Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 2 – vyšlo 10. ledna, ročník 3 (2005) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

2/2005

Kosmický segment GPS a jeho budoucnost

Jiří Kvapil

V současnosti se v běžném životě stále častěji setkáváme s globálním polohovým systémem (GPS) – navigací pomocí družic umístěných na oběžné dráze Země. Navigační systémy automobilů, přístroje určené pro turisty, mořeplavce nebo amatérské letce, přístroje PDA s integrovaným GPS přijímačem, popřípadě samostatné GPS moduly, jsou jen několika málo příklady, jak dnes běžný uživatel může využít globální polohový systém. Většímu rozšíření používání GPS v ČR v poslední době velmi pomohlo zejména vytvoření digitálních map určených pro použití v mobilních přístrojích vybavených barevnými displeji. K dispozici je mj. automapa ČR v měřítku 1 : 100 000, pro vybrané oblasti turistická mapa 1 : 50 000 a plány větších měst v měřítku 1 : 10 000. Již dávno tedy neplatí, že GPS je technologie určená pouze pro armádu, geodety nebo piloty.

Ač se to možná nezdá, systém NAVSTAR GPSNAVSTAR GPS – Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System, oficiální název pro globální polohový systém. má za sebou již více než 30 let postupného vývoje. Největší změny prodělal jeho kosmický segment: v současné době jsou na oběžné dráze družice třetí generace, čtvrtá je naplánována k vypuštění v roce 2006 a pátá je již ve fázi projektování. Zatímco dosavadní změny byly spíše evoluční, se zavedením čtvrté a především páté generace družic se dočkáme změn, dá se říci, revolučních.

 

NAVSTAR GPS – Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System, oficiální název pro globální polohový systém. OCS – Operational Control System, kontrolní (pozemní) segment GPS. Je tvořen Hlavním řídícím střediskem, pěti monitorovacími a čtyřmi vysílacími stanicemi. FOC – Full Operational Capability, plná operační schopnost globálního polohového systému GPS. Byla vyhlášena 17. července 1995, po dosažení počtu 24 družic Bloku II a IIA na oběžné dráze a jejich důsledném testování. V obecném pojetí označení pro dostupnost dané technologie (frekvence, kódu) na 24 plně funkčních družicích GPS na oběžné dráze. IOC – Initial Operational Capability, částečná operační schopnost globálního polohového systému GPS. Označení pro stav, kdy je na oběžné dráze prvních 18 plně funkčních družic GPS podporujících nově zaváděnou technologii (např. frekvenci nebo vysílaný kód). Autorizovaný uživatel – má přístup k vojenským kódům GPS. Jde především o ozbrojené složky USA a jejich spojenců. V „bezpečných“ zemích je přístup k vojenským kódům povolen i pro civilní geodetické účely. A-S – AntiSpoofing, způsob ochrany vojenského P kódu GPS před případným podvržením nebo zneužitím nepřítelem. Bez použití režimu A-S není P kód nijak šifrován a není tak zaručena jeho stoprocentní autentičnost a integrita. Z tohoto důvodu je režim A-S je neustále zapnut a místo P kódu je vysílán šifrovaný Y kód. Klíčem k jeho rozluštění je W kód, podporovaný pouze v autorizovaných přístrojích, které z Y a W kódů vytvoří P kód použitelný pro navigaci. SA – Selective availability, selektivní (výběrová) dostupnost. Způsob cílené degradace určení přesnosti polohy pomocí GPS záměrnou modifikací civilních C/A kódů. Nařízením prezidenta Clintona bylo od 2. května 2000 používání selektivní dostupnosti zrušeno. PRN Code – Pseudorandom Noise Code, pseudonáhodný fázový šum (kód). Moduluje nosnou vlnu signálu GPS, pro každou družici je unikátní. Představiteli PRN kódu jsou například kódy C/A nebo P(Y). Almanach – jedna ze složek signálu GPS – součást navigační zprávy. Obsahuje méně přesná data o poloze družic GPS. Aktualizován je jednou za šest dnů. Všechny družice vysílají stejný almanach, který nese data o poloze všech družic GPS na oběžné dráze. Efemeridy – součást navigační zprávy pro GPS obsahující velmi přesná data o poloze dané družice. Jsou vytvářeny Hlavním řídícím střediskem GPS, které je průběžně vypočítává na základě sledování drah družic pozemními stanicemi. Přibližně jednou za hodinu je aktualizované vysílá jednotlivým družicím, které je zahrnují do svých navigačních zpráv. Platnost efemerid trvá nanejvýše čtyři hodiny.

