Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Hornicko-geologická fakulta GLOBÁLNÍ NAVIGAČNÍ A POLOHOVÉ SYSTÉMY. David VOJTEK

Vysoká škola báňská Techncká unverzta Ostrava Horncko-geologcká fakulta GLOBÁLNÍ NAVIGAČNÍ A POLOHOVÉ SYSTÉMY Davd VOJTEK Ostrava, 2014

Vysoká škola báňská Techncká unverzta Ostrava Horncko-geologcká fakulta GLOBÁLNÍ NAVIGAČNÍ A POLOHOVÉ SYSTÉMY Davd VOJTEK Ostrava, 2014

Obsah Obsah Seznam zkratek... VII Seznam obrázků... X Vysvětlvky... 1 1 Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace... 2 1.1 Úvod... 2 1.2 Lokalzace přímým měřením... 4 1.3 Lokalzace nepřímým měřením... 6 1.3.1 Metoda lokalzace pomoc úhloměrných měření... 7 1.3.2 Metoda lokalzace pomoc dálkoměrných měření... 7 1.3.3 Metoda kombnovaných měření úhlů a vzdáleností... 8 1.4 Hstore lokalzace a navgace... 9 1.4.1 Navgace podle orentačních bodů... 10 1.4.2 Navgace výpočtem... 12 1.4.3 Astronomcká navgace... 13 1.4.4 Radová navgace... 15 1.4.5 Družcová rádová navgace... 19 2 Prncpy určování polohy s použtím GNSS... 26 2.1 Úvod... 26 2.2 Vysílače v rádové navgac a lokalzac... 28 2.3 Metody dentfkace vysílače... 29 2.3.1 Frekvenční dělení... 29 2.3.2 Kódové dělení... 29 2.3.3 Časové dělení... 30 2.4 Složení sgnálu... 30 2.4.1 Sgnál složený z nosné vlny... 31 2.4.2 Sgnál složený z nosné vlny a pseudonáhodného kódu... 31 2.4.3 Sgnál složený z nosné vlny, pseudonáhodného kódu a navgačních dat... 32 2.5 Vybrané metody rádového určování polohy... 33 2.5.1 Metoda Dopplerovská... 33 2.5.2 Metoda trangulace kombnované měření úhlů a vzdáleností... 35 I

Obsah 2.5.3 Metoda multlaterace... 36 2.6 Metoda kódových měření pseudovzdáleností... 37 2.6.1 Ideální případ měření vzdálenost metodou TOA... 37 2.6.2 Reálná měření vzdálenost metodou TOA... 41 2.6.3 Určování polohy měřením pseudovzdálenost... 46 2.6.4 Přesnost pseudovzdáleností odvozených z kódových měření... 51 2.7 Metoda měření fázových pseudovzdáleností... 51 2.7.1 Přesnost pseudovzdáleností odvozených z fázových měření... 55 3 Komponenty obecné archtektury GNSS... 62 3.1 Úvod... 62 3.2 Segmenty... 64 3.2.1 Kosmcký segment... 64 3.2.2 Řídcí segment... 66 3.2.3 Užvatelský segment... 69 3.3 Prostorový referenční rámec... 70 3.3.1 Terestrcký referenční systém... 70 3.3.2 Geod... 72 3.4 Časový referenční rámec... 73 3.5 Sgnály... 75 3.5.1 Nosná vlna... 77 3.5.2 Pseudonáhodný (dálkoměrný) kód... 78 3.5.3 Navgační zpráva... 81 3.6 Služby... 83 4 GPS Navstar... 94 4.1 Hstore... 95 4.2 Kosmcký segment GPS... 99 Konstelace... 99 4.2.1 Družce... 104 4.3 Řídcí segment GPS... 105 4.3.1 Hlavní řídcí stance... 107 4.3.2 Stance pro komunkac... 108 4.3.3 Montorovací stance... 109 4.3.4 Modernzace řídcího segmentu... 111 II

Obsah 4.4 Prostorový referenční rámec GPS... 112 4.5 Časový referenční rámec GPS... 114 4.5.1 GPS čas... 114 4.5.2 Družcový čas... 117 4.6 Navgační sgnály a jejch modernzace GPS... 118 4.6.1 Původní sgnály... 119 4.6.2 Modernzované sgnály... 128 4.7 Služby GPS... 134 4.7.1 Standardní polohová služba SPS... 134 4.7.2 Přesná polohová služba... 141 5 GLONASS... 153 5.1 Hstore... 153 5.2 Kosmcký segment GLONASS... 158 5.3 Řídcí segment GLONASS... 161 5.3.1 Systémové řídcí středsko... 164 5.3.2 Rozšířené stance... 164 5.3.3 Centrální synchronzační jednotky... 165 5.3.4 Stance pro telemetr, sledování a povelové stance... 165 5.3.5 Stance pro komunkac... 165 5.3.6 Montorovací stance... 166 5.4 Prostorový referenční rámec GLONASS... 166 5.5 Časový referenční rámec GLONASS... 169 Systémový čas GLONASS... 169 5.5.1 Družcový čas... 170 5.6 Navgační sgnály a jejch modernzace GLONASS... 170 5.6.1 Původní sgnály... 172 5.6.2 Modernzované sgnály... 179 5.7 Služby GLONASS... 181 6 Galleo... 185 6.1 Hstore... 185 6.2 Kosmcký segment Galleo... 188 6.3 Pozemní segment Galleo... 189 6.3.1 Řídcí stance... 190 III

