signál GPS  |  dráha satelitu  |  struktura signálu  |  složky signálu  |  nosné vlny L1 a L2 

pseudonáhodný kód PRN  |  navigační zpráva  |  zpracování signálu  

seznam použité literatury

************************************************************************

1. Navigační systém GPS

    GPS představuje revoluční technologii v určování pozice a měření Země. Jedna záležitost této technologie je otázka přesnosti, další se týkají rychlosti a jednoduchosti. V neposlední řadě je důležitá cena. Všechny z těchto zlepšení přispívají ke stále větší oblibě této významné, nejen geodetické,  aplikace.

 

   Důležitá výhoda GPS : přesnost. „Přirozená“ přesnost GPS přijímače může být beze zbytku využita nebo naopak degradována. Zvýšena pečlivým zpracováním, degradována akceptováním významných zdrojů chyb (místo pokusu o jejich eliminaci). Následující seznam obsahuje tři kritické techniky jako důkaz centimetrové nebo dokonce milimetrové přesnosti v určení polohy :

 

1       Práce s dvěma či více přijímači. Základní idea diferenciálního GPS (DGPS) je určit rozdíly v poloze místo určení polohy absolutní. Chyby způsobené přijímači se vyloučí, pokud použijeme metodu diferencí.

2       Opakovat měření. Sekvence observací mají významně menší rozptyl než observace jednotlivé. Jestliže se přijímač pohybuje, Kalmanův filtr může vysvětlit změny stavů stejně jako nové observace.

3       Odhad všech zdrojů chyb v provedených observacích.

 

   Čtenář jistě zná problém kolísání družicových hodin. Prezident Clinton určil, že armáda by měla ukončit tuto „Výběrovou dostupnost“ (Selective Availability – S/A, SA, S–A) před rokem 2006. Všechny ukazatele jsou příznivé; neměli bychom být překvapeni, pokud k tomu dojde dříve. 2–dimenzionální rms polohová chyba z tohoto zdroje může být blízko 100 metrům (a je odstraněna DGPS, když 2 přijímače měří svůj signál ze stejného satelitu).

 

   Silný důraz je třeba klást na důležitost času. V aplikacích GPS je čas třeba chápat jako 4 dimenzi. To je důvod, proč potřebujeme alespoň čtyři satelity, nikoliv tři, pro lokaci přijímače. Čtyři souřadnice budou spočteny, a to x, y, z a c . dt – rychlost světla vynásobená chybou hodin přijímače. Veličina c . dt má jednotky dle vzdálenosti. Protože hodiny běžného přijímače znají čas již během několika sekund, eliminace chyby vlivem c . dt není nepovinná  – je absolutně vyžadována!

 

   V krátkosti : Klíč k přesnosti GPS je v přesných znalostech dráhy satelitu a času. V pozemním středisku jsou spočteny Keplerovy elementy dle aktuálně zjištěných parametrů dráhy družice (každý soubor přibližných Keplerových elementů je spolehlivý po 2 hodiny) a tyto elementy jsou nahrány do paměti družice. Na satelitu jsou umístěny atomové hodiny (césiové či rubudiové – viz. Tab. 5.9. na konci referátu). Družice vysílají svoje vlastní přibližné Keplerovy elementy pro výpočet pozice v přijímači. Taktéž vysílají s nižší přesností (uvedeny v almanachu) Keplerovy elementy pro ostatní satelity.

 

   Jeden základní fakt o GPS zasluhuje pozornost. Měření GPS poskytuje vzdálenost, nikoliv úhly. Zabýváme se tedy trilaterací a ne triangulací. Toto bylo přáním po staletí, poněvadž úhly jsou určitě méně výhodné. Samozřejmě, že průběh vzdálenosti není lineární, proto musí přijímač řešit nelineární rovnice.

  

   GPS satelity vysílají na dvou nosných frekvencích (L – pásmo): 1575,42 MHz (L1) a 1227,60 MHz (L2).

nahoru 

 

2. Signál GPS

    GPS satelity vysílají rádiové signály, které jsou fázově modulovány podle známých posloupností bitů. Hovoříme o DSSS signálech (Direct Sequence Spread Centrum – Přímá posloupnost Rozprostřeného Spektra). Velmi užitečný zjednodušený model poskytuje Ponsonby (1996), ukazující spínač SW1, který mění fázi sinusové vlny podle (známého) pseudonáhodného bitového řetězce. Časový interval T je  doba přenosu a každý interval sinusové vlny je násoben +1 nebo –1. Pak satelit vysílá tyto pozitivní a negativní segmenty sinusových vln.

