Družicové rádionavigačné systémy (GPS, Navstar, Omega, Loran, Glonass)

V súčasnej dobe nadobúdajú stále väčší význam dva základné družicové systémy rádiovej navigácie: americký systém NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging) a ruský systém GLONASS (Globalnaja navigacionnaja sputnikovaja sistema). Cieľom článku je priblížiť základné princípy výstavby a činnosti systému družicovej rádiovej navigácie. ÚVOD
Rádiové určovanie polohy a rádiová navigácia sú využívané prakticky od obdobia medzi 1. a 2. svetovou vojnou. V tomto období boli položené základy systémov, z ktorých niektoré pracujú dodnes. V súčasnej dobe však vystupuje do popredia využívanie umelých družíc Zeme na rádiovú navigáciu a rádiové určovanie polohy. Zámerne sú tu tieto dve úlohy rozdelené, i keď v praxi systém rádiového určovania polohy býva spravidla súčasťou navigačného systému. Základný rozdiel medzi navigáciou a určovaním polohy spočíva v tom, že navigácia rieši úlohu vedenia navigovaného objektu (loď, vozidlo, lietadlo) po určenej dráhe a úlohou systému určovania polohy je iba určenie okamžitej polohy v konkrétnej súradnicovej sústave. Rádiové systémy určovania polohy sú podstatnou súčasťou prehľadových systémov, niekedy označovaných ako CNS (Comunication, Navigation and Surveillance) [1]. Družicové systémy rádiového určovania polohy znamenajú v porovnaní s klasickými spôsobmi rádionavigácie významný pokrok. Ich hlavnou prednosťou je presnosť a umožňujú pracovať v jednotnej súradnicovej sústave kdekoľvek na Zemi. Napriek pomerne dlhodobému vývoju sa k úplnej prevádzke družicových rádionavigačných systémov pristupuje veľmi obozretne a ešte donedávna o týchto systémoch neboli v širšej odbornej verejnosti takmer žiadne informácie. Hneď v úvode je potrebné poukázať na fakt, že často sa stretávame so skratkou GPS, čo je skratka anglického názvu Global Positioning System (globálny systém určovania polohy). Táto skratka je vlastne iný názov amerického systému NAVSTAR. Preto nie je vhodné, používať označenie GPS ako spoločné označenie pre všetky systémy družicovej navigácie.


HISTÓRIA DRUŽICOVEJ NAVIGÁCIE
Prvým navigačným systémom globálneho charakteru, ktorý bol uvedený do pre-vádzky ešte počas 2. svetovej vojny (1940) bol systém LORAN. Tento systém plnil navigačné úlohy v oblasti severného atlantiku. Po vojne už systém LORAN nepostačoval, a tak vznikol systém OMEGA. Ide o globálny fázový hyperbolický systém, ktorý používa osem pozemných majákov (Nórsko, Libéria, Havaj, Severná Dakota, Reunion, Argentína, Austrália, Japonsko).

Aby k celosvetovému pokrytiu stačilo osem majákov, musia tieto vysielať v pásme „veľmi dlhých vĺn" (myriametrové vlny). Metóda určenia polohy lietadla spočíva v tom, že palubný počítač, do ktorého je vopred vložená počiatočná poloha lietadla, vyhodnocuje fázový posun signálu najmenej od troch majákov[2]. Presnosť uvedeného spôsobu navigácie je v medziach 2-8 km.
Počiatok družicových navigačných systémov je potrebné hľadať v roku 1957, kedy bola v bývalom ZSSR vypustená na obežnú dráhu prvá umelá družica. Rozsiahle výskumy v oblasti navigácie v tomto období prebiehali i v USA, napr. v laboratóriu Johna Hopkinsa. Výsledkom týchto výskumov bolo vypustenie prvého navigačného satelitu na obežnú dráhu dňa 17. septembra 1959 z názvom TRANSIT 1A. Snahy o zavedenie rádionavigačného systému v USA v roku 1960 pod názvom MOSAIC (MObile System for Accurate Icbm Control) boli z rôznych dôvodov prerušené [3], avšak v tom istom roku (13.apríla) bol na obežnú dráhu vypustený navigačný satelit TRANSIT 1B. Tento bol určený pre americké námorné sily (US Navy) a jeho úlohou bolo tiež sledovanie balistických rakiet. Počas tzv. kubánskej krízy v roku 1962 sa USA intenzívne pripravovali na vypustenie ďalšej družice TRANSIT 5A1, ktorá v decembri roku 1962 začala pracovať na obežnej dráhe. Navigačný systém TRANSIT bol uvedený do činnosti v roku 1964 (jeho činnosť mala byť ukončená v roku 1996) a bol to prvý družicový rádionavigačný systém, ktorý bol v plnej prevádzke. V ďalších rokoch bol na obežnú dráhu vypustený celý rad umelých družíc tak v USA, ako i v ZSSR (v r. 1967 bol vypustený prvý sovietsky navigačný satelit CYKLON). Týmto bol položený základ výstavby dvoch najznámejších systémov družicovej navigácie. V máji roku 1970 vláda USA predkladá prvý národný plán pre navigáciu. V apríli roku 1973 dochádza k spojeniu námorného navigačného systému TIMATION a leteckého navigačného 3-D systému 621B a vytvára sa systém DNSS (Defense Navigation Satelite System). Na základe tohoto systému dochádza na prelome rokov 1973 - 1974 k vytvoreniu systému NAVSTAR. V roku 1974 boli na satelite NTS-1 (Navigation Technology Satelite 1) použité prvýkrát tzv. atómové hodiny, základom ktorých boli dva rubidiové oscilátory [3].
Dôležitým medzníkom pri konštituovaní systému GPS, tak ako je známy v súčasnosti bol 17.august 1974. V tento deň predložilo ministerstvo obrany USA základnú koncepciu globálneho družicového systému, známeho pod skratkou GPS.