Koncepce GPS

Globální polohový systém byl budován ministerstvem obrany USA již od roku 1973. V roce 1978 došlo k vypuštění první družice. Původně byla technologie GPS využívána jen jako přesný vojenský lokalizační a navigační prostředek (například pro sledování pozic vojenských jednotek, zaměřování cílů, atd.), v 80. letech však americká vláda rozhodla o jeho uvolnění i pro civilní účely. Od té doby došlo k mohutnému rozšíření technologie GPS do všech oblastí lidské činnosti. Od roku 1996 je globální polohový systém na základě rozhodnutí prezidenta USA kontrolován vládním výborem IGEB (Interagency GPS Executive Board), jehož úkolem je sledování vývoje globálního polohového systému a jeho směřování v souladu se zájmy národní bezpečnosti. Kromě toho provádí i dohled na zajištění dostupnosti GPS pro celosvětové mírové využití (vědecké i komerční) a podporuje mezinárodní spolupráci v této oblasti.

GPS tvoří tři segmenty: kosmcký, kontrolní a uživatelský.

Kosmický segment je tvořen družicemi umístěnými na oběžné dráze, kontrolní segment zahrnuje pozemní řídící, monitorovací a vysílací stanice a uživatelský segment je vytvářen širokým spektrem přijímačů GPS, určených pro nejrůznější aplikace.

Kosmický segment

Kosmický segment GPS představují družice umístěné na šesti kruhových drahách se sklonem (inklinací)  55° k rovině rovníku, vzdálené 20 190 km od povrchu Země a pohybující se rychlostí 11 300 km·h⁻¹. Za jeden hvězdný den uskuteční každá družice dva oběhy kolem Země (jeden oběh trvá 11 h 58 min), proto je další den na stejném místě oběžné dráhy vždy o 4 minuty dříve. Každá ze šesti drah (A – F) má pět pozic (1 – 5) pro umístění družic, z čehož plyne, že za současné konfigurace je maximální možný počet družic GPS na oběžné dráze roven počtu třiceti kusů. Pozice č. 5 je u každé dráhy záložní, pro dosažení FOCFOC – Full Operational Capability, plná operační schopnost globálního polohového systému GPS. Byla vyhlášena 17. července 1995, po dosažení počtu 24 družic Bloku II a IIA na oběžné dráze a jejich důsledném testování. V obecném pojetí označení pro dostupnost dané technologie (frekvence, kódu) na 24 plně funkčních družicích GPS na oběžné dráze. postačuje 24 funkčních družic.

Rozmístění a dráhy 24 družic tvořících FOCFOC – Full Operational Capability, plná operační schopnost globálního polohového systému GPS. Byla vyhlášena 17. července 1995, po dosažení počtu 24 družic Bloku II a IIA na oběžné dráze a jejich důsledném testování. V obecném pojetí označení pro dostupnost dané technologie (frekvence, kódu) na 24 plně funkčních družicích GPS na oběžné dráze..
Zdroj: Peter H. Dana

Od roku 1978 prošly družice GPS velkými změnami a rozsáhlou modernizací. V současnosti je v provozu již třetí generace a další dvě jsou ve vývoji. Nejstarším typem družic je tzv. Blok I. Družic tohoto typu bylo v letech 1978 až 1985 vyrobeno firmou Rockwell International 11 kusů, ale na oběžnou dráhu jich bylo z Vandenbergovy letecké základny v Kalifornii raketami řady Atlas E a F vyneseno jen deset. Dne 18. prosince 1981 byla jedna družice při neúspěšném startu zničena. Inklinace dráhy těchto družic byla 63°. Na palubě každé družice byla trojice atomových hodin – jedny s cesiovým a dvoje s rubidiovým standardem. Plánovaná životnost byla 4,5 roku, ale většina družic spolehlivě sloužila více než dvojnásobek této doby. Poslední družice Bloku I byla vyřazena z aktivní služby v listopadu 1995.