 

   Signál přicházející do přijímače je rozdělen druhým přepínačem SW2. Toto se taktéž řídí pseudonáhodným vzorem. Všechno je závislé na tom, zda jsou dvě bitové posloupnosti souvislé. Jestliže nikoli, výstupní signál je příznivě v čase rozdělen a široce rozprostřen v dané frekvenci (rozprostřené spektrum – viz níže). Malá část energie projde filtrem.  Jestliže je přepínací frekvence na SW1 a SW2 přesně porovnána, výstupní signál je přesnou kopií vyslané vlny. Vlna prochází skrze filtr s maximálním výsledkem v energetické úrovni. Toto časové srovnání je popsáno v Ponsonby jako ekvivalent úpravy klíče do zámku.

 

   Pokud jsou posloupnosti srovnány, Delay Lock Loop udržuje synchronismus. Protože přijímač se vůči vysílači pohybuje (rychlost satelitu je asi 3 900 m . sec-1), dojde k Dopplerovu posunu v dané frekvenci úplné sinusové vlny. Díky změně frekvence můžeme dobře měřit rychlost. Přijímač určí svoji rychlost převodem do terestrického systému. Samozřejmě, že rozdíly v pozici poskytují přímý (ne Dopplerovské a méně přesné) odhad rychlosti vydělením Dt.

nahoru

 

3.1 Dráha satelitu

   24 družic systému GPS tvoří kosmický segment. Tři družice jsou rezervní, ale funkcí se od ostatních neliší. Satelity se pohybují ve výšce přibližně 3 zemských poloměrů, tedy asi 20 200 km nad zemským povrchem.družice se pohybují po 6 téměř kruhových drahách se sklonem k rovině rovníku 55o. Doba oběhu činí přibližně 12 hodin. Pro praktická měření pseudovzdáleností je výhodné, když jsou satelity alespoň 10o nebo lépe 15o nad horizontem. Následující obrázek znázorňuje dvou dimenzionální konstelaci 24 GPS satelitů.

nahoru 

 

3.2 Struktura signálu

3.2.1      Fyzikální podstata

    Princip systému GPS, jenž využívá speciální družice, je založen na přenosu dat ze satelitu k uživateli prostřednictvím elektromagnetických vln. Tyto vlny jsou generovány (střídavou) elektrickou silou. Šíření elektromagnetických vln, jež mají sinusoidální průběh, se řídí Maxwellovými zákony.

 

   Během šíření vlny, silové pole ubývá s přibývající vzdáleností od zdroje. Tento útlum je obvykle vyjádřen v decibelech (dB). Samozřejmě, útlum o n dB znamená, že původní hodnota silového pole je zmenšena faktorem 10-0.1 n. Tedy, zeslabení o 3 dB redukuje sílu signálu na zhruba polovinu jeho původní velikosti.

  

   Některé z těchto faktorů, popisující fyzikální chování elektromagnetických vln jsou uvedeny v této tabulce společně s jejich symboly a jednotkami :

Tabulka 2.1 Fyzikální veličiny 

Veličina

Symbol

Rozměr

Kruhová frekvence

f

cykly . s–1

Fáze

j

cykly

Vlnová délka

l

m . cykly–1

Perioda

p

s

Rychlost světla

c

m . s–1

        

   Základní konstantou je rychlost světla ve vakuu a její numerická hodnota je dána hodnotou

                       

c = 299 792 458 m . s–1. 

 

   Všimněme si, že celé počty cyklů jsou ekvivalentní násobku 2 p. Další jednotkou, vyjadřující cykly za sekundu (anglicky cps) je Hertz (Hz) nebo desítkový násobek v souladu s pravidly International Systém of Units (ISU). Rovnice pro tento vztah má následující podobu s parametry dle tabulky 2.1:

 

  

 

   Okamžitá kruhová frekvence f je také definována jako derivace fáze j podle času t, tedy

 

 

a poté, integrací frekvence mezi dvěma epochami t0 a t dostáváme pro fázi

   Předpokládejme konstantní frekvenci, nastavení počáteční fáze j(t0) = 0, a vezměme v úvahu časové rozpětí tr, které signál potřebuje  k překonání vzdálenosti r z vysílače do přijímače. Rovnice fáze pro elektromagnetické vlny přijmuté v místě observace má tvar :

 

 

 

   Pro numerický příklad uvažujme elektromagnetickou vlnu s frekvencí f = 1,5 GHz a počítejme okamžitou fázi na anténě 20 000 km vzdálené od zdroje vysílání. Použijme c = 3.105 km . s–1, (spojitá) fáze dává přesně výsledek 108 cyklů. Přijmutá (dílčí) fáze během jednoho cyklu je tedy nula.

 

   V případě pohybu zdroje či přijímače, přijmutá  frekvence je Dopplerovsky posunuta. To znamená, že přijmutá frekvence fr se od vyslané frekvence fe liší o hodnotu Df , která, nehledě na relativistické efekty, je úměrná radiální rychlosti  zdroje . S ohledem na přijímač můžeme psát :

 

 

 

   To lze ověřit tímto vztahem      

 

 

protože satelity GPS obíhají se střední rychlostí = n . a » 3,9 km . s–1. Předpokládejme pevný terestrický přijímač (zanedbejme rotaci Země). V tomto případě je radiální rychlost nulová, tedy žádný Dopplerovský efekt v dané epoše  observace.   Maximální radiální rychlost nastane, když satelit projde horizontem, přičemž její velikost je rovna hodnotě 0,9 km . s–1. Předpokládejme vyslanou frekvenci fe = 1,5 GHz, Dopplerovský posun frekvence je Df = 4,5 . 103 Hz. Tento frekvenční posun má za následek změnu fáze o 4,5 cyklu během 1 milisekundy, což koresponduje se změnou v pásmu 90 cm. Výsledek může být ověřen násobením radiální rychlosti s časovým intervalem 1 milisekundy.

nahoru 

 

3.2.2      Složky signálu

 Obecné poznámky

   Oficiální popis signálu GPS je k dispozici v GPS Interface Control Document ICD – GPS – 200, cf. Arinc Research Corporation (1992). Detaily můžeme též najít ve Spilker (1980, 1996).

 

   Satelitní oscilátory generují základní frekvenci f0 se stabilitou v řádu 10–13 během dne pro satelitní Block II. Dva nosné signály v L – pásmu, označované L1 a L2, jsou generovány celočíselným násobkem f0. Navíc, nosná L3 je generována pouze pro vojenské účely, srovnej Langley (1996). Pro blok IIF satelitu bude realizována možnost využití nosné L5 pro civilní účely. Nosné vlny L1 a L2 jsou modulovány kódem, který umožňuje zjistit čtení satelitních hodin na přijímači a přenáší informace například o parametrech dráhy družice. Kódy se skládají ze sekvencí stavů +1 nebo –1, což odpovídá binárnímu vyjádření hodnot 0 nebo 1. Tato takzvaná dvoufázová modulace je provedena posunem o 180o v nosné fázi kdykoli nastane změna stavu kódu, srovnej Obr. 2.1.

 

   Složky signálu a jeho frekvencí jsou sestaveny do Tabulky 2.2. Poznamenejme, že nominální základní frekvence f0 je úmyslně redukována o 0,005 Hz k vyrovnání relativistických efektů.

 

   Tyto kódy jsou používány pro přenos čtení satelitních hodin, oba jsou charakterizovány kódem pseudonáhodných šumových sekvencí (PRN – PseudoRandom Noise).  C/A – kód (Clear/Acces = volný přístup, Coarse/Acquisition = sběr hrubých dat) má frekvenci f0/10 a opakuje se každou milisekundu. P – kód (Precision = přesný nebo Protected = chráněný) má frekvenci f0 a opakuje se přibližně jednou za 266,4 dne (tolik dní by trvalo vysílání 2,36 . 1014 prvků, jimiž je kód tvořen). W – kód je používán k šifrování P – kódu do Y – kódu, když je A/S technologie aktivní (více viz níže) . Frekvence  f0/20 W – kódu ještě nebyla ověřena. Kódování navigační zprávy vyžaduje 1 500 bitů (což je její délka), na frekvenci 50 Hz je vysílána každých 30 sekund.

 

 

Obr. 2.1. Dvoufázová modulace nosné vlny

  Obrázek bohužel není k dispozici.

 

         Tabulka 5.2. Složky satelitního signálu

  

Složka

Frekvence (MHz)

Základní frekvence

fo

= 10,23

 

Nosná vlna L1

154 . fo

= 1 575,42

» 19,0 cm

Nosná vlna L2

154 . fo

= 1 227,60

» 24,4 cm

P – kód

fo

= 10,23

 

C/A – kód

fo/10

= 1,023

 

W – kód

fo/20

= 0,5115

 

Navigační zpráva

fo/204 600

= 50 . 10-6

 

  

   Obě nosné vlny L1 a L2 jsou modulovány P – kódem. C/A – kód je namodulován na nosné vlně L1 (je fázově posunut o 90o) společně s P – kódem. Označme nemodulované vlny Li(t) = ai . cos (fi t) a stav sekvencí P – kódu, C/A – kódu, W – kódu a navigační zprávy (jsou buď +1 nebo –1) P(t), C/A(t), W(t) a D(t). Formální zápis modulovaných signálů vysílaných družicí má tvar

 

         L1(t) = a1 . P(t) . W(t) . D(t) . cos (f1 t) + C/A(t) . D(t) . sin (f1 t)

         L2(t) = a2 . P(t) . W(t) . D(t) . cos (f2 t),

 

kde ai jsou amplitudy signálů. Vysílání všech kódů je synchronizované.

 

   Všimněme si, že doména frekvence vysílaného signálu je charakterizována rozprostřeným spektrem. Rozprostřené spektrum je modulační technika vyvinutá v roce 1940, která rozprostře vysílaný signál do širokého pásma vysokých kmitočtů. Tato technologie je vhodná pro datové komunikace z hlediska její odolnosti proti šumu a nízkého vlastního rušení. V případě GPS má navigační zpráva šířku pásma 100 MHz, kdežto P – kód má šířku pásma kolem 20 MHz, srovnej Wells et al. (1987).

nahoru 

 

Nosné vlny L1 a L2

   Pozn. : L pásmo zahrnuje frekvence od 1,0 GHz od 2,0 GHz v UHF rozsahu decimetrových radarových vln.

 

   GPS satelity vysílají na dvou nosných frekvencích (L – pásmo): 1575,42 MHz (L1) a 1227,60 MHz (L2). Obě frekvence mají rozdílný čas průchodu ionosférou. Každá nosná vlna je fázově modulována přesným P – kódem, sestávajícím se z pseudonáhodných bitových sekvencí při rychlosti přenosu 10,23 Mb/s. Krom toho, nosná vlna L1 je modulována v kvadratuře (např. přesazením o 90o) s 1,023 Mb/s pseudonáhodných bitových sekvencí, používaných pro hrubý sběr dat (tedy C/A kód). Čas vyslání signálu (dle palubních hodin satelitu) je přesně znám pro každý bit v dané sekvenci. GPS přijímač identifikuje příchozí bity a zjistí čas přijmutí signálu (dle hodin přijímače) s přesností lepší než 1% z délky bitu (kolem 1 nsec nebo 30 cm pro P – kód). Pravděpodobné (apriorní) pozice družic GPS a časové posuny mezi GPS satelity jsou vysílány k uživateli spolu s ostatními informacemi na 50 bps datové zprávě namudolované na nosné vlně L1 i L2. Rozdíl mezi známým časem odeslání a observovaným časem přijmutí dává měřenou vzdálenost mezi satelitem a přijímačem. V měřené vzdálenosti se ovšem projeví chyba hodin (synchronizace) mezi hodinami palubními a GPS přijímače, její velikost pak označujeme jako „pseudovzdálenost“. Přijímač simultánně měří pseudovzdálenost na 5 satelitů, čímž může přibližně určit svoji pozici a časový posun oproti GPS času, typicky s přesností 10 – 15 metrů a < 1 mikrosekunda. Moderní přijímače umožňují též měřit a udržovat souvislý příjem nosné fáze s přesností lepší než 0,5% vlnové délky (» 1 mm).

 

   Z důvodu národní bezpečnosti se politika vlády USA snaží o limitování přístupu do Precision Positioning Service (PPS) a přesnosti Standard Positioning Service (SPS). Dvě technologie jsou používány k omezení přístupu a přesnosti GPS : Výběrová Dosažitelnost (Selective Availability – S/A) a/nebo Anti Spoofing (A/S). A/S je proces, používaný k odmítnutí uživatelského přístupu pro plné využití systému vysokým stupněm šifrování P – kódu, který je normálně vyžadován pro přesná měření. Když dojde k zašifrování, P – kód je nahrazen „Y – kódem“. Jestliže uživatel nemá požadovaný  „dešifrovací klíč“ k určení Y – kódu, pak tento uživatel nemá přístup do PPS. S/A záměrně způsobí malou náhodnou chybu ve vysílaných efemeridách v almanachu (je součástí navigační zprávy v pátém datovém podúseku na stranách 1 až 24) a v nosné vlně a/nebo ve vysílané frekvenci. S/A tedy může zapříčinit  chybu v pozici řádově kolem 100 metrů.

 

   Pro GPS/MET je nutný  přístup k nejvyšší dosažitelné přesnosti z GPS. Nicméně, „přijímač Y – kódu“ a dešifrovací klíč nejsou potřebné. Místo toho je používán „obyčejný přijímač“, schopný přijímat nosnou vlnu L2 bez explicitní znalosti Y – kódu. S ohledem na S/A, UNAVCO studie ukázala, že při použití Dvojitého Diferencování (Double Differencing) ve spojení se synchronizovanými hodinami přijímače je S/A efektivně eliminováno, zrovna tak, chyba hodin přijímače a chyby orbitální. S ohledem na tuto skutečnost, A/S a S/A nezavádí žádné nepřekonatelné omezení pro uživatele GPS.

 nahoru 

 

Pseudonáhodný kód PRN (PseudoRandom Noise)

   Generování PRN sekvencí v kódech je založeno na použití hardwarového zařízení, nazývaného posuvné registry se zpětnými vazbami, srovnej Wells et al. (1987). Jak je znázorněno v Tab. 5.3., toto zařízení se skládá z čísla paměťových buněk (zde označeno od 1 do 5), obsahujících 1 bit. S každým časovým pulsem (tedy frekvencí fo nebo fo/10) se přesouvají bity doprava, přičemž pravá krajní buňka je na výstupu přečtena. Nová hodnota levé krajní buňky je dána binárním součtem dvou definovaných buněk. Binární 0 je nastavena, jestliže bity v těchto dvou buňkách jsou shodné. Volba těchto dvou buněk je libovolná a určuje vlastnosti výsledného kódu.

 

   Pro pochopení procedury vezměme v úvahu buňky 2 a 3, definované v páru v Tab. 5.3. Po jednom časovém pulsu, počáteční stav by měl předat binární 0 jako výstup a binární 1 by měla být nastavena v buňce 1 jako stav následující. Použitím této analogie by měla být předána bitová sekvence 1101110010… .

 

Tab. 5.3. Princip posuvných registrů se zpětnou vazbou (tapped feedback shift)

 

Číslo buňky

1 2 3 4 5

Výchozí stav

1

0

1

1

0

Stav následující

1

1

0

1

1

   

   C/A kód je generován dvojicí posuvných 10-bitových registrů se zpětnými vazbami (maximální délka je 210 – 1) , přičemž výstup obou registrů je opět sečten binární operací, čímž dostáváme posloupnost C/A kódu. Kódy z těchto dvou registrů nejsou tajné, proto je C/A kód dostupný pro civilní účely. Jedinečnost kódu je vyhrazena každému satelitu v závislosti na definovaných buňkách. Frekvence kódu je 1,023 MHz a rychlost opakování každou milisekundu mají za následek délku kódu 1 023 bitů. Časový interval mezi dvěma vyslanými bity je méně než 1 mikrosekunda, což odpovídá 300 m. Po této době se obsah čítače nastaví do výchozího stavu (samé jedničky).

 

   V současnosti je 37 PRN C/A kódů, ale dva z nich (34 a 37) jsou identické. Prvních 32 kódů je vyhrazeno pro satelity. Kódy PRN 34 počínaje jsou vyhrazeny pro další využití, zahrnující pozemní vysílače.

 

   P – kód také není tajný a je tvořen kombinací dvou bitových sekvencí (X1 a X2), z nichž každá je generována dvěma registry. První sekvence bitů se opakuje každou 1,5 sekundu a s ohledem na frekvenci fo má délku 1,5345 . 107 bitů. Druhá sekvence má o 37 bitů více. Kombinací obou sekvencí tedy dostáváme kód o délce přibližně 2,3547 . 1014 bitů, což odpovídá časovému intervalu asi 266,4 dne při dané frekvenci fo), jak již bylo zmíněno dříve. Výsledný kód je rozdělen do 37 jedinečných jednotýdenních segmentů a každý segment je přiřazen satelitu podle jeho PRN (definuje jeho PRN). Kódy se znovu startují na začátku každého GPS v sobotu o půlnoci. Časový interval mezi dvěma bity je u P – kódu asi desetkrát menší než u C/A kódu, což odpovídá asi 30 metrům. Za účelem ilustrace generování P – kódu je uveden příklad v Tab. 5.4. uvažujme dvě posloupnosti X1 a X2, obsahující bitové sekvence 010, resp. 10110. Kombinací 5*X1 s 3*X2 dostáváme kód s délkou 15 bitů. Protože S2 obsahuje o 2 bity více než S1, složený kód může být rozdělen do dvou specifických segmentů.

 

Tab. 5.4. Princip generování P – kódu

  

5*X1

0

1

0

0

1

0

0

1

0

0

1

0

0

1

0

3*X2

1

0

1

1

0

1

0

1

1

0

1

0

1

1

0

Kombinace

1

1

1

1

1

1

0

0

1

0

0

0

1

0

0

   

   Charakteristika PRN kódu je sumarizována v Tab. 5.5. Za účelem ochrany P – kódu proti záměrnému narušení (spoofing – tj. záměrný přenos nesprávných informací protivníkem), P – kód je zašifrován do Y – kódu zavedením A – S. Protože Y – kód je dán modulo součtem dvou P – kódů a šifrováním W – kódu, přístup do P – kódu je možný pouze za předpokladu, že je znám tajný algoritmus konverze.

 nahoru 

 

Navigační zpráva

   Navigační zpráva v podstatě obsahuje informace o stavu satelitu (zdraví), družicových hodinách, dráhové elementy satelitu a různé korekční údaje. Jak je schematicky naznačeno v Tab. 5.6., úplná navigační zpráva obsahuje 1 500 bitů, jež jsou dále rozděleny  do pěti podskupin (datových podúseků – tzv. subframes), z nichž každá trvá 6 sekund a obsahuje 10 slov po 30 bitech. Potřebný vysílací čas je tedy 0,6 sekund pro každé slovo. Přijímač tedy potřebuje alespoň 30 sekund na sledování satelitu, aby přijmul kompletní navigační zprávu.

 

   Každá podskupina začíná telemetrickým slovem, obsahující informace pro pozemní kontrolní a řídící střediska (synchronizační vzorek a některé diagnostické zprávy). Druhé slovo v každé podskupině je tzv. předávací slovo HOW (hand – over word). Nehledě na identifikaci podskupiny a některé příznaky, toto slovo obsahuje příslušný GPS týden (time – of – week) TOW, počítáno pro epochu na začátku (přední hrana) další podskupiny. TOW je počet (někdy se nazývá Z – číslo) 1,5 sekundových intervalů od začátku příslušného GPS týdne.

 

Tab. 5.5. Charakteristiky PRN kódů

  

Parametr

C/A – kód

P – kód

Přenosová rychlost

1,023 . 106

10,23 . 106

 

bitů za sekundu

bitů za sekundu

Odpovídající délka

» 300 m

» 30 m

Rychlost opakování

milisekunda

jeden týden

Typ kódu

37 unikátních kódů

37 jedno-týdenních segmentů

Vlastnosti

snadný přístup

více přesný

 

Tab. 5.6. Schéma navigační zprávy 

 

Počet bitů

Vysílací čas

Úplná navigační zpráva

1 500

30 sekund

Podskupiny (1 – 5)

300

6 sekund

Slovo (1 – 10)

30

0,6 sekundy

   

   První datová podúsek obsahuje číslo GPS týdne, předdefinovaný rozsah pro uživatelskou přesnost, indikátor zdraví (stavu) satelitu věk (stáří) dat, odhad signálu skupinového zpoždění a tři koeficienty kvadratického polynomu pro výpočet korekce družicových hodin.

 

   Druhý a třetí datový podúsek přenáší vysílané efemeridy družice.

 

   Obsah čtvrté a páté datové podskupiny je měněn v každé zprávě a má periodu opakování 25 (zpráv). Veškeré informace jsou zhuštěny do 25 stránek a vyžadují 12,5 minut pro odeslání (což odpovídá oněm 25 zprávám). Mnoho stránek 4 datové podskupiny je vyhrazeno pro vojenské účely; zbývající informace se týkají ionosféry, data UTC, různých příznaků a dat almanachu (tj. orbitální data malé přesnosti). Stránky páté datové podskupiny jsou převážně věnovány datům almanachu družic a stavu zdraví pro prvních 24 družic na oběžné dráze. Stránky čtvrté a páté datové podskupiny jsou vysílány každým satelitem.

 

   Pro více informací o navigační zprávě je možné najít v Dierendonck et al. (1980), Rockwell International Corporation (1984), Nieuwejaar (1988), Arinc Research Corporation (1992) či Department of Defense (1993).

 

Tab. 5.7. Rozdělení navigační zprávy 

  

Datový blok

Počet stránek

Datový podúsek

Obsah

Vyhrazené stránky

I

1

první

-    koeficienty kvadratického polynomu pro výpočet korekce palubních hodin,

-    stáří dat (efemerid),

-    informace o stavu a přesnosti každé družice.

1

II

1

Druhý, třetí

- dráhové parametry příslušné družice pro vysílaný časový okamžik

1

III

25

Čtvrtý, pátý

-        efemeridy všech dalších družic,

-        vojenské údaje.

---

Čtvrtý

-        efemeridy družic,

-        koeficienty amplitud modelu ionosférické refrakce

-        data UTC

-        informace o zavedení S/A při použití P(Y) kódu.

2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10

 

 

18

 

25

pátý

-        almanach družic,

-        stav družic (zdraví).

1až 24

25

 

nahoru 

 

3.3. Zpracování signálu

   Signál vysílaný z družice obsahuje 3 složky ve formě symbolického zápisu (L1, C/A, D), (L1, Y, D) a (L2, Y, D). Přijmutý signál C/A – kódu na nosné vlně L1 je stejně výkonný jako signál Y – kódu na L1. Mezi Y – kódem na L1 a L2 existuje stejný převod, viz. Tab. 5.8. Blok IIR satelitů může vysílat signál s menší intenzitou než je existující konstelace, protože výchozí intenzita je o 6 dB nižší než současná síla signálu.

 

 Tab. 5.8. Pokles síly přijmutého signálu v dB

 

Kód

Zeslabení signálu na nosné vlně

L1

L2

C/A

– 156 až – 160

---

Y

– 159 až – 163

– 162 až – 166

  

   Cílem zpracování signálu GPS v přijímači je obnovení složek signálu, včetně rekonstrukce nosné vlny a získání kódů o čtení palubních hodin a navigační zprávě. Princip je zobrazen na obrázku 2.2.

 

   Přesnost různých druhů palubních hodin je uvedena v Tab. 5.9.

 

 Obr. 2.2. Princip zpracování signálu

 

 

 

  

Tab. 5.9. Relativní přesnost palubních hodin

  

Typ hodin

Relativní přesnost [sec]

Krystalové

10–6  

Geodetický GPS přijímač

10–5 – 10–7

TI, krystal s termostatem

10–8 – 10–9

GPS palubní hodiny, SA zapnut

10–9 

Rubidium

10–11 – 10–12

Cesium

10–12 – 10–13

Vodíkový maser

10–15 – 10–16

  

 

Tab. 5.10. Standardní chyby bez zavedení SA

  

 

Jedna frekvence

Dvě frekvence

Efemeridová data

2 m

2 m

Palubní hodiny

2 m

2 m

Ionosféra

4 m

0,5 – 1 m

Troposféra

0,5 – 1 m

0,5 – 1 m

Multipath

0 – 2 m

0 – 2 m

UERE: rms

5 m

2 – 4 m

 

UERE = the user equivalent range error (uživatelský ekvivalent rozsahu chyb)

 nahoru 

 

3.    Seznam použité literatury

 

[1] Hofmann – Wellenhof, B.; Lichtenegger, H.; Collins, J. – GPS, theory and practice, fourth, revised edition, Springer-Verlag, Wien, New York, 1997

[2] Strang, G.; Borre, K. – Linear algebra, geodesy, and GPS, Wellesley – Cambridge Press, Wellesley, USA, 1997

 

Internetové zdroje :

[2] igscb.jpl.nasa.gov

[3] www.gst.ucar.edu

[4] www.gps-solutions.com

[5] www.aiub.unibe.ch

 

Pozn. : celý text je ke stažení ve formátu "pdf" ... teorie GPS

               nahoru