V nasledujúcich rokoch potom nasledovali ďalšie opatrenia ekonomického, politického a vojenského charakteru, ktrorých úlohou bolo vytvoriť podmienky na všestranné rozvinutie tohoto systému. Je samozrejmé, že GPS bol v prvom rade vojenským navigačným systémom. V prvej polovici 80. rokov sa podobne ako americký NAVSTAR buduje a rozvíja sovietsky systém GLONASS.
Za prelom vo využívaní družicových navigačných systémov je možné považovať rok 1983, kedy USA rozhodli o vytvorení dvoch podsystémov v rámci systému NAVSTAR. Prvým podsystémom je Standard Positioning Service (SPS), určený na bežné navigačné potreby. Tento podsystém sa vyznačuje hlavne tým, že "predstiera" chybu určenia horizontálnych súradníc okolo 100 m s pravdepodobnosťou 0,95. Druhý podsystém s označením Precise Positionong Service (PPS) je určený výhradne pre vojenské potreby USA a je oveľa presnejší [1,2,3].
9.júla 1992 schválila USFAA (U.S. Federal Aviation Administration) využívanie systému GPS pre potreby civilného letectva. V tom istom roku bol systém GLONASS (v dôsledku rozpadu sovietskeho impéria) prevzatý pod záštitu Ruských vojenských kozmických síl. V decembri roku 1993 dosiahol systém GPS tzv. počiatočnej operačnej spôsobilosti IOC (Initial Operational Capability) [1] a od roku 1994 je oficiálne začlenený do systému riadenia letovej prevádzky USA [3].
Snahy o nezávislosť európskych štátov na USA vyvolali vytvorenie rôznych národných i nadnárodných spoločností, ktorých cieľom bolo vybudovať vlastné družicové navigačné systémy (GEOSTAR, LOCSTAR, GRANAS, NAVSAT, STARFIX, OMNITRACS, EUTELTRACS, GNSS) [1]. Najperspektívnejším systémom je pravdepodobne GNSS (Global Navigation Satelite System). Tento systém vyjadruje snahu európskych štátov o vytvorenie nevojenského systému celosvetového charakteru. V tejto súvislosti sa vyzdvihuje často organizácia INMARSAT (medzinárodná organizácia pre družicovú námornú komunikáciu), ktorá by mala garantovať výstavbu systému GNSS. ORGANIZÁCIA ČINNOSTI SYSTÉMU GPS
Systém GPS tvoria tri nasledujúce základné časti: kozmická, riadiaca a užívateľská. Kozmickú časť tvorí 21 pracovných družíc a 3 aktívne záložné. Družice sú rozmiestnené v skupinách po štyroch v šiestich obežných rovinách (orbitách). Sú umiestnené vo výške 20183 km a sú riadené z piatich pozemných riadiacich stanovísk [1,4]. Riadiacu časť (Control Segment) tvorí hlavná riadiaca stanica (Master Control Station - MCS), monitorovacie stanice a komunikačné stanice. Monitorovacie stanice pasívne sledujú družice a prijímajú ich dáta. Tieto dáta sú potom odovzdávané MCS, kde sa vypočítajú parametre dráh družíc (efemeridy) a parametre hodín družíc.