Obsah 6.3.2 Galleo Sensor Staton... 195 6.4 Prostorový referenční rámec Galleo... 196 6.5 Časový referenční rámec Galleo... 198 6.6 Navgační sgnály Galleo... 199 6.6.1 Sgnál E1... 200 6.6.2 Sgnál E5... 200 6.6.3 Sgnál E6... 201 6.6.4 Navgační zprávy... 202 6.7 Služby Galleo... 205 6.7.1 Open Servce... 205 6.7.2 Commercal Servce... 206 6.7.3 Publc Regulated Servce... 207 6.7.4 Integrty Montorng Servce... 208 6.7.5 Search and Rescue Servce... 209 7 COMPASS... 211 7.1 Hstore... 211 7.2 Kosmcký segment COMPASS... 213 7.3 Další nformace o systému COMPASS... 214 7.3.1 Řídcí segment COMPASS... 215 7.3.2 Prostorový referenční rámec a časový referenční rámec COMPASS... 215 7.3.3 Služby COMPASS... 216 8 Formáty a komunkační protokoly GNSS... 217 8.1 Úvod... 218 8.2 Protokoly pro přenos dat v reálném čase... 220 NMEA 0183... 220 8.2.1 Protokoly RTCM-SC104... 225 8.2.2 Transportní protokol Ntrp... 229 8.3 Formáty pro výměnu a archvac dat... 233 8.3.1 RINEX... 233 8.3.2 Přesné efemerdy... 240 8.3.3 Almanachy.... 241 9 Faktory ovlvňující přesnost určení polohy metodou GNSS... 249 9.1 Úvod... 250 IV

Obsah 9.2 Rozdělení faktorů chyby pseudovzdáleností podle zdroje... 251 9.3 Faktory na straně kosmckého a řídcího segmentu... 255 9.3.1 Platnost a přesnost modelu hodn družc... 255 9.3.2 Platnost a přesnost efemerd... 259 9.3.3 Řízení přístupu k sgnálům družc... 261 9.3.4 Stav družc... 267 9.3.5 User Range Accuracy... 270 9.4 Faktory př šíření sgnálů prostorem... 270 9.4.1 Ionosfércké zpoždění... 270 9.4.2 Troposfércké zpoždění... 276 9.4.3 User Range Error (GPS)... 279 9.5 Faktory na straně užvatelského segmentu... 279 9.5.1 Vícecestné šíření sgnálua zastínění... 279 9.5.2 Šum přjímače a jeho rozlšovací schopnost... 283 9.5.3 Chyba hodn přjímače... 283 9.5.4 User Equpment Error (GPS)... 284 9.6 User Equvalent Range Error (GPS)... 285 9.7 Geometrcký faktor působící na přesnost určení polohy, rychlost a času - DOP... 286 10 Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS... 298 10.1 Úvod... 298 10.2 Klasfkace metod podle způsobu určení polohy... 301 10.2.1 Absolutní určování polohy... 301 10.2.2 Relatvní určování polohy... 302 10.3 Klasfkace podle času aplkace korekcí... 302 10.3.1 Real-tme korekce... 303 10.3.2 Korekce post-processng... 304 10.4 Reprezentace chyb pseudovzdálenost v korekcích... 304 10.4.1 Reprezentace chyb v doméně měření pseudovzdálenost (Observaton Space Representaton)... 305 10.4.2 Reprezentace chyb ve stavové doméně (State Space Representaton)... 306 10.5 Povaha zdrojů chyb měření... 307 10.5.1 Chyba hodn družc... 307 10.5.2 Chyba efemerd... 308 10.5.3 Chyba troposféry... 310 V

