Działanie systemu GPS

Satelity GPS emitują dwa sygnały: kod C/A (Coarse Acquisition, częstotliwość L1 = 1575.42 MHz) dla użytkowników SPS i kod P dla PPS (Precise, L2 = 1227.6 MHz) dla zastosowań wojskowych. Przy normalnym odbiorze do złudzenia przypominają one szum - nazywa się je sygnałem pseudolosowym (PRN - Pseudo - Random Noise).
Kod C/A jest sygnałem binarnym, nadawanym z prędkością transmisji 1.023 MHz. Jego podobieństwo do szumu bierze się z długiego okresu - powtarza się on co 1023 bity. Dzięki Sekwencja ta jest inna dla każdego satelity i nazywa się kodem PRN. Dzięki temu odbiorniki są w stanie rozróżnić sygnały z poszczególnych źródeł.
Kod P jest pozornie podobny, ale ma bardziej złożoną strukturę. Jego prędkość transmisji wynosi 10.23 MHz. Jest on właściwie sekwencją trwającą 267 dni. Każdy z satelitów ma przypisany mniej-więcej ośmiodniowy segment tej sekwencji, będący jego kodem PRN.

Na sygnały P i C/A nałożona jest depesza nawigacyjna, uaktualniana co cztery godziny ze stacji naziemnych. Depesza zawiera między innymi almanach - dane dotyczące aktualnego stanu systemu, w tym przybliżone elementy orbitalne wszystkich satelitów, których znajomość przyśpiesza proces akwizycji i efemerydę - dokładne elementy orbitalne satelity nadającego depeszę, niezbędne do wyznaczania czasu i pozycji. Dodatkowo transmitowane są dane o stanie satelitów, aktualne współczynniki do obliczenia opóźnienia jonosferycznego i dane do obliczenia czasu UTC.
Pokładowymi wzorcami czasu są cztery zegary atomowe (dwa rubidowe i dwa cezowe). Dokładność pomiaru czasu wynosi 340 nanosekund dla SPS i 100 ns dla PPS. Tak wysoka dokładność jest konieczna, ponieważ błąd rzędu miliardowej części sekundy powoduje błąd pomiaru rzędu 50 cm.
Na depeszę nawigacyjną składa się 25 ramek, każda złożona z 1500 bitów. Ponieważ wiele pozycji z depeszy jest powtarzane, odebranie wszystkich 25 ramek zajmuje 12.5 minuty przy szybkości transmisji 50 bitów na sekundę.

Docierające do odbiornika sygnały pseudolosowe satelitów są przesunięte względem swoich częstotliwości zasadniczych wskutek zjawiska Dopplera; zależnie od położenia odbiornika względem torów lotu satelitów. Odbiornik musi zatem przeczesać pasmo radiowe w którym należy się spodziewać użytecznych sygnałów. Odnalezione sygnały satelitów muszą zostać sprawdzone czy nadają się do wykorzystania, ponieważ poziom sygnału odbieranego przy powierzchni Ziemi jest niższy od poziomu szumów. Fakt ten stawia bardzo wysokie wymagania torowi radiowemu odbiornika. Musi on charakteryzować się wielką czułością i niskimi szumami własnymi. Duże wzmocnienie części radiowej powoduje podatność na zakłócenia, zarówno przypadkowe jak i rozmyślne.

Procedura obliczania pozycji początkowej rozpoczyna się od określenia widzialnych satelitów. Każdy odbiornik ma w pamięci wzorce kodów PRN wszystkich satelitów (bodajże są 34 kody). Wzorce te są przyrównywane po kolei do odbieranych sygnałów do momentu zidentyfikowania jednego, co oznacza rozpoczęcie śledzenia.
Śledząc satelitę odbiornik demoduluje depeszę nawigacyjną i odczytuje dane almanachu o wszystkich satelitach w konstelacji. Na podstawie danych efemerycznych i almanachu synchronizuje swój zegar wewnętrzny z zegarami satelitów i uwzględnia wszystkie konieczne dane korekcyjne. Możliwość określenia satelitów które mogą znależć się w zasięgu i ograniczenie ilości sprawdzanych kodów PRN znacznie skraca czas poszukiwania.
Drogie odbiorniki profesjonalne pamiętają zarówno dokładny czas, jak i prognozowane trasy satelitów. Czas akwizycji takich odbiorników jest dosyć krótki, o ile zbyt radykalnie nie zmieni się jego lokalizacji w czasie "uśpienia".
Odbiornik jest gotów do rozpoczęcia nawigacji po złapaniu pod śledzenie czterech satelitów, osiągnięciu synchronizacji i odczytaniu depeszy nawigacyjnej. Dlatego od włączenia odbiornika do otrzymania pierwszego odczytu musi minąć pewien czas, określany jako czas akwizycji (TIFF - Time to First Fix), który jest jednym z podstawowych parametrów określających klasę (i cenę) odbiornika.
W odbiorniku nie jest konieczny atomowy wzorzec czasu. Wystarcza mu precyzyjny oscylator kwarcowy. Brak zgodności czasu odmierzanego przez zegar kwarcowy ze skalą GPS jest poprawiany w oparciu o pomiar czterech pseudoodległości. W lepszych odbiornikach wynik pomiaru nawigacyjnego jest przepuszczany przez tzw. filtr Kalmana (to taki algorytm z dziedziny ciężkiej matematyki oblężniczej).
Z odległości do czterech śledzonych satelitów i danych o ich trajektorii procesor wylicza współrzędne przestrzenne odbiornika. Zazwyczaj odbiorniki aktualizują swoje dane raz na sekundę. Dane te są przesyłane do pamięci, skąd są one pobierane do wyświetlania. Spora pojemność pamięci jest wymagana ze względu na konieczność pamiętania zmian położenia. Standardową możliwością jest odtworzenie przebiegu zmian pozycji i wysokości w czasie, czyli po prostu przebytej trasy.

