GPS
Autor: Jaroslav Bednář
Klíčová slova navigace, polohový systém, určení polohy
Související pojmy
Nadřazené: globální poziční systémy, vojenské a civilní družicové systémy Podřazené: navigační přístroje, geocaching
Charakteristika
Globální družicový poziční systém (GPS) je původně vojenský systém provozovaný Ministerstvem obrany Spojených států, jehož omezená část služeb je poskytována i civilním uživatelům. Jedná se o soustavu družic, které neustále vysílají informace o čase a poloze do přijímačů, které podle těchto informací určují svoji polohu. Za pomoci GPS jsme schopni určit polohu kdekoliv na Zemi s přesností na několik metrů. V současnosti v civilní sféře GPS nejčastěji pomáhá řidičům v orientaci po neznámém prostředí. GPS přijímač určuje svou polohu z výpočtu vzdálenosti od minimálně tří družic. Tuto vzdálenost počítá jako zpoždění v přenosu signálu mezi přijímačem a družicí. [5]
Historie
Počátky vzniku GPS datujeme do 70. let 20. století. Roku 1973 byla zahájena první fáze vzniku vypuštěním 4 pokusných družic. V následujících letech probíhá testování na pozemních stanicích a vzniká první experimentální přijímač. Od roku 1979 se začalo s vypouštěním 11 testovacích družic, následně však byl počet družic navýšen na 24. Důsledkem dohody o zákazu jaderných testů mezi USA a SSSR bylo v roce 1980 vypuštění družic s integrovanými čipy pro detekci jaderných výbuchů. Poté co dne 1. září 1983 stíhačka SSSR sestřelila civilní letadlo jihokorejských aerolinek s 269 pasažéry na palubě oznámil prezident USA Ronald Reagan, že systém GPS bude po dokončení dostupný i pro civilní účely. Koncem roku 1993 bylo poprvé dosaženo trojrozměrného zobrazování a následně roku 1995 byl systém GPS prohlášen plně operačně způsobilým. Od roku 1996 je z rozhodnutí prezidenta USA GPS kontrolováno vládním výborem IGEB (Interagency GPS Executive Board), který dohlíží na jeho vývoj a využití v souladu s národní bezpečnostní. Kromě toho také IGEB podporuje mezinárodní spolupráci a rozvoj GPS pro mírové využití. Počátek mobilní GPS nastal dne 1. května 2000, kdy prezident Bill Clinton nařídil zrušení selektivní dostupnosti (rušení signálů GPS, které mělo ztížit fungování nepřátelských zbrojních systémů). V současnosti systém GPS je na takové úrovni, že obsahuje funkce jako plánování trasy v reálném čase nebo ve spojení s internetem poskytuje informace o stavu dopravy, lokalizuje přátele nebo pomáhá nalézt místo k zaparkování. [5][2][4]
Rozmístění 24 družic kolem Země [3]
Systémová struktura
Systém GPS je tvořen ze 3. základních segmentů: [5]
1. Kosmický segment
2. Řídící segment
3. Uživatelský segment
1. Kosmický segment
V současnosti obíhá na 6 drahách,(původně projektovaných pro 24 družic) 32 družic rychlostí 11 300 km/h ve výšce 20 190 km od zemského povrchu a pod úhlem 55° k rovníku. Družice oběhnou zemi za polovinu siderického dne (siderický den = 23 hodin, 56 minut a 4,09 sekundy). Družice bývají několikrát ročně na 12-24 hodin odstaveny z důvodu údržby atomových hodin a korekce dráhy letu. Životnost družic je stanovena přibližně na 10 let, i když některé již tuhle dobu přesáhly. Kompletní obměna kosmického segmentu trvá kolem 20 let. [1][3][5]
Dva stavy implementace:
a) plná operační schopnost (FOC, Full Operational Capability) - stav, kdy je funkčních nejméně 24 družic, podporující novou technologii( poprvé 17. července 1995 ).
b) částečná operační schopnost (IOC, Initial Operational Capability) - stav, kdy je funkčních nejméně 18 družic, podporující novou technologii( poprvé 8. prosince 1983 ).
