GPS - Global Positioning System (Družicový navigačný systém)

GPS - Global Positioning System
(Družicový navigačný systém)

Označenie GPS pochádza z anglického Global Positioning System čo v preklade znamená niečo ako Globálny Systém na určovanie Polohy. Jednoducho povedené ide o celosvetový, satelitný navigačný systém, s pomocou ktorého je možné určiť presnú geografickú polohu kdekoľvek na našej planéte. Skladá sa z kozmického, riadiaceho a užívateľského segmentu. Najskôr si však povieme ako systém GPS vlastne vznikol.


História GPS

Tak ako mnoho iných užitočných vecí aj systém GPS vznikol pôvodne pre potreby americkej armády. Začiatkom sedemdesiatych rokov minulého storočia prišlo ministerstvo obrany USA s myšlienkou vybudovať pasívny družicový systém ktorý by umožnil určovať presnú polohu v trojrozmernom priestore. Označenie pasívny znamená že majiteľ GPS prijímača môže signál zo satelitov iba prijímať ale nemôže žiadne dáta odosielať smerom späť. 17.12.1973 bol v USA oficiálne schválený návrh na vybudovanie prvej verzie navigačného systému s označením NAVSTAR - GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System). Neskôr sa názov systému zjednodušil iba na GPS pod ktorým je známy dodnes.

Do roku 1979 prebehla prvá fáza budovania systému v rámci ktorej boli na obežnú dráhu Zeme vypustené prvé štyri satelity a zároveň sa začali vyvíjať prvé užívateľské zariadenia – GPS prijímače. V ďalšej fáze sa začali budovať pozemné riadiace strediská a počet GPS satelitov na obežnej dráhe dosiahol číslo 24. V tej dobe bol systém GPS v podstate utajenou technológiou ktorú mohla využívať iba americká armáda.

Po zostrelení lietadla Kórejských aerolínií ktoré 1. septembra 1983 údajne narušilo vzdušný priestor Sovietskeho zväzu z dôvodu chybnej navigácie pričom zahynulo 269 civilných pasažierov vrátane amerického kongresmana nariadil vtedajší americký prezident Ronald Reagan uvoľnenie technológie GPS pre civilné použitie. V roku 1995 bol navigačný systém GPS vyhlásený za definitívne dokončený a schopný ostrej prevádzky ale skutočný boom navigácie v civilnom sektore prišiel až po roku 2000.

Z obavy pred zneužitím systému GPS počas studenej vojny bola totiž presnosť navigácie pre civilné použitie zámerne zhoršovaná faktorom nazývaným selektívna dostupnosť na hodnotu +/- 100m. 1. mája 2000 podpísal Bill Clinton nariadenie o vypnutí zámerného zhoršovania presnosti vďaka čomu sa navigácia s použitím bežných civilných GPS prijímačov spresnila prakticky až desaťnásobne.


Štruktúra systému

Kozmický segment

Z každého miesta na Zemi je 24 hodín denne pozorovateľných 4-8 družíc s eleváciou väčšou než 15 stupňov. Prevádzkovateľ zaručuje, že minimálne 4 družice sú pozorovateľné kedykoľvek a odkiaľkoľvek. Celý systém má 24 družíc (21 základných a 3 súaktívne rezervy). Družice sú umiestnené v šiestich rovinách na skoro kruhových dráhach vo výške 20 200 km nad povrchom Zeme. Sklon k rovníku 55 stupňov, obežná doba 12 hviezdnych hodín (11:58). Tzn., že z rovnakého miesta na Zemi sú družice nasledujúci deň pozorovateľné o 4 minúty skôr. Tri rezervné družice musia zabezpečiť chod systému, aby až potom čo 3 družice vypovedajú službu bolo nutné vypustiť ďalšie.

Užívateľský segment

Tvoria ho užívateľské prímače všetkých typov a presností. Prijímač GPS v sebe zahrňuje citlivý rádiový prímač, super presné hodiny a výkonný matematický kalkulátor. Prímač pracuje okolo frekvencie 1575,42 MHz a dokáže dekódovať rýchlo dáta v rozloženom spektre s veľkou šírkou pásma. Jednotlivé typy prijímačov se od seba líšia vzhľadom a rozmermi, typom displeja (od jednoduchých alfanumerických po grafické) a softwérom. Sú napájané tužkovými batériami, ktoré umožňujú prevádzku od 5 až po 24 hodín, resp. z vonkajšieho napájacieho zdroja. Prímače dokážu súčasne sledovať 8 až 12 družíc. Doba od zapnutia k prvému určeniu polohy (tzv. studený štart) sa pohybuje podľa typu v rozmedzí 2 až 10 minút, určenie polohy po znovuzapnutí (tzv. teplý štart) býva v rozmedzí 15 sekúnd až 2 minúty. Dokonalé vojenské a letecké prístroje sú schopné vyhodnotiť pohyb prímača až do rýchlosti 1850 km/h. Niektoré prímače sú opatrené konektorom pre prepojenie s počítačom, čo ich možnosti ešte zvätšuje. Dáta je možné prehrávať do počítača alebo naopak, prepojovať GPS prímač s ďalšími rádiovými prostriedkami pre rádiové vyhľadávanie a mapovanie vysielačov apod.