Obsah 10.5.4 Chyba onosféry... 311 10.5.5 Šum přístroje a vícecestné šíření sgnálů... 313 10.6 Klasfkace metody DGNSS podle dosahu korekcí... 313 10.6.1 Korekce DGNSS lokálního dosahu (sngle base korekce)... 314 10.6.2 Korekce DGNSS regonálního dosahu... 315 10.6.3 Korekce DGNSS velkoplošného rozsahu... 316 10.7 Sítě RTK... 318 10.7.1 Proces sestavení korekcí RTK... 319 10.8 Dferenční metody pro relatvní určování polohy... 321 10.8.1 Jednoduché dference... 322 10.8.2 Dvojté dference... 323 10.9 Typy korekcí sestavovaných v RTK sítích... 325 10.9.1 MAC... 325 10.9.2 VRS... 326 10.9.3 FKP... 327 Metody zpřesnění autonomních měření... 328 10.9.4 Průměrování získaných poloh... 328 10.9.5 Precse Pont Postonng... 329 Klíč 338 Seznam lteratury... 339 VI

Seznam obrázků Seznam zkratek A-S ASCII AUIB BINEX BMSC BSNS CDMA CMR CNAS CSNO CORS CPF DGNSS DGPS EDGE EUREF FOC FKP GA GBAS GEO GJU GLONASS GNSS GPRS GPS GSM HAE HEO ICD Ant-Spoofng The Amercan Standard Code for Informaton Interchange Astronomcal Insttute at the Unversty of Bern BINary EXchange Backup Master Control Staton BeDou Satellte Navgaton System Code Dvson Multple Access The Compact Measurement Record Chna Natonal Space Admnstraton Chna Satellte Navgaton Offce Contnuously Operatng Reference Staton Central Processng Faclty Dfferental Global Navgaton Satellte System Dfferental Global Postonng System Enhanced Data rates for GSM Evoluton European Reference Frame Full Operatonal Capabltes Flaechen-Korrektur-Parameter Ground Antenna Ground Based Augmentaton System Geosynchronous Equatoral Orbt / Geostatonary Earth Orbt The Galleo Jont Undertakng Global Navgaton Satellte System Global Navgaton Satellte System General Packet Rado Servce Global Postonng System Groupe Spécal Moble Heght Above Ellpsod Hghly Ellptcal Orbt Interface Control Document VII

Seznam obrázků IGS Internatonal GNSS Servce IGSO Inclned Geostatonary Orbt IOC Intal Operatonal Capabltes IONEX The Ionosphere Map Exchange JHU/APL Johns Hopkns Appled Physcs Laboratory JPO Jon Program Offce JPL Jet Propulson Laboratory L-AII Legacy Accuracy Improvement Intatve LORAN Long Range Navgaton MAC Master Auxlary Concept MEO Medum Earth Orbt MS Montorng Staton MSC Master Control Staton NANU Notce Advsory to Navstar Users NRSCC The Natonal Remote Sensng Centre of Chna NAVSAT Navy Navgaton Satellte System NGA Natonal Geospatal-Intellgence Agency NMEA the Natonal Marne Electroncs Assocaton NTRIP Networked Transport of RTCM va Internet Protocol OS Open Servce PDOP Postonal Dluton of Precson PPP Precse Pont Postonng PRN Pseudorandom Nose PPS Precse Postonng Servce RINEX Recever Independent Exchange Format RTCM The Rado Techncal Commsson for Martme Servces RTK Real Tme Knematc SA Selectve Avalablty SAR Search and Rescue SBAS Satellte Based Augmentaton System SNR Sgnal Nose Raton SOL Safety-of-Lfe SP3 Standard Product 3 VIII

Seznam obrázků SPS Standard Postonng Servce SRF Spatal Referental Frame TOA Tme of Arrval TCP/IP Transmsson Control Protocol/Internet Protocol QZSS Quas-Zenth Satellte System TEC Total Electron Content TLE Two Lne Elements UMTS Unversal Moble Telecommuncaton System UNAVCO Unversty NAVSTAR Consortum URL Unform Resource Locator UTC Coordnated Unversal Tme VRS Vrtual Reference Staton WGS-84 World Geodetc system 1984 IX

