DRUŽICOVÝ NAVIGAČNÍ SYSTÉM GPS

Značná část veřejnosti považuje GPS za jeden z posledních technologických hitů, digitální hračku, kosmickou technologii apod. Přitom se v tomto případě nejedná o nic nového, syrového, plného chyb, ale naopak o zaběhnutý, mnoha léty a událostmi prověřený družicový navigační systém. Vždyť družicová navigace se zrodila nedlouho po vypuštění první umělé družice Země, a to už je pěkná řádka let. Za tuto dobu byla vyvinuta celá škála navigačních systémů, byla vystavěna řada koncových aplikací a samozřejmě vyrostla široká uživatelská obec zahrnující spektrum nadšenců zabývajících se různými druhy sportů až po piloty dopravních letadel.

SPECIFIKACE SYSTÉMU GPS
GPS – Globální polohový systém je družicový navigační systém pro určení okamžité polohy a času. Vyznačuje se vysokou přesností, možností pracovat kdekoliv na Zemi a nezávislostí na počasí a denní či noční době. Významným rysem systému je rovněž podpora práce ve společném systému souřadnic pro celou Zemi.

GPS se skládá ze tří složek. Kosmickou složku dnes představuje 27 satelitů (z toho 3 záložní), rovnoměrně rozmístěných na 6 drahách vzájemně stočených o 60 stupňů ve výšce okolo 20 000 km. Družice vysílají signál na dvou kmitočtech (L1 a L2), který se skládá z několika složek – dvou pseudonáhodných kódů a navigační zprávy, která nese důležité informace o poloze družice, jejím stavu, apod. Frekvence signálu přesahující 1,2 a 1,5 GHz jsou odolné vůči počasí, naopak neprostoupí masou hmoty, jako je např. skála či beton. Řídící složka pak zabezpečuje bezproblémový provoz celého systému – jeho sledování, předávání povelů, aktuálních informací o chodu hodin a efemeridách družic. Poslední složkou je uživatelský segment, který představují přijímače GPS a odborně zainteresované organizace.

Princip určení polohy je velmi jednoduchý, ale technická realizace byla velmi náročná. Systém GPS je pasivním dálkoměrným systémem, tedy samotný GPS přístroj je pouze přijímačem, nic nevysílá. Přístroj přijímá signál z jednotlivých družic, které vidí na obloze spolu s navigační zprávou obsahující parametry dráhy družice a další užitečné informace pro určení polohy a sledování stavu systému. Pro výpočet polohy stačí příjem signálu minimálně ze tří družic, chceme-li znát i výšku pak ze čtyř družic. Velmi jednoduše si lze celou situaci představit prostorovým promítáním. Určují se vzdálenosti mezi přijímačem GPS a viditelnými družicemi na základě znalosti časů vyslání a příjmu signálu. Družice GPS proto musí být vybaveny vysoce přesnými atomovými hodinami, neboť chyba v řádu milióntiny vteřiny může způsobit stametrové odchylky. Přesnost systému zaručuje provozovatel; obecně se udává, že pro civilní uživatele by s aktivovaným záměrným znepřesněním (selektivní dostupnost – SA) polohy 95% měření nemělo překročit odchylku 100 metrů v horizontální a 156 metrů ve výškové složce.
Přesnější metodou určení GPS polohy je použití fázové složky GPS signálu, který je rovněž k dispozici. Na základě výpočtu fázového rozdílu v okamžiku vyslání a příjmu družicového signálu a znalosti přesných parametrů dráhy družice lze spočítat polohu uživatele s přesností na centimetry, případně i milimetry. Tato metoda měření je náročná na přístrojové vybavení, obsluhu a především čas. Je nutné provádět měření na obou frekvencích s dvěma a více přístroji současně od sebe vzdálených maximálně několik desítek kilometrů. Zpočátku byla nutná pro zaměření bodu statická observace v délce mnoha desítek minut. Díky rozvoji metodiky (především kinematických metod) a přístrojové technologie lze dnes pracovat s minutovými observacemi, případně i v reálném čase (RTK –Real Time Kinematic). Fázové GPS měření je dnes hojně využíváno v geodézii, především v oblasti budování a ověřování geodetických základů, stavební a inženýrské geodézii.

POČÁTKY SYSTÉMU
GPS je původně vojenským systémem, vyvíjeným a budovaným od 70. let. Měl reflektovat požadavky na vytvoření konceptu plně digitálního vojáka, zahrnující technologie od satelitní komunikace, navigace, přístrojů pro noční vidění, až po laserové zaměřovače. Provozovatelem systému jsou ministerstva obrany a dopravy Spojených států. Systém byl budován postupně (vynášením jednotlivých generací satelitů) a v plné konstelaci běží od poloviny 90. let. Dnes je masivně používán armádami Spojených států a členských zemí NATO. Standardně je osazován do vojenských letadel, lodí, vozidel, raket s dlouhým doletem a v současné době je už dostatečný počet vojenských GPS přijímačů i pro pozemní vojsko.

GPS byl ověřen konfliktem v Perském zálivu v roce 1991. Jeho účinná pomoc a výkonnost překvapila i samotné tvůrce a  provozovatele systému. Proto bylo rozhodnuto Kongresem Spojených států, že systém bude, s určitými omezeními, bezplatně používán i pro civilní účely. Hlavním omezením bylo zavedení tzv. selektivní dostupnosti (SA) pro záměrné zhoršení přesnosti signálu. Při uvolnění technologie GPS pro civilní použití byl hledán kompromis, který by zajišťoval přijatelně nízké riziko zneužití systému a zároveň vyšel vstříc civilním uživatelům s co nejnižší mírou omezení systému. Z toho důvodu byl vytvořen koncept autorizovaných a neautorizovaných uživatelů. Autorizovaný uživatel má přístup k přesným navigačním informacím na obou frekvencích bez jakýchkoli omezení. Je nutné mít speciální GPS přijímač s kryptografickým klíčem.

NÁSTUP CIVILNÍHO SEKTORU A APLIKACÍ
Bezplatné uvolnění systému nastartovalo eskalaci vývoje nových technologií, metod měření a aplikací v civilním sektoru po celém světě. Lze říci, že vzniklo nové průmyslové odvětví. Významným faktorem pro tak rychlé osvojení a rozšíření technologie je rovněž skutečnost, že garantem celého systému je armáda. Systém je vybudován globálně, je neustále zdokonalován, pracuje v nepřetržitém provozu a je robustní. Mnoho jiných navigačních systémů, často provozovaných soukromými subjekty, buď již zaniklo nebo oslovuje pouze úzký okruh uživatelů, neboť zdaleka neposkytují tolik možností jako GPS a navíc jsou financovány z poplatků svých uživatelů.

Zapojení civilního sektoru se ukázalo jako velmi chytrý krok, neboť dnes ve světě existuje široká odborná komunita (vysoké školy, vědecké ústavy, technologická centra) a řada soukromých firem, které se stávají motorem dalšího růstu a vývoje systému. Některé nově vyvinuté technologie a metody jsou dokonce zpětně implementovány armádou, rovněž celosvětová odborná diskuse o směrování dalšího vývoje systému je pozitivním přínosem.

Hlavní brzdou dalšího rozvoje GPS bylo zhoršování přesnosti pro civilní uživatele formou chyby SA (selektivní dostupnost). Zcela záměrně je zdůrazněno slovo „bylo“, neboť tento stav již od května 2000 neplatí (viz další kapitola). Selektivní dostupnosti je dosaženo zhoršování přesnosti určení vzdálenosti přijímač-družice díky změně hodinového kmitočtu a parametrů dráhy družice, které jsou vysílány v navigační zprávě.

V původním plánu provozovatele figuroval termín roku 2006 pro další posouzení účinnosti a potřebnosti chyby. Tlak odborné veřejnosti na její zrušení velmi rostl, neboť změny politické a obranné orientace Spojených států a další technologie postupně posunoval chybu SA na pozici anachronismu. Např. dnes hojně používaná metoda diferenčního GPS měření (DGPS) vliv chyby SA téměř redukuje. Stačí mít dva speciálně upravené přijímače, které provádějí současně měření na stejně satelity. Jeden z přijímačů – báze, je umístěn po celou dobu na známém bodě. Rozdílem známých a okamžitých GPS souřadnic lze vypočítávat diference, které lze pak formou korekcí zavádět do měření druhé mobilní GPS jednotky v terénu. Nevýhodou je pouze regionální dosah, který je účinný zhruba do vzdálenosti 400 kilometrů a nutnost mít dva speciální GPS přijímače, ale to už dnes lze také obejít, neboť existují komerční poskytovatelé korekcí, kteří je šíří pomocí dlouhovlnných vysílačů nebo spojovacích satelitů pro území velikostí států či celých kontinentů. Pak stačí mít jednoduchý ruční přijímač GPS podporující komunikační standard pro přenos korekcí RTCM SC-104 a pouze platit poplatky poskytovateli korekcí. Okamžitá přesnost určení polohy s využitím diferenčního měření (DGPS) se pohybuje v řádu jednotek metrů.