Vypočítané parametre sú pomocou komunikačných staníc odovzdané družiciam a tieto ich vysielajú užívateľom. MCS je umiestnená na leteckej základni Falcon (Colorado Springs) a nachádza sa tu taktiež jedna z monitorovacích staníc. Ostatné monitorovacie stanice sú na Havaji, Kwajaleine (Pacifik), Diego Garcia (Indický oceán) a Ascensione (Atlantik). Okrem toho je možné využiť stredisko na Cap Canaveral, odkiaľ sa družice vypúšťajú [1].
Užívateľská časť systému predstavuje súhrn organizácií a opatrení, určených na využívanie GPS a koordináciu ich činnosti. Pôvodne vojenský systém GPS nadobúda stále väčší význam v civilných podmienkach a preto vznikla potreba koordinácie civilných a vojenských záujmov v rámci USA. Základom politickej koordinácie je spolupráca ministerstiev dopravy a obrany USA a táto vrcholí každé dva roky vo forme Federálneho rádionavigačného plánu (Federal Radionavigation Plan - FRP). V oblasti operačnej plní úlohy civilného využitia GPS civilný riadiaci výbor (Civil GPS Service Steering Committee - CGSSC). Federálne ministerstvo dopravy sa podieľa tiež na výskumnej činnosti v oblasti GPS.
CHARAKTERISTIKA SIGNÁLU A TYPY PRIJÍMAČOV GPS
Každá družica systému GPS vysiela signál na dvoch kmitočtoch: L1=1575,42 MHz a L2=1227,6 MHz. Nosnú vlnu tvoria modulované kódy C(t) a P(t) a dáta D(t). Kódy C(t) a P(t) umožňujú meranie vzdialenosti a vzájomné oddelenie signálov jednotlivých družíc a dáta D(t) udávajú efemeridy družíc. Signál je možné vyjadriť vzťahom podľa [1] v nasledujúcom tvare:
blbe nedalo ho sem a inak vam ho sem nedam, bohuzial :( (7)
Kód C(t) má periódu 1 ms a obsahuje 1023 bitov a niekedy je v literatúre označovaný ako kód C/A (Coarse Acquisition) - kód pre „hrubé“ meranie. V minulosti bol neautorizovanému užívateľovi prístupný len tento kód (Clear Access). Kód P(t) je v literatúre označovaný ako P (Precision), teda presný kód a je to pseudonáhodná postupnosť maximálnej dĺžky s periódou 23,0175555.106 s (asi 266 dní) [1]. Z tejto periódy sa využíva len časť siedmich dní a kód sa nuluje do východzieho stavu o polnoci zo soboty na nedeľu. Použitie kódu P, ktorý má rýchlejšiu a dlhšiu periódu, spôsobuje kmitočtové rozprestrenie spektra a tým sa zvyšuje presnosť merania. Ďalším faktorom zvýšenia presnosti je použitie druhého kmitočtu L2 , čím sa obmedzí vplyv refrakcie.

Nedostupnosť kódu P pre bežného užívateľa je podstatou služby PPS, ktorá už bola spomenutá.
Získanie pseudovzdialeností aspoň zo štyroch družíc spoločne s potrebnými údajmi je možné použitím troch typov prijímačov: mnohokanálového, sekvenčného alebo multiplexného. V súčasnej dobe sa v letectve používajú päť až dvanásťkanálové prijímače, geodetické prijímače obsahujú obvykle osem až dvanásť kanálov.

SPÔSOBY ZVÝŠENIA PRESNOSTI GPS
Hodnota chyby určenia polohy je daná súčinom chyby merania vzdialenosti družica - užívateľ a chybou PDOP (Positional Dilution of Precision). Chybu PDOP je možné charakterizovať ako dôsledok vplyvu vzájomnej konfigurácie polôh družíc, ktoré sú zapojené do systému merania. Táto konfigurácia udáva, pod akými uhlami sa pretínajú guľové plochy s polomermi, rovnajúcimi sa vzdialenostiam družica - užívateľ. Pri pretnutí týchto plôch vzniká tzv. oblasť neurčitosti, ktorej veľkosť charakterizuje uvedenú chybu. Najmenšia oblasť neurčitosti vznikne vtedy, ak sa všetky guľové plochy pretínajú kolmo. Inak povedané, najväčšiu presnosť merania je možné dosiahnuť, ak družice sú od seba čo najviac vzdialené.
Pokiaľ je signál od každej družice spracovávaný samostatným kanálom (mnohokanálový prijímač), nie je potrebné štatistické spracovanie tohoto signálu. U sekvenčných prijímačov merania neprebiehajú súčasne a vzniká potreba štatistického spracovania nameraných údajov. V systéme GPS sa v tomto prípade používa Kalmanova filtrácia [1,4,5].
Zlepšenie presnosti GPS je možné dosiahnuť tiež zavedením ďalších nezávislých senzorov, údaje ktorých sú zavádzané do Kalmanovho filtra (napr.: dopplerovský merač, INS - inerciálny navigačný systém a.i.). Niektoré ďalšie metódy zvýšenia presnosti sú publikované napr. v prácach [6,7,8].
Zvláštnu pozornosť z hľadiska zvyšovania presnosti GPS si zasluhuje systém označovaný ako DGPS (Differential GPS). Podstatou tohoto systému je použitie tzv. referenčnej stanice so známymi, presne zmeranými súradnicami, v ktorej je umiestnený špeciálny prijímač GPS. Porovnaním skutočnej a zmeranej polohy v tejto stanici sa získajú opravy meraných zdanlivých vzdialeností a tieto sú vhodnými komunikačnými kanálmi pranášané k užívateľovi. V dokumente STANAG 4294 [1] sa uvádzajú nasledujúce hodnoty chýb, ktoré je možné s pomocou DGPS dosiahnuť s pravdepodobnosťou 0,95:
a) v prípade PPS 5 m horizontálne a 8 m vertikálne
b) v prípade SPS 20 m horizontálne a 32 m vertikálne
Nevýhodou DGPS je obmedzené pokrytie územia. Uvádza sa, že k účinnému zvýšeniu presnosti dochádza v okruhu do 400 km od referenčnej stanice [1]. Túto nevýhodu čiastočne odstraňuje systém WADGPS (Wide Area DGPS) [7].