Seznam obrázků Seznam obrázků Obrázek 1-1 Nepřímé určení polohy úhloměrnou metodou.... 7 Obrázek 1-2 Nepřímé určení polohy kombnovanou úhloměrnou a dálkoměrnou metodou 8 Obrázek 1-3 Nepřímé určení polohy dálkoměrnou metodou.... 8 Obrázek 1-4 Geometrcké znázornění metody multlaterace.... 17 Obrázek 1-5 Pokrytí navgačním sgnálem systému LORAN-C v Atlantcké a Pacfcké oblast. (DoD, 2006)... 18 Obrázek 2-1 Geometrcké určení polohy trlaterací v rovně.... 38 Obrázek 2-2 Geometrcké určení polohy trlaterac v prostoru.... 40 Obrázek 2-3 Vlv geometrckého uspořádání vysílačů na chybu určení polohy.... 46 Obrázek 2-4 Polohový vektor užvatele.... 47 Obrázek 2-5 Vztahy mez měřeným vzdálenostm a časováním dálkoměrného kódu.... 49 Obrázek 3-1 Schéma segmentů GNSS a jejch vybraných částí včetně toku komunkace mez segmenty a jejch vybraným částm.... 63 Obrázek 3-2 Vyjádření trojrozměrné polohy bodu v TRF prostřednctvím geocentrckých kartézských souřadnc a pomocí geodetckých zeměpsných souřadnc.... 71 Obrázek 3-3 Undulace elpsodu WGS-84 a geodu EGM-96. Falová barva znázorňuje absolutní hodnotu maxma poztvní hodnoty undulace. Červená barva znázorňuje absolutní hodnoty maxma negatvní undulace.... 73 Obrázek 3-4 Ilustrační schéma srovnání dlouhých a krátkých PRN kódu a rychlých a pomalých PRN kódů.... 79 Obrázek 4-1 Přehled hstore GPS 1973-1995... 95 Obrázek 4-2 Přehled hstore GPS 1995-2010... 97 Obrázek 4-3 Oběžná dráha družce GPS PRN-17 za 24 hodn - 24. února 2010... 102 Obrázek 4-4 Celá konstelace kosmckého segmentu GPS - 10. března 2014 v 12:00 UTC 103 Obrázek 4-5 Rozmístění stanc řídcího segmentu po roce 2008 (duben 2014).... 106 Obrázek 4-6 Systém řízení operací GPS. Převzato a překresleno z (DoD, 2008).... 107 Obrázek 4-7 Referenční elpsod WGS 84. Epocha realzace 1984.0 BHI... 113 Obrázek 4-8 Oznámení přestupné sekundy a hodnoty rozdílu UTC USNO a GPS času (2012-01-06). 116 Obrázek 4-9 Původní sgnály GPS (blok II, IIA, IIR).... 119 X

Seznam obrázků Obrázek 4-10 Struktura navgační zprávy GPS pro sgnály SPS a PPS.... 127 Obrázek 4-11 Modernzované sgnály GPS (blok IIR-M, IIF).... 129 Obrázek 5-1 Přehled hstore GLONASS 1970 2012... 155 Obrázek 5-2 Oběžná dráha družce COSMOS 2419 (714) za 24 hodn - 24. února 2010. 160 Obrázek 5-3 Celá konstelace kosmckého segmentu GLONASS - 10. března 2014 v 12:00 UTC. 161 Obrázek 5-4 Rozmístění stanc řídcího segmentu GLONASS (duben 2014).... 162 Obrázek 5-5 Referenční elpsod PZ-90. Epocha realzace 1990.0 BHI.... 167 Obrázek 5-6 Současné sgnály GLONASS (GLONASS-M)... 173 Obrázek 5-7 Struktura navgační zprávy GLONASS pro C/A-kód (sgnály OF). Převzato a upraveno z (RIOSDE, 2008).... 178 Obrázek 6-1 Rozmístění stanc pozemního segmentu Galleo (duben 2014).... 194 Obrázek 6-2 Sgnály Galleo... 199 Obrázek 8-1 Struktura GGA věty NMEA 0183. Zdroj (Dale, 2006).... 223 Obrázek 8-2 Hstore vývoje standardu RTCM SC-104.... 227 Obrázek 8-3 Pops obsahu vět RTCM SC-104 v2.3 a v3.0. Převzato a upraveno z (Kaplan, a další, 2005). 228 Obrázek 8-4 Zdrojová tabulka (SourceTable) NtrpCasteru http://ntrp.vsb.cz:2010 s popsem struktury řetězce zdroj VSBO-DGNSS.... 231 Obrázek 8-5 Programové komponenty Ntrp a jejch vzájemné vazby a vztah ke GNSS přístrojům. 232 Obrázek 8-6 Konvence tvorby názvů souborů RINEX v2.x. Zdroj (IGS, RINEX WGP, RTCM-SC104, 2013).... 236 Obrázek 8-7 Konvence tvorby názvů souborů RINEX v3.x. Zdroj (IGS, RINEX WGP, RTCM-SC104, 2013).... 239 Obrázek 9-1 Polohová chyba SPS bezprostředně před a po vypnutí selektvní dostupnost. Zdroj (DoD, 2001).... 266 Obrázek 9-2 Profl onosféry. Převzato a přeloženo z (Kaplan, a další, 2005).... 272 Obrázek 9-3 Vlv geometrckého uspořádání družc na snížení polohové přesnost měření DOP. 287 Obrázek 10-1 Zformování dvou jednoduchých dferencí.... 323 XI

Vysvětlvky Vysvětlvky Abstrakt kaptoly Důležté nformace a defnce k zapamatování. Poznámky, zajímavost a příklady. Průběžný text kaptoly, pro provázání obsahu kaptoly. Číslo otázky Typ otázky. Text otázky? 1

