Nawigacja GPS - struktura systemu

GPS-NAVSTAR (Global Positioning System - NAVigation Signal Timing And Ranging) jest systemem nawigacji satelitarnej stworzonym przez Amerykański Departament Obrony (U.S. Department of Defense), który obejmuje swoim zasięgiem całą kulę ziemską.
Nawigacja GPS początkowo wykorzystywana była tylko przez amerykańskie wojsko. Obecnie dostęp do niej mają również cywile. Korzystanie z systemu GPS jest darmowe.
Nawigacja GPS mogła zostać opracowana dzięki doświadczeniu jakie zebrano podczas tworzenia systemu TRANSIT.

• System GPS-NAVSTAR tworzą trzy segmenty:
  • Segment kosmiczny,
  • Segment użytkownika,
  • Segment kontroli.

Struktura systemu nawigacji satelitarnej

Segment kosmiczny nawigacji GPS

Segment kosmiczny składa się z 31 satelitów (stan na 5 wrzesień 2009) znajdujących się na orbitach o nachyleniu 55° (bloki IIA, IIR oraz IIR-M), lub nachyleniu 63° (blok I). Dla osiągnięcia pełnej operacyjności, nawigacja GPS wymaga 24 sprawne satelity. Taka ilość sprawia, że z prawdopodobieństwem 0.9996, z każdego miejsca na Ziemi widocznych jest co najmniej 5 satelitów nawigacyjnych. Przeważnie, około 28 satelitów systemu GPS jest czynna. Reszta nie działa z przyczyn technicznych, bądź jest testowana.

Satelity nawigacji GPS krążą po orbitach na wysokości około 20183 km. Czas obiegu Ziemi przez satelitę wynosi pół doby gwiazdowej (11 godz. 58 min.).

Satelita bloku IIR
Zdjęcie: Lockheed Martin

Odbiornik GPS może zidentyfikować poszczególnego satelitę nawigacji GPS, dzięki metodzie podziału kodu CDMA (Code Division Multiple Access). Chodzi tutaj o to, że wszystkie satelity emitują sygnał w tej samej częstotliwości, ale sygnał ten modulowany jest różnymi kodami. 

Każdy satelita posiada zegar atomowy, dzięki czemu jego sygnał jest bardzo dokładnie zsynchronizowany z całym systemem nawigacji GPS. Satelity oraz stacje naziemne systemu tworzą swego rodzaju sieć współzależności czasu. Dzięki temu odbiornik GPS nie tylko pokazuje aktualną pozycję, ale również bardzo precyzyjny czas.

Pewnego rodzaju ciekawostką związaną z nawigacją GPS jest to, że każdy satelita nawigacyjny posiada zainstalowany system szpiegowski NUDET (Nuclear Detection). Aparatura ta umożliwia natychmiastowe wykrycie wybuchów atomowych na Ziemi. 

Sygnał pomiędzy odbiornikiem, a satelitą przesyłany jest tylko w jednym kierunku (od satelity do odbiornika).

Charakterystyka satelitów systemu została przedstawiona poniżej.

Segment użytkownika nawigacji GPS

Segment użytkownika tworzą wszelkiego rodzaju odbiorniki GPS - zarówno cywilne jak i wojskowe. Odbiorniki GPS różnią się między sobą kształtem, posiadanym oprogramowaniem (dostosowane do konkretnych zastosowań) oraz poziomem dokładności. Nie zmienia to jednak faktu, że każdy odbiornik GPS posiada taki sam schemat budowy.

Schemat odbiornika do nawigacji GPS

Dzięki odbiornikowi GPS użytkownik może odbierać sygnał z satelitów, który następnie wykorzystywany jest do wyznaczania pozycji w każdym miejscu na Świecie.

• Zadania realizowane przez odbiornik GPS:
  • identyfikacja poszczególnych satelitów,
  • obliczanie pseudoodległości (odległość między odbiornikiem - satelitą - odbiornikiem),
  • obliczanie czasu dotarcia sygnału z satelity do odbiornika,
  • odbiór sygnału satelitarnego emitowanego przez satelitę.

Odbiornik GPS Mio Navman M400

• Poza pomiarem pozycji, większość odbiorników GPS posiada następujące funkcje:
  • określanie pozycji według różnych układów współrzędnych (domyślnie WGS-84),
  • pomiar odległości,
  • rejestrowanie śladu,
  • track back (powrót do miejsca wyjścia "tą samą trasą"),
  • wyznaczenie pola powierzchni,
  • nawigacja "do punktu" oraz "po trasie”.

Aby można było precyzyjnie określić pozycje w 3 wymiarach (długość, szerokość geograficzna, wysokość nad poziomem morza) oraz czas wymagana jest widoczność przynajmniej czterech satelitów przez odbiornik GPS. Widoczność trzech satelitów umożliwia pomiar pozycji w dwóch wymiarach (długość i szerokość geograficzna).

• Zalety pozycjonowania z wykorzystaniem odbiornika GPS:
  • nawigacja GPS umożliwia pozycjonowanie w każdym miejscu na Świeci (z prawdopodobieństwem 0.9996),
  • nieprzerwane całodobowe działanie systemu,
  • bierny odbiór sygnału przez odbiornik (sygnał emitowany tylko przez satelitę),
  • odporność na celowe zniekształcenia i zakłócenia,
  • parametry pracy niezależne od warunków atmosferycznych.

Segment kontroli nawigacji GPS

Nawigacja GPS nie działałaby prawidłowo bez istnienia naziemnego systemu koordynującego oraz wspierającego pozycjonowanie satelitarne. Segment kontroli składa się z 12 stacji nadzoru. Główne Centrum Kontroli (Master Control Station), znajduje się w Bazie Sił Powietrznych Schriever w pobliżu Colorado Springs, USA. Kolejne 5 stacji monitorujących zarządzanych jest przez Siły Lotnicze USA. Znajdują się one na Hawajach, Cape Canaveral, Wyspie Wniebowstąpienia, wyspie Diego Garcia oraz Atolu Kwajalein. Pozostałe 6 stacji zarządzanych jest przez NGA (National Geospatial-Intelligence Agency), są to stacje w Waszyngtonie, Ekwadorze, Argentynie, Londynie, Bahrajnie i Australii.

Każda z 12 stacji nadzoru rozmieszczona jest możliwie blisko i równomiernie na równiku celem ciągłej obserwacji każdego satelity przez co najmniej dwie stacje przez całą dobę.

Stacje monitorujące pracę systemu GPS

• Nawigacja GPS wspierana jest przez wiele instytucji, takich jak:
  • Centrum Kontroli Satelitów Sił Powietrznych USA;
  • National Geospatial Inteligence Agency;
  • Obserwatorium Marynarki Wojennej USA;
  • NASA Jet Propulsion Laboratory.