Aby GPS prímače splňovaly na ne kladené nároky pri použití v prírode alebo na mori, sú vätšinou konštruované ako prachotesné a vodovzdorné a môžu pracovať v širokom teplotnom rozmedzí.

Riadiaci segment

Je umiestnený v USA, pozostáva z hlavnej riadiacej stanice a z niekoľkých monitorovacích staníc rozmiestnených po celom svete. Pri každom prelete družíc nad týmito stanicami sú vyhodnotené parametre ich dráh a vypočítané korekcie, ktoré sú vyslané späť na dané družice a odtiaľ do prímače, kde dôjde k aktualizácií uložených dát o družiciach.

Presnosť merania

Pri zameraní dostatočného počtu satelitov býva v praxi presnosť určenia polohy menšia, než 10 m. Táto presnosť je však prevádzkovateľom systému (Ministerstvom obrany USA) úmyselne zhoršovaná podľa tzv. Programu vybrané dostupnosti (Selective Availability), ktorý vznikol pre omedzenie zneužiteľnosti systému na minimálnu úroveň (napr. pre teroristické účely) a zabezpečenie prvoradosti vojenských aplikácií ako sú zámerné zhoršovanie presnosti určenia polohy alebo zavedenie tzv. presného P/Y - kódu, ktorým je šírený signál len pre vojenské aplikácie. V súčastnej dobe je už zámerné zhoršovanie polohy vypnuté. Vďaka tomu sa pre civilných užívateľou takmer 10 násobne zvýšila presnosť určenia polohy z predošlých 100 m


-Konkurenčné navigačné systémy

Najvýraznejšou nevýhodou navigačného systému GPS je skutočnosť že ho vlastní, prevádzkuje a financuje Ministerstvo obrany USA. Signál zo satelitov je síce zdarma dostupný pre všetkých a pre jeho využívanie si stačí zaobstarať GPS prijímač ale máloktorá krajina chce byť dobrovoľne závislá od tejto superveľmoci a tak vznikajú rôzne konkurenčné navigačné systémy.
Už v období studenej vojny vyvinuli v bývalom Sovietskom zväze svoj vlastný navigačný systém GLONASS ktorý je funkčný a dodnes slúži prevažne na vojenské účely. Tvorí ho 24 satelitov na troch obežných dráhach vo výške približne 19 000 km nad povrchom Zeme.

Európska únia v túžbe po nezávislosti pripravuje svoj vlastný navigačný systém s názvom Galileo ktorý by sa mal skladať z tridsiatich satelitov pohybujúcich sa na troch obežných dráhach a presnosť navigácie by sa mala blížiť hodnote +/- 1meter. 28 decembra 2005 odštartoval s Bajkonuru GIOVE A, prvý satelit Európskeho navigačného systému, definitívne dokončenie tohto ambiciózneho projektu Európskej komisie a Európskej kozmickej agentúry je ale kvôli finančným problémom momentálne v nedohľadne.

Závislosti od USA a ich GPS sa chce pri určovaní presnej polohy zbaviť aj Čína. Peking od roku 2000 testuje svoj navigačný systém Compas ktorý by mal byť spustený v priebehu roku 2009 a je určený pre užívateľov z Číny a okolitých krajín. Navigačný systém Compas bude pozostávať z 35 satelitov vďaka ktorým umožní užívateľom určiť polohu s presnosťou pod 10 metrov, zrýchlenie s presnosťou 0.2 m/s a časovú presnosť pod 50 nanosekúnd.

Systém GPS je motor, ktorý v súčasnosti celkom zadarmo poháňa milióny navigačných prístrojov na celom svete. S jeho pomocou dokážeme určiť svoju presnú polohu, nájsť najrýchlejšiu trasu k cieľu našej cesty, odmerať rýchlosť pohybu či nadmorskú výšku. O niekoľko rokov bude pravdepodobne už len jedným z viacerých alternatív navigácie navždy však zostane tou technológiou ktorá zmenila náš svet podobne významným spôsobom ako mobilná komunikácia či internet.