GPS se skládá ze tří složek:
Kosmický segment
se skládá z 32 družic. Z toho je 24 operačních, 3 záložní ve vesmíru a 5 záložních na Zemi, které jsou připraveny k vynesení na oběžnou dráhu během 24 hodin. Družice jsou umístěny ve výšce 20180 km nad Zemí na šesti téměř kruhových oběžných drahách se sklonem k rovníku 55. Doba oběhu družice kolem Země je 11 hodin 58 minut. Družice vysílají signál na dvou kmitočtech (L1 a L2), který se skládá z několika složek – dvou pseudonáhodných kódů a navigační zprávy, která nese důležité informace o poloze družice, jejím stavu, apod. Frekvence signálu přesahující 1,2 a 1,5 GHz jsou odolné vůči počasí, naopak neprostoupí masou hmoty, jako je např. skála či beton.
Řídící segment
se skládá z monitorovacích stanic na Zemi vykonávající nepřetržité pozorování na viditelné družice. Poloha těchto stanic je známa s vysokou přesností - řádově na centimetry. Hlavní řídicí stanice shromažďuje data z monitorovacích stanic a centrálně je zpracovává. Určují se pomocí nich tzv. efemeridy (informace o polohách družic), provádějí se korekce hodin, monitorují se funkce družic a získané údaje se předávají zpět družicím.
Řídicí segment tvoří 5 monitorovacích stanic (Hawaii, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein a hlavní řídicí stanice MCS (Master Control Station) v Colorado Springs) a 3 pozemní řídicí stanice, které spolupracují s hlavní řídicí stanicí. Cílem celého řídicího segmentu je monitorování funkcí každé družice, sledování a výpočet dráhy družice, komunikace a zajištění přesného chodu atomových hodin na družicích. Jakákoliv závada na družici musí být co nejrychleji operativně řešena.
Uživatelský segment
se skládá z GPS přijímačů jednotlivých uživatelů, které umožňují přijímat signály z družic a získávat z nich informace o své poloze a čase. Uživatelský segment tvoří pasivní přijímače schopné přijímat a dekódovat signály z družic. Jejich provoz není spojen s žádnými poplatky za využívání služby. Družice vysílají signály, zatímco uživatelský GPS přijímač zjišťuje čas jejich příjmu. Z doby, která uplyne mezi vysíláním a příjmem signálů určuje vzdálenost přijímače k družicím. Z nich a z polohy družic v daném okamžiku určí přijímač uživatele svou polohu. Polohu družic zjistí z parametrů, které družice vysílají ve formě parametrů svých drah. Z těchto parametrů přijímač uživatele vypočítá přesné souřadnice družic.
Určení pozice pomocí družice
- metoda úhloměrná - analogicky jako v astronomické navigaci změříme elevační úhel minimálně dvou nebeských těles (družic) nebo provedeme opakované měření stejné družice ( vzhledem k rychlému pohybu družic po nebeské sféře, a tím i rychlé změně azimutu a výšky družice, je možné provést opakované měření zhruba po dvou minutách). Tato metoda je však technicky velmi náročná a na palubě letadel by vyžadovala složité anténní systémy pro přesné směrové zaměření družic. I pro svoji malou přesnost není v praxi používána.
- metoda dopplerovská - jejím základem je skutečnost, že pohybují-li se vůči sobě zdroj a přijímač signálu, pak se liší kmitočet vyslaný od kmitočtu přijatého ( důkaz - míjí-li vás automobil, pozorujete změnu zvuku motoru, přestože motor bude pracovat ve stejných otáčkách). Tato vlastnost se nazývá Dopplerův jev. Družice, která se pohybuje po oběžné dráze vysílá kromě stabilního kmitočtu časové značky a údaje o parametrech své dráhy, ze kterých je počítač přijímače schopen vypočítat polohu družice. Přijímač dále obsahuje přesný oscilátor pracující na stejné frekvenci jako vysílač družice. Jeho signál je směšován se signálem přijatým. Časové značky slouží k ovládání čítače, který počítá periody rozdílového (Dopplerova) kmitočtu. Z uvedených údajů můžeme po provedení alespoň tří měření vypočítat polohu přijímače.
- metoda dálkoměrná - je založena na měření vzdálenosti příjemce od jednotlivých družic. Známe-li vzdálenost (respektive čas, který potřebuje signál, aby překonal vzdálenost družice - přijímač) alespoň od tří družic, je možno, známe-li polohu družic, vypočítat polohu přijímače.
Určování polohy
1/ Měření navigačních parametrů (vzdálenost družice-přijímač, radiální rychlost družice vzhledem k přijímači) - družice vysílá signály pro uživatele v podobě složitého signálu.2/ Výpočet polohy družic pomocí informace o jejich pohybu v družicovém souřadnicovém systému - každá družice vysílá zprávy o své poloze a o přibližných polohách ostatních družic systému.
3/ Určení polohy (rychlosti) přijímače pomocí měřených parametrů řešením soustavy rovnic obsahujících jako neznámé souřadnice přijímače a jejich časové změny k určení aktuální polohy přijímač počítá tzv. pseudovzdálenosti, což jsou vzdálenosti mezi přijímačem a viditelnými družicemi (nad obzorem); termín pseudovzdálenost se zavádí proto, že je nutné provádět další doplňující výpočty, které určení výsledné polohy dále zpřesňují. Výpočet pseudovzdálenosti vychází ze znalosti rychlosti šíření radiového signálu a rozdílu času mezi vysláním a příjmem signálu.
4/ Transformace takto určených souřadnic do souřadnicového systému přijímače - pro určení dvojrozměrné polohy (nejčastěji zeměpisná délka a šířka) postačí příjem signálu z minimálně tří družic (výpočet tří pseudovzdálenosti), pro určení trojrozměrné polohy (navíc výška) minimálně ze čtyř družic; příjem menšího počtu družic znemožňuje výpočet polohy, vyšší počet družic naopak určení polohy dále zpřesňuje
Přijmač GPS porovná čas a signál vyslaný družicí s časem ve kterém byl přijat. Časový rozdíl řekne GPS přijímači jak daleko je od konkrétního satelitu. Jestliže vezmeme vzdálenosti naměřené od více satelitů, můžeme pomocí triangulace určit svou polohu. Toto je princip GPS přijímače. S minimálně třemi satelity nebo více, je GPS přijímač schopen určit zeměpisnou šířku/délku - což se nazývá 2D pozice. S čtyřmi a více satelity určí GPS přijímač 3D pozici, ve které je zahrnuta mimo zeměpisné šířky, délky i nadmořská výška. Plynulou aktualizací vaší pozice GPS přijímač také zjistí přesnou rychlost a směr pohybu.
2012 ©