Na počátku sedmdesátých let byla myšlenka vybudovat družicový, pasivní, dálkoměrný systém, se kterým by bylo možné určovat přesnou polohu v trojrozměrném prostoru, spolu s přesným časem. Pojem pasivní systém znamená, že uživatel vlastnící GPS může data jen přijímat, nikoliv odesílat. Dne 17.12.1973 padlo v USA definitivní rozhodnutí na vybudování prvního tohoto systému. Projekt byl oficiálně pojmenován NAVSTAR – GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging GPS). Současně v osmdesátých letech byl spuštěn projekt GLONASS v tehdejším SSSR. Sytém GLONASS ale není tak rozšířen jako NAVSTAR – GPS, a to převážně z finančních důvodů. Z tohoto důsledku není jeho kosmický segment plně obsazen družicemi k celosvětovému pokrytí.

Pro civilní použití byl systém GPS přístupný od 90. let. Do roku 2000 byla ale přesnost pro civilní použití záměrně armádou omezena zhruba na sto metrů a to z důvodu bezpečnosti. Plnohodnotné zpřístupnění GPS pro veřejnost přineslo velké výhody. Podstatně se tak urychlil jeho vývoj. Přišly nové moderní přístroje které se stále zmenšovaly. Zvýšila se jejich přesnost a stali se i více cenově dostupné. Další velký vývoj byl v podporovaném softwaru.

Družicové polohové systémy se dělí na tři základní segmenty. Jsou to kosmický, řídící a uživatelský segment.

Kosmický segment

- je tvořen soustavou družic obíhajících kolem Země po definovaných oběžných drahách. Dále je určený počtem družic a jejich rozmístěním. GPS má 24 družic, z toho je 21 družic pracovních a 3 rezervní. Družice jsou umístěny ve vzdálenosti 20183km nad povrchem Země a jsou umístěny na šesti oběžných drahách. Každá družice obsahuje atomové hodiny, které se starají o dlouhodobou frekvenční stabilitu vysílaného signálu s odchylkou přesnosti max 3ns. Z každého místa na zemi je viditelných 6 družic. K určení zeměpisné šířky a délky nám postačí 3 družice. K určení ještě nadmořské výšky potřebujeme družice 4. Čím větší počet družic máme v dosahu, tím je určení polohy přesnější. Družice vysílají signál, který nese informaci o poloze družice a čas odeslání zprávy.

Řídící segment

- tvoří pozemní stanice. Hlavní řídící stanice je na letecké základně v Colorado Springs v USA. Ostatní monitorovací stanice jsou rozmístěny rovnoměrně po obvodu Země a to kolem rovníku. Pokud družice prolétne nad touto stanicí, probíhají korekce v dráze letu družice a i korekce vysílaného signálu. Dále dochází také k synchronizaci atomových hodin na družici. Řídící systém provádí zprávu a údržbu družic a spolupracuje s umisťováním nových družic.

Uživatelský segment

- skládá se z GPS přijímačů jednotlivých uživatelů a dalších technických zařízení, které umožňují využívání družicového polohového systému. Tento systém je pasivní a to z bezpečnostních důvodů. Přijímače GPS nemohou být zaměřeny nepřítelem. Jelikož přijímače nekomunikují s družicemi, je systém GPS schopen obsloužit neomezený počet uživatelů. Tento segment je konfigurován na požadavky uživatelů a technickými možnostmi a omezeními kosmického segmentu. S řídícím segmentem uživatelé do přímého styku nepřicházejí.

Způsob měření

Jak již bylo uvedeno, tak systém GPS je pasivní, tudíž přijímač určuje svoji vzdálenost vždy k několika družicím navigačního systému a svoji polohu pak stanoví protínáním. Určení vzdálenosti přijímače od družice se provádí kódovým měřením.

Využívají se dálkoměrné kódy, které vysílají jednotlivé družice. Jedná se o přesné časové značky, které umožňují přijímači určit čas, kdy byla daná značka odvysílána. Přijímač z přijímaného signálu detekuje dálkoměrný kód družice. Zjistí tak čas odeslání a přijetí jedné sekvence kódu a ze zjištěného časového rozdílu určí vzdálenost mezi přijímačem a družicí. Jelikož hodiny v přijímači a družici nejsou plně synchronní, je časový rozdíl zatížen chybou hodin přijímače. Při výpočtu vzdálenosti se tedy neurčí skutečná vzdálenost, ale jen zdánlivá. Absolutní poloha přijímače v terénu se určuje pomocí zdánlivých vzdáleností získaných kódovými měřeními. Na obrázku 2. je zobrazen způsob určení polohy. Čárkovaně je zobrazeno ideální měření, plnou čarou pak reálné. Dochází k časové odchylce vzorku ∆T. Z jednoho změření zdánlivé vzdálenosti jsme schopni určit, že přijímač se nachází někde na kulové ploše se středem v družici a poloměrem r1 který se rovná zdánlivé vzdálenosti mezi přijímačem a družicí. Stejná měření provedeme i k dalším dvěma družicím. Tím se nám plochy protnou a v jejich protnutí se nachází přijímač. V případě ideálního měření se plochy protnou v jednom bodě. U reálného pak vzniká oblast kde se přijímač může nacházet. Proto je potřebná ještě čtvrtá družice, která měří časový posun hodin přijímače a tím se provádí další korekce při určovaní přesné polohy. Chyba určení polohy pomocí GPS pro navigační účely je max 6m. Pro přesnější měření v armádě je to 60cm.

