GPS
 
Encyklopedia PWN
GPS, ang. Global Positioning System,
globalny system wyznaczania pozycji (lokalizacji) obiektów wykorzystujący sztuczne satelity Ziemi, przeznaczony do ciągłego, szybkiego i dokładnego wyznaczania trzech współrzędnych, określających pozycję anteny odbiornika osobistego albo zainstalowanego na obiekcie stałym lub ruchomym, znajdującym się na lądzie, wodzie lub w powietrzu.
System służy również jako wzorcowe źródło czasu i jest wykorzystywany do określania prędkości poruszającego się odbiornika. Został zaprojektowany i zbudowany (1969–95) na zlecenie Ministerstwa Obrony USA, początkowo pod nazwą NAVSTAR GPS (angielskie Navigation Satellite Time and Ranging GPS). Pierwszego satelitę (próbnego) umieszczono na orbicie 1978, natomiast satelitę użytkowego — 1989; osiągnięcie pełnego stadium operacyjnego systemu ogłoszono 1995. GPS pozwala na uzyskanie dokładności wyznaczania pozycji od kilku mm (w geodezji) do kilku m (w nawigacji), czasu od kilkudziesięciu do kilkuset ns oraz prędkości obiektów poniżej 0,1 m/s. Składa się z 3 segmentów: satelitarnego (kosmicznego), operacyjnego (kierowania, nadzoru) i segmentu użytkowników.
Segment satelitarny stanowi konstelacja 32 (2008) satelitów, rozmieszczonych co najmniej po 4 na 6 orbitach nachylonych względem płaszczyzny równika pod kątem 55° i równomiernie rozłożonych w długości geograficznej; orbity mają kształt prawie kołowy, ich nominalny promień wynosi 26 560 km, a wysokość nad powierzchnią Ziemi — ok. 20 200 km. Taka konfiguracja satelitów w przestrzeni zapewnia możliwość jednoczesnej obserwacji przynajmniej 4 satelitów (o znanym położeniu w przestrzeni) z prawie dowolnego punktu na Ziemi i pozwala na jednoczesny pomiar odległości danego odbiornika sygnałów GPS do każdego z satelitów.
Segment operacyjny, funkcjonujący od 1985, składa się z: głównej stacji operacyjnej (angielskie Master Control Station), znajdującej się w Bazie Sił Powietrznych USA Schriever (Colorado Springs), oraz współpracujących z nią 11 stacji monitorujących, rozmieszczonych prawie równomiernie w pobliżu równika, w: Waszyngtonie, Ekwadorze, Argentynie, Londynie, Bahrajnie i Australii oraz na przylądku Canaveral i na wyspach: Wniebowstąpienia, Diego Garcia, Kwajalein i Hawajach. Stacje monitorujące prowadzą ciągłe obserwacje wszystkich satelitów GPS, wykorzystywanych do precyzyjnych obliczeń parametrów orbity (efemeryd) każdego satelity i poprawek wskazań pokładowych zegarów atomowych (w stosunku do przyjętej skali czasu całego systemu GPS). W ten sposób pozycja każdego satelity w przestrzeni jest stale aktualizowana, a czas jego zegara jest synchronizowany z czasem systemu GPS. Najnowsze satelity (Block IIR i IIR-M), wystrzeliwane od lipca 1997, samoczynnie wyznaczają parametry swoich orbit. Stacja główna tworzy tzw. depesze satelitarne (depesze nawigacyjne), zawierające aktualne parametry orbit satelitów, poprawki do obliczeń, dokładny czas i inne dane, które tworzą pakiet informacji wysyłany okresowo do satelitów, a następnie wraz z sygnałem satelitarnym — do odbiornika.
Sygnał satelitarny jest emitowany na dwóch podstawowych częstotliwościach nośnych: L1 = 1575,42 MHz i L2 = 1227,60 MHz z zastosowaniem modulacji (kluczowania) specjalnymi sygnałami cyfrowymi: kodem C/A (angielskie Coarse Acquisition) — standardowym ogólnodostępnym, emitowanym na częstotliwości L1, oraz kodem P (angielskie Precise lub Protected) — precyzyjnym, zastrzeżonym dla uprawnionych użytkowników, zapewniającym uzyskanie dużych dokładności, emitowanym na częstotliwości L1 i L2. Wykorzystywanie dwóch częstotliwości ma na celu możliwość obliczania poprawek eliminujących błędy wyznaczania pozycji spowodowane refrakcją jonosferyczną.
Segment użytkowników jest reprezentowany przez wiele milionów różnorodnych jedno lub wielokanałowych odbiorników (m.in. kieszonkowych), wykorzystywanych przez użytkowników wojskowych i cywilnych; stanowią one m.in. wyposażenie rakiet kierowanych, pojazdów, samolotów, okrętów. Do podstawowych funkcji odbiornika GPS należą: odbiór sygnału, identyfikacja satelity nadającego ten sygnał, wyznaczenie czasu propagacji sygnału od satelity do odbiornika i wykonanie obliczeń (przy wykorzystaniu informacji zawartych w depeszy satelitarnej) pozycji oraz prędkości obiektu (w wyspecjalizowanych odbiornikach).
Oprócz zastosowania w nawigacji (także nawigacji samochodowej, turystyce), GPS jest stosowany do tworzenia przestrzennych sieci geodezyjnych, osnów do szybkiego kartowania i realizacji projektów inżynierskich (trasowanie linii komunikacyjnych, budownictwo przemysłowe), do badania szkód górniczych i skutków trzęsień Ziemi, a także do obserwacji zjawisk geodynamicznych (pływów, ruchów kontynentów, stabilności ruchu obrotowego Ziemi i położenia biegunów).
Podobnym systemem jest uruchomiony przez ZSRR system GLONASS, a także projektowany europejski system o nazwie EGNOS (angielskie European Geostationary Navigation Overlay Service) lub Galileo.
Ilustracje
GPS, konstelacja satelitów rys. M. Lewandowski/Archiwum Ilustracji WN PWN SA © Wydawnictwo Naukowe PWN
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia