SATELITARNY SYSTEM NAWIGACYJNY GPS

1. Charakterystyka systemu GPS

Globalny System Pozycjonowania (GPS - Global Positioning System) jest to satelitarny system nawigacyjny typu stadiometrycznego, który umożliwia użytkownikom określanie pozycji oraz przekazywanie sygnałów czasu w sposób ciągły, z bardzo dużą dokładnością, bez względu na środowisko. Dostępny jest na powierzchni wody, lądu i w powietrzu a nawet w bliższej przestrzeni kosmicznej. System jest własnością Departamentu Obrony USA. Składa się z trzech podstawowych segmentów: naziemnego, kosmicznego oraz użytkownika. Jest on najnowszym z powszechnie stosowanych systemów nawigacyjnych, znajduje się w eksploatacji od grudnia 1993 roku.

Segment naziemny (zwany również segmentem kontroli) składa się z pięciu naziemnych stacji kontrolnych rozmieszczonych równomiernie na kuli ziemskiej (Hawaje, Colorado Springs, Ascension Island, Diego Garcia oraz Kwajalein). Wszystkie stacje są wyposażone w dwa komplety specjalnie skonstruowanych odbiorników, z których każdy może śledzić sygnały radiowe od 12 satelitów na obu generowanych częstotliwościach. Zadaniem stacji jest śledzenie ruchu i poprawności działania satelitów, zbierania danych i przesyłania ich do głównej stacji kontrolnej systemu. Trzy z nich (Ascesion, Diego Garcia i Kwajalein) oprócz śledzenia przesyłają rówwnież dane do pamięci satelitów.

Główna stacja kontrolna, połączona z jedną ze stacji kontrolnych, umieszczona w bazie lotniczej Falcon w pobliżu Colorado Springs (stan Colorado) na podstawie napływających do niej danych od stacji śledzenia satelitów oblicza prognozowane parametry orbit oraz odchyłki (offset) zegarów satelitarnych. Dane te są przesyłane i aktualizowane w pamięci.

Segment kosmiczny składa się z 24 satelitów rozmieszczonych na sześciu zbliżonych do kołowych orbitach, których płaszczyzny są nachylone do płaszczyzny równika pod kątem 55⁰. Orbity w płaszczyźnie równika oddalone są od siebie o 60⁰ długości geograficznej. Ich wysokość wynosi ok. 20 180 km, natomiast czas obiegu satelity wokół Ziemi połowę doby gwiazdowej, tj. 11 godzin 57 minut i 58,3 sekundy.

W literaturze mówi się często o 21 satelitach operacyjnych i 3 zapasowych, jest to jednak podział umowny, który wynika z założenia, że liczba sprawnych satelitów nigdy nie powinna być mniejsza od 21. Są one rozmieszczone równomiernie na orbitach i obecnie w praktyce obserwuje się działanie 24 satelitów. Ich rozmieszczenie zapewnia we wszystkich punktach powierzchni Ziemi nieprzerwaną widzialność nad horyzontem od 5 do 9 satelitów, a od 4 do 8 powyżej 5⁰ nad horyzontem.

Satelity emitują dla potrzeb użytkowników sygnały radiowe zawierające dane o ruchu satelitów oraz specjalne sygnały pomiarowe. Nadawane są one na dwóch częstotliwościach w paśmie L, tj. L₁ = 1575,42 MHz oraz L₂ = 1227,6 MHz. Zasadniczą dla działania systemu jest częstotliwość L₁, druga zaś, umożliwia wyznaczanie poprawki jonosferycznej.

Sygnały radiowe emitowane na częstotliwości L₁ są modulowane dwoma kodami: kodem P który umożliwia pomiary dokładne (PPS - Precise Positioning Service) oraz kodem C/A (Coarse Acquisition), który zapewnia usługi niższej dokładności (SPS - Standard Positioning Service). Sygnały emitowane na częstotliwości L₂ modulowane są tylko kodem C/A.

Kod P umożliwia bardzo dużą dokładność pomiarów w ruchu, udostępniony jest tylko użytkownikom wojskowym oraz upoważnionym użytkownikom cywilnym. Kod C/A jest tzw. kodem szerokiego dostępu , czyli mogą z niego korzystać wszyscy użytkownicy. Zamiast kodu P, którego zasady generowania są ogólnie znane, może być stosowany kod Y, który został przewidziany jako środek przeciwdziałania celowym zakłóceniom elektronicznym (zagłuszaniu A-S: Anti-Spoofing).

Stosowane obecnie odbiorniki użytkowników militarnych są dwukodowe: kod P lub Y oraz kod C/A, natomiast odbiorniki dotychczas powszechnie dostępne są jednokodowymi tylko kod C/A. Działanie odbiornika polega na odebraniu informacji o pozycjach satelitów, dokonaniu pomiarów odległości do wybranych spośród „widocznych” satelitów i przetworzeniu tych pomiarów na współrzędne pozycji użytkownika. Określanie pozycji odbywa się w czasie rzeczywistym i w przybliżeniu w sposób ciągły.

Dokładność określenia pozycji za pomocą odbiornika dwukodowego wynosi 14 - 18 m dla poziomu prawdopodobieństwa 95%, natomiast dokładność określenia pozycji za pomocą odbiornika jednokodowego około 30 - 40 m. Od 1993 r do maja 2000 r. dokładność pozycji odbiornika jednokodowego wynosiła do 100 m poprzez stosowanie techniki zwanej „selektywną dostępczością” (S.A. - Selective Availability), tzn. celowo obniżono jakość sygnału nadawanego z satelity wykorzystując zmniejszenie dokładności poprawki zegara satelity oraz obniżenie dokładności jego efemeryt pokładowych. Powodowało to pogorszenie pomiaru odległości do satelitów i obliczanych współrzędnych, a w konsekwencji pozycji użytkownika (decyzja prezydenta USA).

Poza umożliwianiem określania pozycji system GPS pozwala na precyzyjne przekazywanie sygnałów czasu. Wykorzystuje się tu fakt, że pomiary w tym systemie są pomiarami czasu przejścia przez sygnały radiowe odległości satelita - odbiornik. Sygnały z satelitów są emitowane w niezwykle precyzyjnie ustalonych momentach, dzięki zastosowaniu bardzo stabilnych wzorców czasu (generatorów atomowych). W systemie obowiązuje specyficzna, właściwa tylko temu systemowi, skala czasu wynikająca z ciągłego zgrywania wszystkich wzorców (generatorów) działających w systemie. Odbywa się to dzięki ciągłemu monitorowaniu działania satelitów przez stacje naziemne. Jest to czas atomowy, różny od stosowanego w nawigacji czasu UTC. Dla użytkownika takiego jak nawigator morski czas ten jest jednak zamieniany w odbiorniku na czas UTC, dzięki przekazywaniu w danych transmitowanych przez satelity bieżącej różnicy pomiędzy czasem funkcjonującym w systemie (czas GPS) i wzorcem uniwersalnego czasu skoordynowanego (Coordinated Universal Time) znajdującego się w Obserwatorium Marynarki Wojennej USA (United States Naval Obserwatory). Ponadto - dzięki temu, że do przekazywania sygnałów czasu wykorzystuje się znany użytkownikowi ciąg 1023 bitów trwających milisekundę - można uzyskać synchronizację czasu 50 nanosekund.

2. Określanie pozycji użytkownika za pomocą systemu GPS

W systemie GPS współrzędne pozycji statku (użytkownika) określa się na podstawie pomiaru odległości do co najmniej:

• trzech satelitów, gdy określa się tylko dwie współrzędne pozycji użytkownika ϕ, λ;

• czterewch satelitów, gdy określa się trzy współrzędne pozycji użytkownika ϕ, λ, h.

Pomiary dokonywane są w sposób pośredni poprzez pomiar czasu przejścia przez sygnał odcinka satelita - odbiornik, a następnie przemnożenie tego czasu przez prędkość fali radiowej. Zmierzone wielkości nazywane są pseudoodległościami i zawierają następujące nieprawidłowości:

• błąd spowodowany propagacją fal radiowych w jonosferze i troposferze (CΔt_A);

• błąd spowodowany różnicą wskazań zegara urządzenia odbiorczego w stosunku do czasu systemu GPS (CΔt_U);

• błąd spowodowany różnicą wskazań zegara satelity w stosunku do czzasu systemu GPS (CΔt_S).

Biorąc pod uwagę to, że w ssystemie GPS pomiar odległości do satelitów dokonuje się na podstawie czasu przejścia sygnału od satelity do odbiornika, wartość pseudoodległości do satelity można określić na podstawie zależności:

đ_i = c·[(t_Ri - t_Ti) + Δt_Ai + (Δt_ui

---