERVER / AGENCY REC # / TYPE / VERS ANT # / TYPE APPROX POSITION XYZ ANTENNA: DELTA H/E/N WAVELENGTH FACT L1/2 # / TYPES OF OBSERV INTERVAL TIME OF FIRST OBS TIME OF LAST OBS END OF HEADER
99 6 23 0 0 0.0000000 0 8G02G05G07G08G09G21G23G26 22958623.93508 22958626.34708 -10345175.45408 -8061147.78008 23608576.68307 23608581.18207 -7429583.14707 -5789271.57007 22031495.36209 22031497.48709 -16236161.67509 -12651537.78509
- aktuální rok
2.4 Postup p°i geodetických m¥°eních s GPS
20: 21: 22: 23: 24: 25: . . .
23760251.41306 23760253.73506 -6312777.48306 -4919037.86906 20740748.11509 20740749.59309 -22186198.31309 -17287920.97909 24563613.24906 24563618.04706 -4804189.47206 -3743524.26506 23116977.01607 23116979.83007 -13077053.39507 -10189898.15007 20825415.58609 20825417.45709 -20610026.28609 -16059734.62909 99 6 23 0 0 30.0000000 0 8G02G05G07G08G09G21G23G26 . . .
ádky 115 jsou °ádky hlavi£ky. Od 61. pozice na °ádku je uveden popis údaj·, které °ádka obsahuje. Význam jedotlivých °ádek lze intuitivn¥ pochopit. Zde jde o soubor ze stanice WETTZELL-1202, jejíº unikátní ozna£ení je 14201M010. Stanice je vybavena p°ijíma£em AOA SNR-8000 ACT a anténou AOAD/M_T. P°ibliºné sou°adnice v systému WGS-84 jsou uvedeny na °ádce ozna£ený
APPROX POSITION XYZ.
D·leºitý je °ádek s
# / TYPES OF OBSERV, popisující kolik a jaké typy observací jsou v souboru
ukládány. V tomto p°ípad¥ p°ijíma£ m¥°il
C/A-kód na nosn¥ vln¥ L1 (C1), P -kód na
nosné vln¥ L2 (P2) a provád¥l fázová m¥°ení na obou frekvencích (L1,
L2).
V tomto
po°adí jsou ukládána data v t¥le souboru. T¥lo souboru za£íná °ádkem 16. Na tomto °ádku je uvedeno datum observace (26.3.1999) a £tení hodin p°ijíma£e v okamºiku p°íjmu signálu (0h
0min 0.00s).
as je uvád¥n
v systému GPS, k tomuto £asu jsou vztaºeny i efemeridy druºic. Dále na 29. pozici na °ádku je celé £íslo popisující stav. Stav
0
znamená, ºe následují m¥°ená data. V
pozicích 3033 je uveden po£et observovaných druºic (zde 8) a hned následuje jejich ozna£ení písmenem a £íslem. Ozna£ení
G
není povinné a zna£í, ºe jde o druºici sys-
tému GPS (narozdíl od ruského systému GLONASS). V po°adí, v jakém jsou uvedena ozna£ení druºic, jsou dále uvád¥ny observace na jednotlivé druºice. ádky 1724 obsahují vlastní m¥°ená data. ádka 17 p°íslu²í druºici s ozna£ením uloºena v po°adí
C1, P2, L1, L2,
z observace na druºici
G05
G02
a data jsou
které odpovídá po°adí uvedeném v hlavi£ce. Data
jsou na °ádce 18 atd. Hodnoty jsou uloºeny ve sloupcích
114, 1730, 3346, 4962, . . . . Pseudovzdálenosti jsou ukládány v metrech, fázová m¥°ení v cyklech. Na pozicích 15, 31, 47, . . .
Indicator),
jsou uloºeny hodnoty LLI (Loss
of Lock
které dále popisují observovaná data podobn¥ jako hodnoty ve sloupcích
16, 32, 48, . . .
popisující sílu signálu.
25
2 NAVSTAR GPS
26
3 Slovník GPS pojm· NAVSTAR GPS Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System, o ciální název pro globální polohový systém. OCS Operational Control System, kontrolní (pozemní) segment GPS. Je tvo°en Hlavním °ídícím st°ediskem, p¥ti monitorovacími a £ty°mi vysílacími stanicemi. FOC Full Operational Capability, plná opera£ní schopnost globálního polohového systému GPS. Byla vyhlá²ena 17. £ervence 1995, po dosaºení po£tu 24 druºic Bloku II a IIA na ob¥ºné dráze a jejich d·sledném testování. V obecném pojetí ozna£ení pro dostupnost dané technologie (frekvence, kódu) na 24 pln¥ funk£ních druºicích GPS na ob¥ºné dráze. IOC Initial Operational Capability, £áste£ná opera£ní schopnost globálního polohového systému GPS. Ozna£ení pro stav, kdy je na ob¥ºné dráze prvních 18 pln¥ funk£ních druºic GPS podporujících nov¥ zavád¥nou technologii (nap°. frekvenci nebo vysílaný kód). Autorizovaný uºivatel má p°ístup k vojenským kód·m GPS. Jde p°edev²ím o ozbrojené sloºky USA a jejich spojenc·. V bezpe£ných zemích je p°ístup k vojenským kód·m povolen i pro civilní geodetické ú£ely. A-S AntiSpoo ng, zp·sob ochrany vojenského P kódu GPS p°ed p°ípadným podvrºením nebo zneuºitím nep°ítelem. Bez pouºití reºimu A-S není P kód nijak ²ifrován a není tak zaru£ena jeho stoprocentní autenti£nost a integrita. Z tohoto d·vodu je reºim A-S je neustále zapnut a místo P kódu je vysílán ²ifrovaný Y kód. Klí£em k jeho rozlu²t¥ní je W kód, podporovaný pouze v autorizovaných p°ístrojích, které z Y a W kód· vytvo°í P kód pouºitelný pro navigaci SA Selective availability, selektivní (výb¥rová) dostupnost. Zp·sob cílené degradace ur£ení p°esnosti polohy pomocí GPS zám¥rnou modi kací civilních C/A kód·. Na-
27
3 Slovník GPS po jm·
°ízením prezidenta Clintona bylo od 2. kv¥tna 2000 pouºívání selektivní dostupnosti zru²eno. PRN Code Pseudorandom Noise Code, pseudonáhodný fázový ²um (kód). Moduluje nosnou vlnu signálu GPS, pro kaºdou druºici je unikátní. P°edstaviteli PRN kódu jsou nap°íklad kódy C/A nebo P(Y). Almanach jedna ze sloºek signálu GPS sou£ást naviga£ní zprávy. Obsahuje mén¥ p°esná data o poloze druºic GPS. Aktualizován je jednou za ²est dn·. V²echny druºice vysílají stejný almanach, který nese data o poloze v²ech druºic GPS na ob¥ºné dráze. Efemeridy sou£ást naviga£ní zprávy pro GPS obsahující velmi p°esná data o poloze dané druºice. Jsou vytvá°eny Hlavním °ídícím st°ediskem GPS, které je pr·b¥ºn¥ vypo£ítává na základ¥ sledování drah druºic pozemními stanicemi. P°ibliºn¥ jednou za hodinu je aktualizované vysílá jednotlivým druºicím, které je zahrnují do svých naviga£ních zpráv. Platnost efemerid trvá nanejvý²e £ty°i hodiny.
28
Literatura
[1] Mervart, L., Cimbálník, M. Vy²²í geodézie 2. VUT [2] Luke², Z. GPS - poznámky k úloze z VG21. [3] Tesa°, P. Pouºití ru£ních GPS pro mapování - diplomová práce. [4] Vývoj metod a technologií GPS v geodézii - sborník referát·, Brno 2005. [5] www.aldebaran.cz/bulletin/
29
