Galileo: sen nebo skutečnost?

GDNS v dobách minulých

Již pří druhé světové válce si světoví mocnáři uvědomili, jak velkou výhodu v boji poskytuje kvalitní navigační systém. Ovšem až do počátku let šedesátých nebylo možné realizovat navigační systém globálně. S rozvojem kosmického programu však tato myšlenka nalezla cestu k uskutečnění. Roku 1959 začalo projektování GDNS v USA a již roku 1964 spatřil světlo světa první z GDNS na světě pojmenován svými tvůrci Transit. Přesnost systému dosahovala pouze řádu desítek metrů, a to zejména kvůli použité metodě měření pomocí Dopplerova jevu, která není pro určování polohy tak přesná jako dnes používané metody měření.

Dopplerův jev popisuje, jakým způsobem se mění frekvence a vlnová délka vysílaných vln při pohybu zdroje vysílání vůči přijímači. Tedy při známé poloze vysílače je možné podle změny elektromagnetického vlnění určit polohu přijímače. K určení polohy stačilo přijímání signálu z jedné družice, proto se kosmický segment systému skládal pouze ze šesti družic, rozmístěných na třech oběžných drahách, z čehož byla polovina aktivních a polovina záložních družic.

V odpověď americkému systému přišel roku 1967 ruský systém Parus - Cikada. Ten používal stejnou metodu měření jako transit a dosahoval obdobných výsledků, co se přesnosti týče. Kosmický segment byl složen ze šesti družic, které obíhaly planetu na šesti oběžných drahách. Oba systémy využívaly pro umístění družic nízkou oběžnou dráhu, což pro Transit znamenalo 1100 km nad povrchem planety a pro Parus 730 km až 960 km. Systémy byly primárně určeny pro vojenské použití, zejména námořní navigaci, avšak systém Transit byl částečně uvolněn pro civilní použití již v roce 1967. Hlavní nevýhodou obou systémů byl krátký časový úsek, kdy bylo možné družicový signál přijímat. Jednalo se o zhruba 30 minut, kdy bylo možné přijímat signál z jedné družice, které bylo následováno 4 až 8 hodinami čekání na to, až bude dostupný signál družice další.

Novodobé GDNS

Již v 70. letech bylo USA jasné, že systém Transit je pro přesnou navigaci nepoužitelný. Tendencí bylo zpřesnit systém a zvýšit jeho dostupnost zejména pro aplikaci v letectví. Proto roku 1973 započal vývoj nového GDNS a už o pět let později opouštějí Zemi družice určené nikoli systému Transit, nýbrž zcela novému systému Navstar GPS, dnes široké veřejnosti známému jako GPS. Oproti svému předchůdci má GPS navýšen počet družic na orbitu a to ze šesti na 24 a i počet oběžných drah byl zvýšen ze tří na šest, čímž byla docílena globální dostupnost systému v reálném čase. Klíčovou roli ve zvýšení přesnosti sehrál také fakt, že na paluby nových družic byly umístěny atomové hodiny.

Princip určování polohy na základě měření vzdáleností pomocí jednostranného vysílání přesných časových údajů byl ověřen na družicích projektu Timation. Koncept byl vymyšlen již roku 1964, ovšem v té době byly atomové hodiny natolik velké, že nebylo možné je na palubu družice umístit. S vývojem technologií přišel zvrat v podobě miniaturizace elektrotechniky a koncepce projektu Timation se ukázala být tou pravou pro tvorbu systému GPS. Roku 1995 dosáhl systém plné operativnosti, kdy byl dosažen plný počet, to jest 24 funkčních družic na orbitu.
V dnešní době sestává kosmický segment systému GPS z 32 družic, čímž byla zvětšena přesnost systému. Princip měření není již založen na dopplerově efektu, ten zůstal zachován pouze pro měření rychlosti pohybujícího se přijímače, nýbrž na měření pomocí kódů, přenášených na dvou nosných frekvencích. Jedná se o frekvenci L1 (1575,42 Mhz), kde je vysílán tzv. C/A kód, určený civilním uživatelům, a P(Y) kód, který je šifrovaný, a tudíž určený autorizovaným uživatelům, a poté o frekvenci L2 (1227,62 Mhz), kde je vysílán pouze P(Y) kód. Tím, že je P kód šifrovaný, je zajištěno, že přijímaný signál nemůže být simulovaný, tedy že se jedná o autentický družicový signál. Všechny družice systému tedy vysílají na stejných frekvencích a odlišují se od sebe pouze unikátností svého identifikačního kódu.

Ruskou odpovědí na systém GPS byl jejich nový systém GLONASS. Jeho vývoj započal v roce 1976 a s vypouštěním družic se začalo roku 1982. Systém měl být v plně operativním stavu do roku 1991, ovšem pád Sovětského svazu zapříčinil, že dosud není systém plně dokončen, a nejedná se tedy o GDNS v pravém slova smyslu. GLONASS měl být složen z 24 družic rozmístěných na třech orbitách na střední oběžné dráze, přičemž v roce 2009 z nich obíhá planetu pouze 18. Nicméně ruská vláda rozhodla o uvedení do plného operativního stavu do roku 2011.

Princip měření vzdáleností přijímače od družice je obdobný jako u systému GPS, ovšem princip přenosu signálů je naprosto odlišný. Nepoužívá totiž kódovou identifikaci družic, nýbrž identifikaci frekvenční. V praxi to znamená, že každá z družic nad jednou polokoulí vysílá na jiné frekvenci než družice ostatní. Konkrétně se jedná o frekvenci L1, jejímž základem je 1602 MHz, k níž je přičtena hodnota n * 0.5625 Mhz, kde n je rovno číslu frekvenčního kanálu družice, na které je vysílán SP signál, určený pro civilní použití a frekvenci L2, jejíž základem je 1246 Mhz, k níž je přičtena hodnota n * 0.4375 MHz, kde n je opět rovno číslu frekvenčního kanálu družice, na které je vysílán signál HP. Ten je určen pouze autorizovaným uživatelům, což je především ruská armáda. O tomto signálu se stále neví přesné informace, protože je i nadále tajný.
Také Francie je provozovatelem GDNS. Ten se jmenuje DORIS a jedná se systém založený na měření pomocí dopplerova jevu. V dnešní době jde o systém, který je použitelný převážně pro výzkumné účely, což je také cílem DORISu. Měří zejména rychlost pohybu litosférických desek a výšku vln a hladiny světového oceánu. Výjimečný je DORIS v rozsáhlosti řídícího segmentu. Ten je tvořen sítí až 60 pozemních stanic, které jsou rovnoměrně rozmístěny po celém světě.