Obrázek 2. - Určení polohy přijímače

Využití

Při vzniku GPS se jednalo o armádní projekt, takže jeho největší využití je v armádě. Používá se k navigaci letadel, lodí, vozidel a další pozemní vojenské techniky. Dále se používá k označování cílů, pro navádění raket a bomb.

Pro civilní obyvatelstvo je systém GPS rozšířen jako navigační přístroje nejčastěji do automobilů. Systém GPS je možno připojit k notebookům, PDA nebo i mobilním telefonům. Dále je hodně kvalitního softwaru pro GPS. Z důvodu jeho přesnosti je hodně používán pro orientaci například ve velkých městech, kde mapy obsahují i podrobný seznam ulic.

GPS přijímače jsou taky schopné vyhodnotit jakým směrem a rychlostí se přijímač pohybuje. Jaká je jeho nadmořská výška atd.
Ve vědeckých oblastech GPS slouží například k zaznamenávání pohybu ledovců, ke sledování migrace zvířat. Navigační systém může sloužit také pro ochranu cenných věcí, například památek, do kterých se moduly GPS zabudují.

Plánuje se použití GPS v budoucích automobilech jako například omezovače rychlosti. Podle polohy vozu se změní maximální povolá rychlost vozidla.

Výhody a nevýhody

Hlavní výhodou GPS je cena za používání. Používání tohoto systému je zadarmo. Jediné co si zájemce musí koupit je GPS přijímač a případně mapy. Další výhodou je možnost zjištění polohy bez ohledu na počasí nebo denní a noční dobu.

Nevýhodou GPS je potřeba přímé viditelnosti na nebe. Je potřeba mít v dosahu minimálně 4 družice. Proto nelze měřit pod vodou, v tunelu nebo ani v místnosti. Další možné omezení je ve městech s výškovými budovami, které stíní signál.

Nabídka přístrojů a příslušenství

Na trhu dnes existuje velké množství druhů přijímačů. Liší se od sebe možnostmi použití, vzhledem a převážně také cenou. Dělí se převážně na ruční, které se používají pro cestování, pro automobily a turistiku, aplikační například pro sledování pohybu objektu, letecké pro navigování letadel a námořní pro navigaci lodí.

Různé modely mají v sobě nahranou již nějakou mapu a na displeji je možné sledovat pozici přijímače vzhledem k okolí. Do nějakých modelů je možné nahrát i jinou mapu. Například podrobnější nebo třeba mapu jiné země. Dále je možné si na mapě zobrazit různá informační data a průběh cesty si uložit například do PC.

Ceny přijímačů se pohybují od cca 5 do 30tisíc. Podle provedení přijímače, podle možnosti dodatečného nastavení. Nové přijímače mají i barevné, dotykové LCD displeje. Umožňují přehrávaní např. MP3 souborů a obsahují i hry.

Další důležitou součástí GPS přijímačů jsou již zmiňované mapy. Ty se většinou dělí na komerční a nekomerční. Jako nekomerční software je možné si pořídit různé freeware mapy nebo časové omezené verze placených programů, které slouží pro otestování před koupí programu. Freeware programy ale většinou nemají takové možnosti použití jako placené programy. U placených programů existují jisté záruky na spolupráci softwaru s daným typem GPS přijímače. Jejich nevýhoda ale často bývá vysoká cena.

Další vývoj

Evropské státy přistupují k systémům GPS i GLONASS s nedůvěrou. Vadí jim jejich převážně vojenský charakter a také fakt, že je spravuje vždy jen jeden stát. Usiluje se proto o vybudování globálního družicového navigačního systému (Global Navigation Satellite System – GNSS), který by byl spravován nadnárodně a byl by zcela nevojenský.

Existuje projekt Evropské unie pod názvem Galileo. Tento systém by měl být plně v provozu do roku 2010. Bude tvořen 27 aktivními družicemi a několika záložními. Měl by mít vyšší přesnost než GPS a větší pokrytí signálem družic obíhajících na vyšších oběžných drahách. Z této výhody bude těžit například Skandinávie, jakožto nejsevernější evropská oblast. Systém bude opět zdarma. Bude ale navíc obsahovat šifrovaný, placený signál, s jehož pomocí se dosáhne přesnosti měření pod 1m.

Babčaník Jan
Babcanik@seznam.cz