Segmenty i sygnał GPS

Janusz Śledziński

Segmenty i sygnał GPS

Pomiary satelitarne wyko­rzystujące globalny system wyznaczania pozycji GPS znalazły w ostatnich latach powszechne zastosowanie w pracach geodezyjnych i na­wigacji. Zadecydowała o tym możliwość natychmiastowego uzyskania położenia, prawie całkowita automatyzacja pomiarów i ich opracowania, a także wyższa dokładność oraz znacznie niższe koszty w porównaniu z tradycyjnymi technikami naziemnymi. Tech­nologia GPS jest też używana w badaniach geodynamicz­nych, m.in. do wyznaczania parametrów ruchu bieguna czy badania stabilności ruchu obrotowego Ziemi, a także ruchu płyt tektonicznych.

A co to jest GPS? Global Positio­ning System (GPS) zaprojekto­wano

i skonstruowano w USA na zlecenie amerykańskiego Minister­stwa Obrony (Department of Defen­se) jako wojskowy system nawigacyjny. Tworzą go trzy segmenty (rys. 1):

• konstelacja co najmniej 24 sateli­tów,
• Ośrodek Dowodzenia połączony ze stacjami permanentnie obserwujący­mi wszystkie satelity GPS,
• użytkownicy wyposażeni w od­biorniki GPS.

Rys. 1. Segmenty systemu GPS

Od 1 stycznia 1995 roku GPS jest w pełni operacyjny. Obecna konstelacja składa się z 30 satelitów umieszczonych na sześciu prawie kołowych orbitach na­chylonych względem równika pod ką­tem 55° (rys. 2), równomiernie rozłożo­nych w długości geograficznej i odda­lonych od powierzchni Ziemi o ponad 20 000 km. Okres obiegu satelity wokół naszej planety wynosi około 12 godzin. Takie rozmieszczenie w przestrzeni za­pewnia możliwość jednoczesnego obser­wowania (widzenia) przynajmniej czte­rech satelitów GPS z dowolnego punktu na Ziemi.

Rys. 2. Nachylenie orbity

Bazy i stacje monitorujące. Wszystkie satelity GPS są per­manentnie obserwowane przez kilka tzw. stacji monitorujących i dla każdego z nich obliczane są precyzyj­ne elementy orbity i poprawka zegara atomowego. Dane te wprowadzane są do pamięci komputerów pokładowych. W ten sposób każdy satelita ma zapew­nioną aktualizację swojej pozycji w prze­strzeni i synchronizację zegara do czasu całego GPS. Ośrodek Dowodzenia (Ma­ster Control Station) znajduje się w bazie amerykańskich sił lotniczych w Colora­do Springs. Stacje obserwacyjne (Moni­tor Stations) USAF (US Air Force) pra­cują w Kwajalein, Diego Garcia, na Wy­spach Wniebowstąpienia (Ascension Is.) i na Hawajach. Działa także 6 sta­cji NGA (National Geospatial Agen­cy): w Argentynie, Australii, Bahrajnie, Ekwadorze, Stanach Zjednoczonych ­na Alasce, w Korei Południowej, Nowej Zelandii, RPA i na Tahiti (rys. 3).

Rys. 3. Lokalizacja stacji kontrolnych GPS

Częstotliwości na razie dwie. Sygnał satelitarny, który docie­ra z satelity do odbiornika, jest bardzo skomplikowany (rys. 4). 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 pakiet do­datkowych 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 wy­korzystywane są do pomiaru odległości (tzw. pseudoodległości) satelity od ante­ny odbiornika. Kod P (precise – protec­ted) jest precyzyjny, ale dostępny tylko dla uprawnionych użytkowników, zaś kod C/A (coarse aquisition – clear access) – ogólnie dostępny, ale mniej dokładny. Pakiet informacji wysyłany w sygnale satelitarnym zawiera między innymi ele­menty orbit wszystkich satelitów GPS, poprawki zegarów pokładowych oraz dane o jakości sygnału.

Rys. 4. Struktura sygnału GPS

Degradacje sygnału. Z chwilą wprowadzenia pełnej operacyj­ności systemu GPS zastosowa­no również dwa rodzaje – wcześniej za­powiadanej – celowej degradacji sygnału satelitów powodującej zmniejszenie do­kładności wyznaczeń bezwzględnej po­zycji. W ten sposób Ośrodek Dowodze­nia ogranicza korzystanie z GPS przez nieupoważnionych użytkowników. I tak „selective availability” (SA) – polega na zniekształceniu poprawki zegarów sate­litów GPS i ograniczeniu dokładności ­­­­­­­­­­­­­­­­elementów orbit zawartych w sygnale satelitarnym. Natomiast isto­tą „anti-spoofing”(A-S) jest zaprze­stanie emisji kodu precyzyjnego P i zastąpienie go innym tajnym woj­skowym kodem Y. Degradacja „se­lective availability” została decyzją władz amerykańskich zniesiona 2 maja 2000 r. Obecnie emitowany sygnał GPS jest zatem od niej wolny. Oba rodzaje degradacji powodowały znaczne (kilkakrotne) zmniejszenie dokładności określenia pozycji bezwzględnej wyznaczanego punktu. Jeśli natomiast chodzi o pozycję względną, to degradacja „selective availability” miała niewielki wpływ na wyznaczanie różnicy współrzędnych, podczas gdy degradacją „anti-spoofing” obarczone są wszystkie precyzyjne urządzenia GPS z możliwością odbioru kodu P. Najnowsze instrumenty mają jednak specjalne oprogramowanie wewnętrzne pozwalające na obróbkę odbieranego kodu Y. I choć go nie rozumieją, to wykorzystując pewne wspólne elementy obu kodów, pozwalają osiągnąć taki wynik, jakby pomiar był wykonywany z użyciem kodu P. Stosowane są tu najczęściej metody opracowania sygnału nazywane cross-corellation lub Z-tracking. Aby w przyszłości uniknąć komplikacji z korzystaniem przez użytkowników cywilnych z istniejącego sygnału wojskowego Y, administratorzy systemu GPS zamierzają wprowadzić dla nich w roku 2006 trzeci sygnał L5 (1176,45 MHz).

Prof. Janusz Śledziński był pracownikiem naukowym Instytutu Geodezji Wyższej i Astronomii Politechniki Warszawskiej, 2010