Prof. dr hab. inż. Janusz Śledziński

Technologie pomiarowe oparte na wykorzystaniu satelitarnego systemu pozycyjnego GPS stosowane w geodezji i nawigacji

2. Podstawowe wiadomości o konstrukcji systemu GPS.

Globalny System Pozycyjny GPS został zaprojektowany i skonstruowany w USA na zlecenie amerykańskiego Ministerstwa Obrony (DoD, Department of Defense) jako globalny wojskowy system nawigacyjny. Składa się on z trzech elementów-segmentów (rys.1):

  1. konstelacji co najmniej 24 satelitów,
  2. Ośrodka Dowodzenia połączonego ze stacjami permanentnie obserwującymi wszystkie satelity GPS, oraz
  3. użytkowników systemu wyposażonych w odbiorniki satelitarne GPS.

System GPS znajduje się od 1 stycznia 1995 roku w pełnym stadium operacyjnym i obecna konstelacja satelitów składa się z 27 satelitów umieszczonych na sześciu orbitach nachylonych względem równika pod kątem 550 równomiernie rozłożonych w długości geograficznej. Satelity GPS poruszają się po orbitach prawie kołowych oddalonych od powierzchni Ziemi o ponad 20 000 km, okres jednego obiegu takiego satelity wokół Ziemi wynosi około 12 godzin. Takie rozmieszczenie satelitów w przestrzeni zapewnia możliwość jednoczesnego obserwowania (widzenia) przynajmniej czterech satelitów GPS z dowolnego punktu na Ziemi.

Wszystkie satelity GPS są permanentnie obserwowane przez kilka tzw. stacji monitorujących i dla każdego satelity obliczane są precyzyjne elementy jego orbity i poprawka pokładowego zegara atomowego. Te dane są kilka razy dziennie wprowadzane do pamięci komputerów pokładowych na satelitach. W ten sposób każdy satelita ma aktualizowaną swoją pozycję w przestrzeni i synchronizację swego zegara do czasu całego systemu GPS. Ośrodek Dowodzenia systemu GPS (Master Control Station) znajduje się w bazie amerykańskich sił lotniczych w Colorado Springs. Stacje obserwacyjne (Monitor Stations) pracują w Kwajalein, Diego Garcia, na Wyspach Wniebowstąpienia (Ascension Is.) i na Hawajach.

Sygnał satelitarny, jaki dociera z satelity do odbiornika jest bardzo skomplikowany (rys. 2). Składa się on z dwóch podstawowych częstotliwości tzw. L1 = 1575,42 MHz i L2 = 1227,60 MHz, na które nałożone są specjalne kody C/A i P oraz cały pakiet różnych informacji. Pomiar prowadzony na dwóch częstotliwościach jest praktycznie wolny od wpływu refrakcji jonosferycznej (refrakcję niższych warstw atmosfery - troposfery eliminuje się poprzez automatyczne wprowadzanie poprawek obliczanych na podstawie przyjętego modelu atmosfery). Kody zawarte w sygnale satelitów są wykorzystywane do pomiaru odległości (tzw. pseudoodległości) satelity od anteny odbiornika. Kod C/A jest kodem ogólnie dostępnym i mniej dokładnym, zaś kod P jest kodem precyzyjnym ale dostępny nie wszystkim lecz tylko uprawnionym użytkownikom. Pakiet informacji zawarty w sygnale satelitarnym zawiera między innymi elementy orbit wszystkich satelitów GPS, poprawki zegarów pokładowych oraz dane o jakości sygnału.

Rys.1. Podstawowe trzy segmenty systemu satelitarnego GPS
(Gregory T. French "Understandind the GPS")

Należy jeszcze dodać że z chwilą wprowadzenia pełnej operatywności systemu GPS z dniem 1 stycznia 1995 roku wprowadzono również celowe, dawno zapowiadane degradacje sygnału satelitów GPS powodujące zmniejszenie dokładności wyników wyznaczeń bezwzględnej pozycji. W ten sposób Ośrodek Dyspozycyjny systemu GPS ogranicza dostęp i korzystanie z systemu GPS nieupoważnionym użytkownikom. Wprowadzone zostały dwa rodzaje degradacji sygnału GPS. Pierwszy, nazwany "selective availability" (SA) polega na zniekształceniu poprawki zegarów satelitów GPS i ograniczeniu dokładności elementów orbit zawartych w sygnale satelitarnym. Drugim rodzajem degradacji sygnału jest tzw. "anti-spoofing" (A-S), którego istotą jest zaprzestanie emisji kodu precyzyjnego P i zastąpienie go innym tajnym wojskowym kodem Y. Degradacja "selective availability" została decyzją władz amerykańskich zniesiona z dniem 2 maja 2000 r. Obecnie emitowany sygnał GPS jest zatem już wolny od tej degradacji. Oba rodzaje degradacji powodują znaczne (kilkakrotne) zmniejszenie dokładności wyznaczenia pozycji bezwzględnej wyznaczanego punktu. Jeśli natomiast chodzi o wyznaczanie pozycji względnej, to degradacja "selective availability" miała dość niewielki wpływ na wyznaczanie różnicy współrzędnych, podczas gdy degradacją "anti-spoofing" obarczone są wszystkie precyzyjne odbiorniki GPS posiadające kod P. Najnowsze typy odbiorników mają jednak specjalne oprogramowanie wewnętrzne umożliwiające taką obróbkę sygnału, która daje możność uzyskania dokładnego wyniku pomimo braku kodu P.