Architektura systemu GPS

Segment kosmiczny

Na wysokości około 20 tysięcy kilometrów nad powierzchnią ziemi na orbicie okołoziemskiej, umieszczone są sztuczne satelity (Rysunek 1). Tak zwany segment kosmiczny składa się z 24 satelitów, krążących po 6 wytyczonych orbitach. Prędkości poruszania się jak i trajektorie orbit są tak opracowane aby w każdej chwili, w dowolnym miejscu na Ziemi widocznych było dla odbiornika GPS 8 do 12 satelitów. W każdej chwili czasu wiadomo, który satelita gdzie się znajduje, na jakiej wysokości, z jaką prędkością i w którym kierunku się porusza a także w jakim czasie sygnał od niego powinien dotrzeć do Ziemi. Bardzo ważna jest również precyzyjna w czasie emisja sygnału z satelity do Ziemi, która to opiera się na danych z zegarów atomowych (opisanych poniżej), w które zaopatrzone są satelity. Te wszystkie precyzyjne dane teoretyczne (wraz z informacją o stanie danej satelity) na temat całej konstelacji satelitów składają się na dane zwane almanachem. Almanach przechowywany jest przez każdą z satelitów i wysyłany jest do odbiornika GPS w chwili kiedy ten jest włączany. Almanachu informuje odbiornik GPS o stanie satelitów oraz którego z nich należy w danym czasie szukać. Ważność danych almanachu może wynosić kilka dni.

Segment kontrolny

Pomimo wielkiej precyzji systemu satelitów może wystąpić sytuacja awaryjna mogąca spowodować błędne funkcjonowanie systemu GPS np.: zboczenie danej satelity z kursu czy też inną prędkość transmisji sygnału. W celu kontroli czy nie wystąpiła wyżej opisana sytuacja każdy sygnał emitowany z każdego satelitę analizowany jest szczegółowo przez sieć naziemnych stacji zlokalizowanych w kilku miejscach na kuli ziemskiej. Sieć ta nazywana jest segmentem kontrolnym. Jego głównym celem jest sprawdzanie zgodności działania systemu z założeniami jak i korekcja trajektorii satelity (poprzez uruchamianie mini-silniczków rakietowych satelity). Dane dotyczące orbity danego satelity przechowywane są w postaci tzw. efemerydy. Efemerydy przesyłane są do odbiornika GPS zaraz po otrzymaniu przez niego sygnału zawierającego almanach z pojedynczego satelity i są niezbędne do wyliczenia pozycji odbiornika. Ważność danych efemerydy wynosi kilka godzin.

Segment użytkownika

W skład tak zwanego segmentu użytkownika wchodzi odbiornik GPS wraz z oprogramowaniem wspomagającym odbiór i obróbkę sygnału emitowanego przez satelity.

Podstawowy sygnał GPS satelity

Oprócz opisanych powyżej danych almanachu i efemerydy odbiornik GPS otrzymuje trzeci rodzaj danych emitowany przez daną satelitę służący do obliczenia odległości odbiornika GPS od danej satelity.

Idea funkcjonowania systemu GPS opiera się na odpowiedniej interpretacji informacji otrzymanych właśnie z tych satelitów.

Rysunek 1. Model rozmieszczenia satelitów operacyjnych systemu GPS (http://www2.jpl.nasa.gov/basics/bsf9-1.php).

Każdy satelita okrąża dwukrotnie kulę ziemską w ciągu doby z dużą prędkością. W tym czasie w sposób ciągły transmituje sygnał w kierunku powierzchni ziemi używając dwóch częstotliwości, wojskowej (1227,60 MHz) oraz cywilnej (1575,42 MHz). Prędkość transmisji sygnału z satelity wynosi około 50b/s. Wszystkie satelity (obecnie 31) do transmisji używają tych samych częstotliwości wykorzystując metodę CDMA (ang. „Code Division Multiple Access”), w której sygnał każdej z nich podlega modulacji umożliwiającej ich identyfikację.

Dane wysyłane przez satelity przekazywane są przy pomocy protokołu komunikacyjnego o nazwie NMEA 0183 (skrót od amerykańskiej organizacji rozwijającej protokół: „National Marine Electronics Association). Każdy odbiornik GPS otrzymuje dane w postaci łańcucha ASCII (do 82 znaków). Sentencję rozpoczyna identyfikator zdania – nazwa znacznika poprzedzona znakiem początku linii „$”. Kolejne pola w sentencji opisują między innymi informacje o pozycji odbiornika GPS i jej jakości, zawierają dane o ilości śledzonych satelitów wraz z ich położeniem jak i czas wyznaczenia pozycji w oparciu o informacje z zegarów atomowych, w które to zaopatrzone są satelity (w celu synchronizacji pracy całego systemu). Terminem zegar atomowy określa się niezwykle precyzyjne urządzenia do pomiaru czasu, które wg definicji mogą pomylić się o 1 sekundę raz na 30 tys. do 1 mln lat.  Poglądowy schemat wiadomości NMEA przedstawiony został na Rysunek 2.

Rysunek 2. Przykład wiadomości NMEA wysyłanej przez satelitę do odbiorników GPS (na podstawie informacji ze strony http://www.gpsinformation.org).