Pozycja przestrzenna obliczona odległości od satelitów byłaby odniesiona do orbity satelitów, podczas gdy rzeczywiste parametry pozycyjne są odnoszone do powierzchni Ziemi, a konkretnie uśrednionego poziomu morza. Satelitarny system nawigacyjny musi zatem używać uniwersalnego układu odniesienia.
Geodezyjny układ odniesienia jest matematycznym modelem kształtu Ziemi, jak najlepiej dopasowanym do rzeczywistej geoidy. Definiuje się go poprzez wielkość i kształt elipsoidy i położenie środka elipsoidy w odniesieniu do środka Ziemi.
Obecnie używany układ odniesienia WGS-84 (World Geodetic System 1984) opisuje elipsoidę wykorzystywaną przez system GPS od stycznia 1987, której dłuższa oś ma długość 6378.137 km, a współczynnik spłaszczenia wynosi 1/298.257223563. Przesunięcie pomiędzy używanym wcześniej układem WGS-72 a WGS-84 wynosi około 13.6 metrów na wschód, 45 metrów na północ i 2.7 m w pionie na 37 (mierzone równoleżniku).

Odbiorniki standardowe (SPS) używają tylko kodu C/A. Dodatkowym ograniczeniem ich dokładności są rozmyślnie wprowadzone błędy w sygnałach SPS, znane jako SA (Selective Availability) i Anti-spoofing. Włączenie SA zmniejsza dokładność odbiorników cywilnych do 100 metrów (156 m dla pomiarów przestrzennych). Trzeba przyznać że stosowane SA dość rzadko osiąga wartości skrajne. Średnio błąd wynosi koło 20 m. Od maja 2000 r. SA jest wyłączone na czas nieokreslony, a ponowne włączenie ma być ogłoszone 24 godziny wcześniej.
Anti-spoofing jest włączany bez ostrzeżenia by uniemożliwić imitowanie sygnałów PPS przez nieprzyjaciela. Technika ta zmienia kod P, szyfrując go w kod oznaczony jako kod Y. Nie ma to wpływu na odbiór kodu C/A. Możliwość usunięcia wpływu SA i anti-spoofingu jest udostępniana tylko autoryzowanym użytkownikom (znowu przyjaciele i krewni królika...).
Największa dokładność uzyskiwana jest przy wykorzystaniu obu kodów: P(Y) i C/A. Różnica w czasie propagacji sygnałów o różnych częstotliwościach używana jest do wyznaczenia poprawki jonosferycznej. Zazwyczaj odbiorniki PPS używają szybszego kodu C/A do wstępnego śledzenia sygnałów satelitów i wyznaczenia przybliżonej fazy kodu P(Y).
Sztucznie wprowadzone i niektóre naturalne ograniczenia dokładności mogą być w dużym stopniu wyeliminowane Wpływ SA i anti-spoofingu, a także wielu czynników naturalnych można praktycznie wyeliminować przy zastosowaniu technik różnicowych. Techniki te polegają na wykorzystaniu poprawek wyznaczanych i rozpowszechnianych przez precyzyjnie zlokalizowane stacje referencyjne.

W przyszłości zostaną dodane dwa nowe sygnały dla zastosowań cywilnych. Jeden ma powtarzać kod C/A na kanale L2. Drugi, L5 = 1176.45 MHz, jest przeznaczony dla zastosowań o szczególnym znaczeniu dla bezpieczeństwa. Planuje się wyposażenie w L5 satelitów umieszczanych na orbicie od roku 2005. Do końca roku 2003 mają zostać wprowadzone nowe kody wojskowe (kody M), które będą niezależne od emitowanych obecnie na częstotliwościach L1 i L2. Pełna dostępność nowych częstotliwości jest planowana na lata 2008 - 2010.
Wybór L5 budzi wiele kontrowersji. Częstotliwość 1176.45 MHz wchodzi w zakres używany przez systemy DME i TACAN. Specjaliści obawiają się także interferencji z sygnałami radaru wtórnego (1030 - 1090 MHz), co może być szczególnie nieprzyjemne gdy używa się urządzeń TCAS.
Niby są to systemy pracujące impulsowo i nadające w relatywnie dużych odstępach czasu, ale, jak wiadomo, tylko licho nigdy nie śpi.
No, podobno jeszcze mrówki, ale to też nie ma się z czego cieszyć.

Początek formularza

Dół formularza

Jacek Tomczak - Janowski

20-Jan-1999
Akt. 22-11-2000

---