2. Řídící segment
Řídící segment je tvořen monitorovacími stanicemi umístěnými rovnoměrně po obvodu Země, pozemními vysílači, hlavním řídícím střediskem a velitelstvím. Stará se především o údržbu a stav letu družic, kontroluje jejich atomové hodiny a koriguje dráhu letu. Aktivně se podílí i na stahovaní starých a vypouštění nových družic. V době selektivní dostupnosti zajišťoval modifikaci signálu na požadovanou míru degradace přesnosti určení polohy. S uživateli komunikuje řídící segment pomocí zpráv GPS NANU (Notice Advisory to NAVSTAR Users), kde zveřejňuje informace o stavu a odstávkách jednotlivých družic. [1][3][5]
Rozmístění monitorovacích stanic řídícího segmentu GPS [3]
3. Uživatelský segment
Uživatelský segment je tvořen pasivními GPS příjímači jednotlivých uživatelů (pasivní = komunikace probíhá jen od družic směrem k uživateli, ne naopak !). Přijímače se dělí podle pásem (jednofrekvenční, dvoufrekvenční, vícefrekvenční), podle kanálů (jednokanálové, vícekanálové) a podle principů výpočtu (kódová, fázová a kódová). Uživatele dělíme na autorizované (vojenské - přesnější navigace) a ostatní (civilní - omezené služby). [3][5]
Hlavní využití GPS
Vojenské účely: GPS plní svou primární úlohu ve vojenském sektoru. Slouží například k navigaci ponorek a lodí, k nasměrování zbraňových systémů nebo se montuje do "chytrých" zbraní.
Doprava: V letecké dopravě se globální poziční systém stává téměř nepostradatelným, pomáhá řídit téměř všechny manévry letadla, kontroluje jeho pozici ve vzduchu a dodržování naplánované trasy a tím zvyšuje bezpečnost letu. V námořní dopravě pomáhá zlepšit komfort cestování například tím, že kromě dodržování naplánované trasy podává různé důležité informace o času, kurzu nebo stavu paliva, nebo napomáhá vyhnutí se mělčinám a jiným nebezpečným místům. Rybářům GPS ukazuje směr migrace a výskytu ryb. V železniční dopravě informacemi o poloze vlaků a závadám na trati zvyšuje bezpečnost a plynulost dopravy. V silniční dopravě napomáhá plánovat nejefektivnější trasy a orientovat se v neznámé krajině.
Mapování: GPS slouží také k budování infrastruktury nebo k efektivnímu rozložení dopravních sítí.
Čas: Atomové hodiny určují čas s přesností na nanosekundy a tím se tato funkce stává nepostradatelná pro plánování důležitých událostí. [1]
Volný čas: V dnešní době je GPS výbavou téměř každého smartphonu. Civilní uživatelé systém využívají především pro určení polohy a plánování trasy při outdoorových aktivitách. Stále populárnější je hraní "her" určených speciálně pro GPS jako je Geocaching.
Použité zdroje
1. VÁGNER, Vladimír Přesnost atomových hodin, GPS a teorie relativity. In OSEL : Objective Source E-Learning [online]. [s.l.] : [s.n.], 19.1. 2008 [cit. 2011-01-28]. Dostupné z WWW: [1]. ISSN 1214-6307.
2. ŠÍMA, Petr Navigační systém GPS. In Triangulace_GPS [online]. [s.l.] : [s.n.], [200?] [cit. 2011-01-28]. Dostupné z WWW: [2].
3. KVAPIL, Jiří Kosmický segment GPS a jeho budoucnost. In ALDEBARAN BULLETIN [online]. [s.l.] : [s.n.], 10. ledna 2005 [cit. 2011-01-28]. Dostupné z WWW: [3]. ISSN 1214-1674.
4. MAZAL, Jan GPS navigace slaví 10 let, víte o nich vše?. In PC WORD [online]. [s.l.] : [s.n.], 29.4. 2010 [cit. 2011-01-28]. Dostupné z WWW: [4].
5. UKO, Tomáš. GPS navigace na FPGA [online]. [s.l.], 2008. 67 s. Diplomová práce. ČVUT, Fakulta elektrotechnická. Dostupné z WWW: [5].