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace 1 Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace V této kaptole se seznámíte s rozdílem mez lokalzac a navgac a s vysvětlením obou pojmů. Důraz bude kladen na pops základních metod tzv. nepřímé lokalzace, která je základem všech dnes exstujících globálních družcových navgačních systémů. V kaptole budete seznámen s hstorí vývoje prostředků pro navgac a lokalzac, od metod navgace a lokalzace podle orentačních bodů, přes navgac výpočtem, astronomckou navgac, až po moderní metody rádové a družcové navgace. Odhadovaný čas 120 mnut 1.1 Úvod Už od počátku hstore člověka, byla jednou z klíčových schopností člověka jako druhu, schopnost zorentovat se v krajně, určt svou polohu a umět se dostat bezpečnou nebo známou cestou z jednoho místa do místa druhého. Krajna a prostředí, ve kterém se člověk pohyboval, se s vývojem ldstva měnlo a s tím se měnly také nároky na přesnost určování polohy a přesnost navgace. 2

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace Lokalzace a navgace Lokalzac je myšleno určování jednoznačné polohy v prostoru. Navgac je označováno umění dostat se z jednoho místa na druhé po vytýčené trase. Ačkolv se budeme prmárně zajímat především o družcovou radovou lokalzac (dále také popsovanou jako rádo lokalzac), a družcovou rádovou navgac (dále také jako rádo navgac), seznámíme se s vývojem a hstorí navgace a lokalzace. Ve vztahu metod navgace a lokalzace platí, že ne všechny metody vhodné pro lokalzac jsou automatcky vhodné pro účely navgace. Naopak metody navgace mohou, v přesnostech vyplývajících z dané metody, dobře sloužt pro lokalzac (Rapant, 2002). Zatímco pro lokalzac, je zpravdla hlavním krtérem dosažení požadované polohové přesnost lokalzace, v případě navgace exstují dvě krtéra. Těm jsou: polohová přesnost lokalzace v průběhu navgace a čas potřebný pro určení aktuální polohy. Nároky na polohovou přesnost navgace jsou dané typem navgační úlohy, která je právě řešená a prostředím ve kterém navgac uskutečňujeme. Rozdílná přesnost navgace je požadovaná př; navgac lod na otevřeném moř, př cestě lod průplavem, nebo př plavbě v přístavu. Čas potřebný pro zjštění polohy je dán rychlostí, kterou se pohybuje navgovaná osoba nebo pro prostředek. Extrémním příklady navgace je navgace dělostřeleckých granátů nebo raketových zbraní. Rozdíl mez lokalzac a navgac spočívá také v množství nformací, které v procesu lokalzace nebo navgace získáváme. 3

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace Př lokalzac se snažíme, s defnovanou přesností, určt 2D nebo 3D polohu. Př navgac je určení polohy jen jeden kus nformace, která je nezbytná pro úspěšnou navgac. Dalším významným nformacem jsou čas, rychlost pohybu a směr pohybu. Lokalzac můžeme provádět různě přesným metodam. Zde platí nepřímá úměra mez polohovou přesnost určení polohy a časovou náročnost zjštění polohy. Například velm přesná lokalzace geodetckým metodam, s polohovou přesností v řádech prvních mlmetrů nebo centmetrů, je na úkor času, potřebného pro změření potřebných velčn a výpočtu výsledné polohy. Z toho důvodu nejsou metody geodetcké lokalzace vhodné pro navgac, která je v čase dynamcká, a přtom nevyžaduje míru přesnost, jakou poskytují metody geodeze. 1.2 Lokalzace přímým měřením Metody přímého měření polohy zahrnuj odměření polohy v defnovaném prostorovém referenčním rámc (pro zjednodušení souřadncovém systému) na základě matematckých pravdel pro přdělení souřadnc bodům v daném souřadncovém systému. Například budeme-l provádět lokalzac přímým měřením polohy podél vodního toku, který defnuje lnový souřadncový systém s počátkem ústí vodního toku do vodního toku vyššího řádu, můžeme polohu bodu v blízkost vodního toku určt, jako vzdálenost změřenou prot proudu vodního toku. V závslost na požadované přesnost, můžeme používat různé prostředky, jak budeme vzdálenost odměřovat. Vzdálenost můžeme měřt délkou našeho kroku, nebo můžeme zvolt kalbrované měřdlo pro měření v terénu, nebo použt měřdlo 4