Družice Bloku I.

V letech 1989 a 1990 byly opět firmou Rockwell International vyrobeny družice Bloku II. Všech devět vyrobených družic vynesly na oběžnou dráhu rakety Delta II z letecké základny na mysu Canaveral na Floridě. Oproti družicím Bloku I mají zlepšené odstínění před kosmickým zářením, oběžnou dráhu se sklonem 55° k rovině rovníku a jsou také prvními družicemi GPS, které jsou vybaveny přístrojem na detekci jaderných explozí. Navíc dokáží fungovat 14 dní bez nutnosti korekcí z pozemního řídícího střediska. Na palubě nesou čtvery atomové hodiny. Dvoje s cesiovým a dvoje s rubidiovým standardem. Plánovaná životnost je 7,3 roku, ale v současnosti ještě dvě družice Bloku II spolehlivě fungují (nejstarší dodnes funkční družice byla vypuštěna v prosinci 1989).

Dalším typem jsou družice z řady Blok IIA, vyráběné v letech 1990 až 1997. S Blokem II mají společného výrobce, stejné vybavení i stejnou životnost, ale dokáží samostatně pracovat bez nutnosti zásahů z pozemního řídícího střediska po dobu 180 dní, třebaže za cenu snížené přesnosti určení polohy. Některé na palubě nesou nově i laserový odražeč, který umožňuje velmi přesné zaměření polohy družice pomocí laserového paprsku vyslaného ze Země. Z 19ti družic vyrobených a vynesených na oběžnou dráhu je jich dnes v provozu 16. Také družice Bloku IIA byly na oběžnou dráhu vyneseny raketou Delta II.

Družice Bloku IIA.

Nejmodernější typ družic GPS v současnosti umístěných na oběžné dráze představuje Blok IIR. Výroba začala v roce 1997 a poslední družice této typové řady byla vypuštěna 6. listopadu 2004. Firmou Lockheed Martin bylo vyrobeno třináct družic, ale na oběžné dráze jich pracuje jen dvanáct. První družice byla ztracena při neúspěšném startu 17. ledna 1997. Životnost družic Bloku IIR je plánována na 10 let. Největší změny oproti Bloku IIA jsou: opětovné zlepšení odstínění před kosmickým zářením, zvětšení zásob paliva pro raketové motory a přeprogramovatelný palubní počítač. Atomové hodiny jsou v družici troje, všechny s rubidiovým standardem. Nejdůležitější je ale schopnost samostatného fungování družice bez zásahu z pozemního řídícího střediska. Družice Bloku IIR spolu dokáží komunikovat, sledovat svoje pozice a korigovat své dráhy. Tato schopnost však zatím nemůže být využita, protože všechny družice by musely být typu Blok IIR. Zatím je možno u Bloku IIR využít jen schopnost 180ti denního samostatného provozu bez provádění korekcí z pozemního řídícího centra, podobně jako u družic Bloku IIA. Družice Bloku IIR byly na oběžnou dráhu vyneseny raketou Delta II z letecké základny na mysu Canaveral.

Družice Bloku IIR.

Podrobnější údaje o jednotlivých družicích jsou uvedeny v následující tabulce:

	Blok I	Blok II	Blok IIA	Blok IIR
Výrobce	Rockwell Int.	Rockwell Int.	Rockwell Int.	Lockheed Martin
Vypuštění na oběžnou dráhu	II/1978 – X/1985	II/1989 – X/1990	XI/1990 – XI/1997	XI/1997 – XI/2004
Vypuštěno ks	11	9	19	12
Hmotnost (při startu)	759 kg	1 816 kg	1 816 kg	2 032 kg
Plánovaná životnost	4,5 roku	7,3 roku	7,3 roku	10 let
V současnosti v provozu	0	2	16	12
Nosič na oběžnou dráhu	Atlas E, F	Delta II	Delta II	Delta II
Inklinace dráhy letu	63°	55°	55°	55°
Atomové hodiny na palubě	1×Cs, 2×Rb	2×Cs, 2×Rb	2×Cs, 2×Rb	3×Rb
Vysílací frekvence	L1, L2	L1, L2	L1, L2	L1, L2
Funkčnost bez kontaktu s OCSOCS – Operational Control System, kontrolní (pozemní) segment GPS. Je tvořen Hlavním řídícím střediskem, pěti monitorovacími a čtyřmi vysílacími stanicemi.	3 – 4 dny	14 dní	180 dní	> 180 dní

Signály vysílané družicemi

Srdce každé družice tvoří velmi přesné atomové hodiny. Na palubě jsou troje až čtvery, s cesiovým nebo rubidiovým standardem. Starají se o dlouhodobou frekvenční stabilitu vysílaného signálu, jehož relativní přesnost dosahuje 10⁻¹³ až 10⁻¹⁴ za 1 den. Takto je vytvářena základní frekvence L pásma f₀ = 10,23 MHz. Koherentně odvozeny jsou nosné frekvence signálů L1 a L2, které vznikají vynásobením základní frekvence hodnotami 154 a 120, což dává L1 = 1 575,42 MHz a L2 = 1 227,60 MHz. Nosná vlna je modulována fázovou modulací, tzn. že kdykoliv dojde ke změně vysílaného binárního kódu, posune se zároveň její fáze o jednu polovinu vlnové délky. Binární nula je reprezentována hodnotou −1, binární jedničce odpovídá hodnota +1.

Pro modulaci nosné vlny se používá několik pseudonáhodných, tzv. PRN kódůPRN Code – Pseudorandom Noise Code, pseudonáhodný fázový šum (kód). Moduluje nosnou vlnu signálu GPS, pro každou družici je unikátní. Představiteli PRN kódu jsou například kódy C/A nebo P(Y)., které jsou pro každou družici unikátní a zajišťují přijímači GPS jednoznačnou identifikaci družice vysílající daný kód.

PRNPRN Code – Pseudorandom Noise Code, pseudonáhodný fázový šum (kód). Moduluje nosnou vlnu signálu GPS, pro každou družici je unikátní. Představiteli PRN kódu jsou například kódy C/A nebo P(Y). sekvence kódu jsou generovány pomocí kombinace výstupů z desetibitových posuvných registrů. Každý registr obsahuje deset buněk, z nichž každá představuje jeden bit. S každým pulsem atomových hodin se bity posunou doprava a hodnota bitu umístěného nejvíce vpravo je odečtena jako výstup z registru. Nová hodnota buňky umístěné nejvíce vlevo je určena binárním součtem hodnot dvou vybraných řídících buněk – hodnoty 0 nabývá v případě, že údaje v obou buňkách jsou stejné, v ostatních případech má hodnotu 1. Použití různých kombinací řídících buněk je rozhodujícím faktorem pro vytváření jedinečného PRN kóduPRN Code – Pseudorandom Noise Code, pseudonáhodný fázový šum (kód). Moduluje nosnou vlnu signálu GPS, pro každou družici je unikátní. Představiteli PRN kódu jsou například kódy C/A nebo P(Y). každé družice.

Základní frekvence	f0 = 10,23 MHz
Nosná frekvence L1	154 f0 = 1 575,42 MHz
Nosná frekvence L2	120 f0 = 1 227,60 MHz
P kód	f0 = 10,23 MHz
C/A kód	f0 /10 = 1,023 MHz
W kód	f0 /20 = 511,5 kHz
Navigační zpráva	f0 /204600 = 50 Hz

Přehled frekvencí a kódů GPS

C/A kód vzniká kombinací výstupů ze dvou registrů tak, že výsledná hodnota je výsledkem jejich binárního součtu. Je modulován pouze na nosné vlně L1 a není nikterak šifrován, což umožňuje jeho příjem i neautorizovaným uživatelůmAutorizovaný uživatel – má přístup k vojenským kódům GPS. Jde především o ozbrojené složky USA a jejich spojenců. V „bezpečných“ zemích je přístup k vojenským kódům povolen i pro civilní geodetické účely.. Horizontální přesnost určení polohy pomocí C/A kódu se pohybuje v řádech jednotek metrů. C/A kód je 1023 bitů dlouhý a je vysílán frekvencí 1 023 MHz, tzn., že je opakován každou tisícinu sekundy.

P kód je modulován na obou nosných vlnách L1, L2 a je určen pouze pro autorizované uživateleAutorizovaný uživatel – má přístup k vojenským kódům GPS. Jde především o ozbrojené složky USA a jejich spojenců. V „bezpečných“ zemích je přístup k vojenským kódům povolen i pro civilní geodetické účely.. Dvě frekvence používané k měření umožňují odstranění ionosférických a troposférických refrakcí, což zajišťuje velmi přesné určení polohy – geodetické přístroje GPS pracují s přesností v řádech milimetrů. Stejně jako C/A není P kód šifrován. Je vytvářen kombinací bitových sekvencí dvou registrů. První sekvence je opakována každou 1,5 s a vzhledem k frekvenci 10,23 MHz, má délku 1,5345×10⁷ bitů, druhá sekvence je o 37 bitů delší. Jejich kombinací vzniká kód o délce 2,3547×10¹⁴ bitů, což určuje dobu opakování P kódu na přibližně 266,4 dne. Celá délka kódu je rozdělena na 37 částí. Každé družici je na jeden týden přidělena jedna z částí P kódu, čímž je docíleno rozdílných PRNPRN Code – Pseudorandom Noise Code, pseudonáhodný fázový šum (kód). Moduluje nosnou vlnu signálu GPS, pro každou družici je unikátní. Představiteli PRN kódu jsou například kódy C/A nebo P(Y). družic. Vždy o sobotní půlnoci, kdy pro GPS začíná nový týden, dochází zároveň i ke změně vysílané části kódu. V případě fungování režimu A-SA-S – AntiSpoofing, způsob ochrany vojenského P kódu GPS před případným podvržením nebo zneužitím nepřítelem. Bez použití režimu A-S není P kód nijak šifrován a není tak zaručena jeho stoprocentní autentičnost a integrita. Z tohoto důvodu je režim A-S je neustále zapnut a místo P kódu je vysílán šifrovaný Y kód. Klíčem k jeho rozluštění je W kód, podporovaný pouze v autorizovaných přístrojích, které z Y a W kódů vytvoří P kód použitelný pro navigaci. je P kód šifrován pomocí Y kódu (proto se také někdy označuje jako P(Y) kód), který vzniká jako součet P a W kódů. P kód tedy získáme pouze v případě, známe-li tajný W kód. S tím však pracují pouze vojenské přijímače.

Ruční vojenský přijímač GPS,
Rockwell Collins PLGR96.

Posledním typem kódu vysílaného družicemi je navigační zpráva. Obsahuje informace o telemetrii, dráze jednotlivých družic a nejrůznější korekční data. Je vysílána frekvencí 50 Hz, její délka je 1 500 bitů a skládá se z pěti částí (subframů), každé po 300 bitech. Jednotlivé subframy jsou tvořeny desítkou třicetibitových slov. První v každém subframu je telemetrické slovo TLM, nesoucí synchronizační vzor a diagnostické zprávy. Za ním následuje slovo HOW (hand-over word), které kromě identifikačních údajů subframu a nejrůznějších indikátorů nese i časovou hodnotu TOW (time of week) platnou pro začátak dalšího subframu. Hodnota TOW představuje počet časových úseků dlouhých 1,5 s uplynulých od začátku týdne GPS. Další slova jsou určena především pro navigační data, ale najdeme zde i nejrůznější vojenská data, kontrolní údaje, data o stavu družic, informace o stavu ionosféry a další údaje.

Struktura navigační zprávy.

První subframe navigační zprávy obsahuje údaje o týdnu GPS, stavu družice (jinak také SV – Space Vehicle) a další parametry jako například odhad zpoždění vysílaného signálu nebo kontrolní údaje atomových hodin. Druhá a třetí část jsou vyhrazeny pro vysílání efemerid. Zatímco první tři subframy navigační zprávy jsou pro každou družici unikátní, data ze čtvrtého a pátého subframu jsou u všech družic stejná. Čtvrtý subframe je rezervován především pro vojenské údaje, kromě nich však obsahuje data o stavu ionosféry a provizorně i almanachAlmanach – jedna ze složek signálu GPS – součást navigační zprávy. Obsahuje méně přesná data o poloze družic GPS. Aktualizován je jednou za šest dnů. Všechny družice vysílají stejný almanach, který nese data o poloze všech družic GPS na oběžné dráze. nejnovějších družic, které přesahují počet tvořící FOCFOC – Full Operational Capability, plná operační schopnost globálního polohového systému GPS. Byla vyhlášena 17. července 1995, po dosažení počtu 24 družic Bloku II a IIA na oběžné dráze a jejich důsledném testování. V obecném pojetí označení pro dostupnost dané technologie (frekvence, kódu) na 24 plně funkčních družicích GPS na oběžné dráze. . Tím byl vyřešen problém, jak zajistit vysílání almanachu pro 25. a následující družice, se kterými se při vzniku GPS počítalo jen jako se zálohami, a přesto jsou v současnosti plně funkční. Poslední subframe navigační zprávy tvoří almanachAlmanach – jedna ze složek signálu GPS – součást navigační zprávy. Obsahuje méně přesná data o poloze družic GPS. Aktualizován je jednou za šest dnů. Všechny družice vysílají stejný almanach, který nese data o poloze všech družic GPS na oběžné dráze. pro nejdéle sloužících 24 družic.

Jednotlivé kódy tvoří výsledný signál GPS podle následujícího schématu:

Struktura signálů GPS.
Zdroj: Kowoma.de.

Kontrolní segment

Kontrolní segment se sestává z pěti monitorovacích stanic, čtyř pozemních vysílačů a Hlavního řídícího střediska. Monitorovací stanice jsou umístěny rovnoměrně po obvodu Země, většinou blízko rovníku. Nacházejí se na Havajských ostrovech, na atolu Kwajalein na Marshallových ostrovech v západním Tichomoří, na ostrově Ascension ve středním Atlantiku, na ostrově Diego Garcia uprostřed Indického oceánu a v Colorado Springs v USA. Pozemní vysílače jsou umístěny na ostrovech Ascension, Diego Garcia, na atolu Kwajalein a na Havaji. Hlavní řídící středisko sídlí na Schrieverově letecké základně v Colorado Springs v Coloradu.

Kontrolní segment GPS.

Hlavním úkolem kontrolního segmentu je sledování drah družic a stavu jejich atomových hodin. Stará se o provádění korekcí v dráze letu i vysílaném signálu družic a zajišťuje synchronizaci atomových hodin. V době zapnuté selektivní dostupnosti bylo úkolem kontrolního segmentu zajistit pomocí modifikace družicového signálu požadovanou míru degradace přesnosti určení polohy. Dále je kontrolní segment zodpovědný i za nejrůznější provozní opatření, z nichž nejdůležitější jsou správa a údržba stávajících družic (například změny oběžných drah a pozic družic, stahování vysloužilých družic z oběžné dráhy, aj.) a podílí se i na přípravě vypouštění nových družic.

Budoucnost GPS

Hnacím motorem vývoje v podstatě jakékoli technologie, je požadavek na její vojenské využití. V případě GPS to platí dvojnásob. Nemalé výhody však získají i běžní uživatelé. Co nás tedy v nejbližším desetiletí čeká?

V první řadě dojde ke zvýšení vysílacího výkonu, čímž se dosáhne většího odstupu signálu od šumu a kvalitnějšího příjmu signálu i v oblastech s horším výhledem na oblohu a ztíží se i možnost záměrného rušení signálu. Bude zaveden nový vojenský M kód s mnohem silnějším šifrováním, který by měl zamezit možnému podvržení signálu nepřítelem. Zároveň dojde ke zdokonalení metod umožňujících odepření přístupu k signálům GPS na vybraném (například nepřátelském) území. Prvním krokem bude zavedení nového civilního C kódu, který bude modulován na frekvenci L2 společně se stávajícím P kódem. Díky tomu budou moci i civilní uživatelé zahrnout do svých měření opravy o troposférické a ionosférické refrakce a horizontální přesnost určení polohy se dostane na hodnoty kolem sedmi metrů (namísto dnešních průměrných patnácti). Dalším krokem modernizace bude zahájení vysílání M kódu na frekvencích L1 a L2, a zároveň vytvoření nové frekvence L5 = 1176,45 MHz (tj. 115 f₀), která bude určena především pro využití v oblasti bezpečnosti letecké přepravy, zejména při přibližování a přistávání letadel. Bude modulována kódem přizpůsobeným potřebám letecké navigace a bude kompatibilní s přístroji na palubě letadel.

Klíčovou úlohu při modernizaci GPS hrají nové typy družic, které umožní výše uvedené změny. Již v letošním roce (plánováno na 17. března) dojde vypuštěním modernizovaného typu družice Bloku IIR-M k zahájení vysílání C kódu na frekvenci L2 a koncem roku 2006 bude vypuštěna první družice nové generace Bloku IIF, čímž dojde k zavedení frekvence L5 a zahájení vysílání M kódu. Původně sice bylo zahájení vypouštění družic Bloku IIF plánováno již na rok 2001, ale postupem času neustále docházelo k oddalování termínu jejich nasazení.

kód/družice	IIR	IIR-M	IIF
L1 C/A
L1 P(Y)
L1 M
L2 C
L2 P(Y)
L2 M
L5

Dostupnost kódů na družicích GPS.

Modernizované družice Bloku IIR-M vycházejí z družic IIR, se kterými jsou v podstatě identické. Zvyšují výkon stávajících vysílaných signálů a rozšiřují jejich spektrum o vojenský M kód (na frekvencích L1 a L2) a civilní C kód na frekvenci L2. První modernizovaná družice bude vynesena na oběžnou dráhu v březnu letošního roku a následovat by ji mělo sedm dalších. Technická omezení nedovolují zavést vysílání na frekvenci L5 na modernizovaných družicích, s tím je nutné počkat až na novou generaci družic – Blok IIF.

Družice Bloku IIF představují čtvrtou generaci družic GPS, jsou vyvíjeny firmou Boeing a jejich plánovaná životnost je 15 let. Družice budou pokračovat ve vysílání všech signálů předchozí generace (vyšším výkonem) a navíc zahájí vysílání na nové civilní frekvenci L5. Celkem je naplánováno vypuštění šestnácti družic Bloku IIF.

družice Bloku IIF.

Kromě dvojice analogových atomových hodin s rubidiovým frekvenčním standardem budou mít jako první družice GPS na palubě i dvoje digitální atomové hodiny – oboje s cesiovým standardem. Jejich časová odchylka je maximálně 8 nanosekund za den. Procesorem řízené cesiové hodiny dokáží kompenzovat měnící se podmínky okolního prostředí, upravit své vnitřní parametry a zajistit tak co nejpřesnější chod. Samy si provádí i nejrůznější diagnostické testy. To je jedinečná výhoda oproti klasickým analogovým hodinám, které jsou vyladěny při výrobě a poté se vlivem stárnutí materiálu, teplotním výkyvům a změnám v magnetickém poli Země jejich frekvenční stabilita neustále snižuje.

Zachování vysílání stávajících signálů zaručuje zpětnou kompatibilitu se staršími přijímači GPS, a to je jistě dobrá zpráva pro všechny uživatele. Ti budou moci stávající přijímače používat nejméně do doby, kdy je naplánována další rozsáhlá modernizace GPS. V současnosti je tento termín odhadován na minimálně dvanáct až patnáct let.

Z následující tabulky je patrný časový plán dostupnosti nových kódů a frekvencí. Jedná se o předpoklad Federálního radionavigačního plánu z roku 2001, ale již nyní je zřejmé, že vzhledem ke zpoždění dojde k posunu těchto termínů minimálně o jeden rok.

	2008	2010	2012	2014
IOCIOC – Initial Operational Capability, částečná operační schopnost globálního polohového systému GPS. Označení pro stav, kdy je na oběžné dráze prvních 18 plně funkčních družic GPS podporujících nově zaváděnou technologii (např. frekvenci nebo vysílaný kód).	L2 C L1 M L2 M		L5
FOCFOC – Full Operational Capability, plná operační schopnost globálního polohového systému GPS. Byla vyhlášena 17. července 1995, po dosažení počtu 24 družic Bloku II a IIA na oběžné dráze a jejich důsledném testování. V obecném pojetí označení pro dostupnost dané technologie (frekvence, kódu) na 24 plně funkčních družicích GPS na oběžné dráze.		L2 C L1 M L2 M		L5

Zdroj: Federální radionavigační plán 2001.

Beze změn se samozřejmě neobejde ani kontrolní segment. Jako první bude zapotřebí obměna hardwaru, především úplný přechod na digitální technologii. Dalším úkolem je decentralizace kontrolního segmentu. Na Vandenbergově letecké základně bude vybudováno kompletně vybavené záložní řídící středisko. V neposlední řadě je nutné připravit vysílače a antény pro práci na nové frekvenci L5.

A co dál?

Přestože na oběžné dráze zatím není a ještě mnoho měsíců nebude ani jedna družice čtvrté generace, již se pracuje na projektování modernějších družic. Pátá generace bude pojmenována Blok III. Podle současných odhadů by FOCFOC – Full Operational Capability, plná operační schopnost globálního polohového systému GPS. Byla vyhlášena 17. července 1995, po dosažení počtu 24 družic Bloku II a IIA na oběžné dráze a jejich důsledném testování. V obecném pojetí označení pro dostupnost dané technologie (frekvence, kódu) na 24 plně funkčních družicích GPS na oběžné dráze. pro Blok III měla být dosažena někdy kolem roku 2020 a plně funkční by měla zůstat minimálně do roku 2030. Původní plány z konce 90. let počítaly se zprovozněním Bloku III již o několik let dříve, ale celý program modernizace postupně nabírá kvůli řešení koncepčních otázek čím dále tím větší zpoždění. Zvažováno je mnoho variant vývoje, včetně kompletní revize technologie GPS. Požadováno je mj. i další zesílení šifrování a nárůst vysílacího výkonu – existuje například požadavek na dosažení zisku +20 dB oproti dřívějšímu M kódu. Důraz je kladen i na delší životnost a větší spolehlivost družic a na flexibilitu celého systému.

Koncept družice Bloku III.

Cíl je tedy jasný – zajistit spolehlivý, moderní a zároveň co nejúspornější globální polohový systém, splňující všechny budoucí požadavky na jeho vojenské i civilní využití. Jednou z nejzajímavějších otázek do budoucnosti je vztah NAVSTAR GPSNAVSTAR GPS – Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System, oficiální název pro globální polohový systém. k ostatním družicovým navigačním systémům – nově vznikajícímu projektu Evropské unie Galileo a stávajícímu ruskému GLONASS. Plně spolupracovat, doplňovat se či soupeřit? Vše záleží na budoucím jednáním a vůli k mezinárodní spolupráci. Jasné odpovědi na otázku „Jakým směrem se bude GPS vyvíjet po roce 2030?“ se proto v nejbližší době rozhodně nedočkáme.

Odkazy