Jak funguje GPS?

Systém GPS je tvořen třemi segmenty: kosmickým, řídícím a uživatelským.

 

Kosmický segment GPS představují družice umístěné na šesti kruhových drahách se sklonem 55° k rovině rovníku, vzdálené 20 190 km od povrchu Země a pohybující se rychlostí 11 300 km/h. Za jeden den uskuteční každá družice dva oběhy kolem Země (jeden oběh trvá 11 h 58 min). Každá ze šesti drah má pět pozic pro umístění družic a to znamená, že za současné konfigurace je maximální možný počet družic GPS na oběžné dráze roven třiceti . Pozice č. 5 je u každé dráhy záložní, pro dosažení plné operační způsobilosti systému stačí 24 funkčních družic.

Srdcem každé družice jsou velmi přesné atomové hodiny. Na palubě každé družice se nacházejí tři nebo čtyři modely těchto hodin, s cesiovým nebo rubidiovým oscilátorem. Mají za úkol starat se o dlouhodobou stabilitu frekvence vysílaného signálu. Základní frekvence L pásma má hodnotu 10,23 MHz. Po jejím vynásobení hodnotami 154 a 120 vznikají nosné frekvence signálů L1 = 1 575,42 MHz a L2 = 1 227,60 MHz. Nosná vlna je modulována fázovou modulací. Pro modulaci nosné vlny se používá několik pseudonáhodných kódů. Tyto kódy jsou pro každou družici jedinečné. Pro představu je možné jmenovat například kódy C/A nebo P(Y), které zajišťují přijímači GPS jednoznačnou identifikaci družice, vysílající daný kód.

Jedním z důležitých kódů vysílaných družicemi je navigační zpráva. Obsahuje informace o telemetrii, dráze jednotlivých družic a nejrůznější korekční data. Je vysílána frekvencí 50 Hz, její délka je 1 500 bitů a skládá se z pěti částí (subframů). Zatímco první tři subframy navigační zprávy jsou pro každou družici unikátní, data ze čtvrtého a pátého subframu jsou u všech družic stejná. Čtvrtý subframe je rezervován především pro vojenské údaje, kromě nich však obsahuje data o stavu ionosféry a provizorně i almanach (Almanach je jednou ze složek signálu GPS - součást navigační zprávy. Obsahuje data o poloze družic GPS) nejnovějších družic, které přesahují počet tvořící FOC - Full Operational Capability (Plnou operační schopnost globálního polohového systému GPS). Ta byla vyhlášena 17. července 1995 po dosažení počtu 24 družic Bloku II a IIA na oběžné dráze a po jejich důsledném testování. Poslední subframe navigační zprávy tvoří almanach pro nejdéle sloužících 24 družic.

Pro určení dvojrozměrné polohy (nejčastěji zeměpisná délka a šířka) postačí příjem signálu z min. tří družic (výpočet tří pseudovzdáleností), 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.

Řídící segment tvoří soustava pěti monitorovacích stanic, čtyř pozemních vysílačů a Hlavního řídícího střediska. Monitorovací stanice jsou umístěny rovnoměrně po obvodu Země, většinou blízko rovníku. Nacházejí se na Havajských ostrovech, na atolu Kwajalein na Marshallových ostrovech v západním Tichomoří, na ostrově Ascension ve středním Atlantiku, na ostrově Diego Garcia uprostřed Indického oceánu a v Colorado Springs v USA. Pozemní vysílače jsou umístěny na ostrovech Ascension, Diego Garcia, na atolu Kwajalein a na Havaji. Hlavní řídící středisko sídlí na Schrieverově letecké základně v Colorado Springs v Coloradu.

Hlavním úkolem řídícího segmentu je sledování drah družic a stavu jejich atomových hodin. Řídící segment se stará o provádění korekcí v dráze letu i vysílaném signálu družic a zajišťuje synchronizaci atomových hodin. Dále je tento segment zodpovědný i za nejrůznější provozní opatření, například za správu a údržbu stávajících družic a podílí se i na přípravě vypouštění nových družic.