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace k odměření vzdálenost nad vhodným leteckým snímkem. Bod bude v tomto případě jednoznačně lokalzován přímým měřením. Budeme-l chtít odměřt polohu bodu v rovně, náš úkol se bude komplkovat s narůstající velkost zájmové oblast, kde bude poloha bodu odměřována. Máme-l například provádět lokalzac osoby v rozsahu jedné místnost, ve dvourozměrném kartézském souřadném systému, pak s pro účely lokalzace v místnost s obdélníkovým půdorysem zvolíme počátek kartézského souřadncového systému v jednom z rohu místnost. Delší ze stěn, procházející zvoleným počátkem, bude v místě průsečíku s podlahou tvořt osu X. Kratší stěna, která je kolmá na delší stěnu a prochází počátkem zvoleného souřadncového sytému, tvoří, v místě průsečíku s podlahou, osu Y. Polohu jakéhokol objektů v místnost můžeme snadno zjstt, přímým odměřením vzdálenost objektů od počátku zvoleného souř. systému podél os X a Y. Koncept popsaný v předchozím příkladu bude dobře fungovat v malé zájmové oblast, kde bude zajštěna dobrá vdtelnost a přístupnost os a počátku realzovaného souřadncového systému. Př zvětšení rozsahu zájmové oblast, nebude už přímá metoda odměření souřadnc, měřených bodů použtelná. To především s ohledem na člentost prostředí a zakřvení zemského povrchu. 5

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace 1.3 Lokalzace nepřímým měřením Rozdělení Určení polohy nepřímým měření v defnovaném souřadncovém systému, například kartézském, je založené na měření jných velčn, než vzdáleností podél os souřadncového sytému. Nejčastěj se užívají následující tř metody měření polohy: metoda úhloměrných měření, metoda dálkoměrných měření a kombnovaná metoda úhloměrných a dálkoměrných měření. Každá metoda lokalzace nepřímým měřením vyžaduje orentační body, jejchž polohu v daném souřadncovém systému už známe. Pro lokalzac můžeme použít jako orentační body významné prvky krajny, pro hrubou lokalzac, nebo uměle vytvořené orentační body, například turstcké označníky tras, stablzované body geodetckých sítí, nebo třeba navgační družce pro přesnější lokalzac a navgac. Dále popsané metody jsou popsem koncepce lokalzace nepřímým měřením. V prax jsou realzovány různým prostředky. Všechny moderní metody lokalzace a navgac využívají nepřímá měření pro určení polohy. 6

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace 1.3.1 Metoda lokalzace pomoc úhloměrných měření Úhloměrná metoda vyžaduje pro jednoznačnou lokalzac ve 2D prostu znalost polohy třech orentačních bodů, mez kterým se měří vzájemné úhly. Pro upřesnění používají se dva orentační body a jeden nulový směr měření, který udává třetí bod. ω 2 0 ω 1 Př běžné lokalzac nad turstckou mapou a př navgac se, jako nulový směr, používá směr ke skutečnému severnímu pólu. Od zvoleného směru jsou, pak zaměřovány úhly ke dvěma dalším orentačním bodům. V nžší geodez se tato metoda nazývá protínáním z úhlů vpřed. Tímto způsobem je možné jednoznačně, geometrckou cestou nebo výpočtem, stanovt polohu bodu, na kterém je měření prováděno. Pro 3D lokalzac je nutné od směrníku měřt nejen horzontální, ale vertkální úhly. Obrázek 1-1 Nepřímé určení polohy úhloměrnou metodou. 1.3.2 Metoda lokalzace pomoc dálkoměrných měření Dálkoměrná metoda vyžaduje pro jednoznačnou lokalzac ve 2D 3D prostoru na zemském povrchu, tř orentační body, od kterých jsou odměřovány vzdálenost. 7

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace Vzdálenost mohou být stanovené přepočtem měření jných velčn. Například čas cestování akustckého sgnálů, optckého sgnálů, rádového sgnálů. V nžší geodez se tato metoda nazývá protínáním z délek vpřed. 1.3.3 Metoda kombnovaných měření úhlů a vzdáleností Kombnovaná metoda vyžaduje pro jednoznačnou lokalzac v 3D prostoru jeden orentační bod, který určuje nulový směr a dalšího orentační bod pro změření úhlů (horzontálního vertkálního) a pro měření vzdálenost. Polohu měřeného bodu je možné, stejně jako v předchozích dvou případech, sestrojt buď geometrckou cestou, nebo stanovt výpočtem. X 2,Y 2 X 3,Y 3 X 1,Y 1 D 2 D 3 D1 0 D1 X 1,Y 1 ω1 Obrázek 1-3 Nepřímé určení polohy dálkoměrnou metodou. Obrázek 1-2 Nepřímé určení polohy kombnovanou úhloměrnou a dálkoměrnou metodou 8

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace 1.4 Hstore lokalzace a navgace V průběhu hstore byla vytvořená celá řada metod navgace a lokalzace. Vývoj jednotlvých metod byl dán několka faktory. Prvním z nch je prostředí, ve kterém byla navgační a lokalzační řešena. Dalším faktorem, který se stal motorem vývoje radonavgačních prostředků, v druhé polovně 20 století, je rychlost navgace a pohybu prostředku, který je navgován. V neposlední řadě mají pro navgac význam omezení, respektve volnost pohybu a rozměrnost prostoru, ve kterém je pohyb uskutečňován (Rapant, 2002). V prvopočátcích bylo prostředím navgace omezeno na pevnnskou část známého světa. Zemský povrch poskytoval dostatečný počet orentačních bodů, které umožňovaly základní dvourozměrnou navgac podle orentačních bodů. V případě nedostatků vhodných orentačních bodů, byly vybudovány umělé orentační body. Navgace byla omezená na známé trasy a cesty v dohledu orentačních bodů. S přesunem člověka na moře, nejprve vntrozemská a pobřežní částí, se navgace podle orentačních bodů stávala problematckou. S příchodem prvních kompasů se začala, od raného 13. Století, rozšřovat nová metoda navgace tzv. navgace výpočtem (angl. Dead Reconng). Navgace výpočtem byla používána, až do závěru století 19. Postupem času byla navgace výpočtem zpřesňována, s objevy přesnějších prostředků pro měření rychlost, časů a směru (kurzu) (Peck, 2003). S příchodem systematckých astronomckých pozorování a konstrukc přesného chronometru a sextantu se začala před začátkem 19. století rozšřovat nová metoda navgace tzv. astronomcká navgace. Astronomcká navgace byla známá jž dlouhou dobu, ale nebyla používaná jako prmární navgační metoda, pro svoj náročnost a nejednoznačnost v určení polohy, která přetrvávala až do doby vynalezení přesného chronometru. Po objevení přesného chronometru a sextantu, umožnla astronomcká navgace praktcky neomezenou navgac na celém zemském povrchu. Určení polohy bylo zcela nezávslé na 9

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace záznamech absolvované trasy. Jako orentační body se využívaly nebeská tělesa (slunce, hvězdy a měsíc). S objevením rádových vln se zanedlouho objevují první radonavgační systémy pro námořní dopravu a jsou položeny základy pozemní radové navgace. Rozvoj letectví, v době mez dvěma světovým válkam a v průběhu druhé světové války, znamená přechod do nového prostředí, do vzduchu. Tento přechod vede, k rozvoj radový navgačních a detekčních systémů, které mají lokální pokrytí. Navgace přechází do trojrozměrného prostoru. Se vstupem ldstva do vesmíru jsou položeny základy družcové radové navgace. Ta poprvé v hstor přnáší plně trojrozměrnou navgac a lokalzac, pro rychlé pohybující se prostředky s celosvětovým pokrytím. S pronkáním ldstva do podmořského prostředí a rozvoje raketových technologí, se začíná rozvíjet nercální navgace. Která umožňuje navgací ve specfckém podvodním prostředí, kde není možné spolehlvě používat samostatně jné metody navgace. Inercální navgace se používala v éře před družcovou navgací také pro velm rychlé pohybující se prostředky. 1.4.1 Navgace podle orentačních bodů Koncept Navgace podle orentačních bodů je nejstarším způsobem navgace. Př navgac podle orentačních bodů je směr navgovaného objektu určován směry k navgačním bodům v pořadí, ve kterém se na trase jednotlvé navgační body vyskytují. Navgátor s vytýčí trasu a vyrazí směrem k prvnímu orentačnímu bodu, poté co navgátor dorazí, k zvolenému orentačnímu bodu, vyhledá další orentační bod na trase. Postup se opakuje až do doby, než je navgace ukončená v cíl plánované trasy. Trasa může být naplánovaná dopředu (vybrané orentační body), nebo může být trasa vytýčená operatvním výběr orentačních bodů během navgace. 10

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace Př vedení trasou není vždy nezbytné projít orentačním bodem. Směr vedení k orentačnímu bodu se může dodržovat jen do chvíle, než je dosažená stanovená určtá vzdálenost od orentačního bodu (orentační bod může být nedostupný, například za přírodní překážkou). Následně je vybrán další orentační bod trasy, ke kterému je následně upraven směr pohybu. Pokud je k dspozc vhodná mapa kompas, je možné provádět navgac k orentačním bodům, které mohou být mmo optckou vdtelnost, s použtím odměření azmutu plánovaného směru pohybu, k dalšímu orentačnímu bodu. Azmut je úhel, který svírá hledaný směr se směrem k severnímu pólu, měřeno po směru hodnových ručček. Od aktuální polohy stanovené v mapě, odměříme v mapě azmut, k dalšímu orentačnímu bodu plánované trasy. Pokud budeme v dalším postupu sledovat stanovený azmut, dojdeme na dohled k dalšímu orentačnímu bodu. Po dosažení orentačního bodu, se vydáme pod novým azmutem k následujícímu orentačnímu bodu. Aktuální polohu je možné stanovt také prostřednctvím dvou azmutů, odměřených ke dvěma známým orentačním bodům v krajně (Rapant, 2002). Tento postup vyžaduje dobrou znalost prostředí nebo kvaltní mapu s označením významných orentačních prvků krajny. Volba druhu a počtu orentačních bodů závsí na charakteru krajny. Za orentační body mohou sloužt, jak přírodní prvky krajny (vrcholy hor, vodní toky a jejch soutoky, vodní plochy, osamělé stromy v krajně, skály, apod.), tak umělé vytvořené orentační body (různé stavby, majáky, bóje). 11

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace Vzuální navgace podle orentačních bodů je snazší v otevřené krajně s orentačním body. Extrémně náročná je v krajně se souvslým porostem a v kopcovté krajně. V oblastech na zemském povrchu, bez orentačních bodů, jako je poušť nebo hladna oceánu, je navgace podle orentačních bodů, bez použtí pomůcek pro stanovení směru (kompasu) nerealzovatelná 1.4.2 Navgace výpočtem Navgace výpočtem (angl. Dead Reconng) byla základní metodou navgace na moř až do konce 18. století. Koncepce Navgace je založena na pečlvém vedení záznamů plavby od vyplutí z přístavu tak, aby bylo výpočtem možné sestrojt přesný průběh jž absolvované trasy. Př navgac je nutné vést záznamy o směru plavby (kurzu nebo směru ovlvněném magnetckou deklnací), o rychlost plavby, o délce plavby ve zvoleném směru a síle a rychlost mořských proudů. Nahlíženo dnešní optkou, je pro navgac výpočtem důležtá celá řada přesných nstrumentů a znalostí. K důležtým pomůckám patří: přesné námořní mapy s vyznačením hloubek a mořských proudů, kompas nezatížený vlvem magnetckého severu, přesná zařízení pro měření rychlost a přesné chronometry. 12

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace V hstor však byla navgace výpočtem zcela v rukou navgátorů a závsela více na jejch zkušenost a umění, než na přesnost použtých prostředků, které jsou podle našch moderních měřítek, považovány za nepoužtelné. Ačkolv se často uvádí, jak nepřesná z počátku navgace výpočtem byla, exstují důkazy o mstrovství navgátoru, kteří byl schopn, v raném 13. století, realzovat dlouhé plavby na otevřeném oceánu. Př plavbách se používaly magnetcké kompasy zatížených magnetckou deklnací a s dělených do pouhých 32 směrů. Rychlost lod navgátoř a lodvodové stanovoval spíše expertním odhadem, než pomocí důmyslných zařízení a matematcky složtých postupů. Lodvodové byl schopn odhadovat rychlost lod na základě dlouholeté praxe. Ještě v 15 století, ačkolv jž byly známé prncpy astronomcké navgace, preferoval kaptán plavbu na otevřeném moř po směru rovnoběžek, aby nemusel v neznámém prostředí řešt výpočet zeměpsné šířky (Peck, 2003). Navgační nstrumenty a prostředky pro metodu navgace výpočtem se začaly zdokonalovat až v průběhu 17. a 18. století. Na konc tohoto období přchází éra nové navgační metody založené na astronomckých pozorováních. 1.4.3 Astronomcká navgace Prncpy astronomcké navgace jsou známy už velm dlouho, přesto se v námořní navgac prosadly až s příchodem přesných chronometrů v poslední čtvrtně 18. století. Koncepce určení zeměpsné šířky Pokud je známá v daném čase deklnace nebeského tělesa a pozorovatel umí změřt, jak vysoko se těleso nachází nad horzontem, v čase měření, může vypočítat na základě dat almanachu, svou přesnou zeměpsnou šířku. 13

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace Základní prncp astronomcké navgace stojí na kombnac astronomckých observací nebeských těles (hvězd, slunce, měsíce) a přesném měření času (Ifland, 2000). Astronomové v průběhu hstore zjstl, že se poloha nebeských těles, se změnou času a polohy pozorovatele na zem, mění. Změna polohy nebeských těles není náhodná a na základě dlouhodobých pozorování a výpočtů byly v průběhu 17. století byly sestaveny tzv. námořní almanachy (angl. Nautcal Almanacs). Almanachy umožňují stanovt polohu jednotlvých nebeských těles na obloze. Pro vybraná tělesa na obloze je možné, z almanachu odvodt jeho deklnac (hvězdnou zeměpsnou šířku) pro pozorovatele, který se nachází na určtém místě zemského povrchu a provádí observac tělesa v určtém čase. Pro měření zentového úhlu nebeských těles se používaly různé nástroje. Postupně byla požívaná celá řada pomůcek, ale až sextant se stal první skutečně unversální a spolehlvou pomůckou pro měření elevačního (zentového) úhlu nebeských těles. Sextant poprvé zkonstruoval John Brd v roce 1759 (Ifland, 2000). Koncepce určení zeměpsné délky S vynálezem přesného chronometru v roce 1764, který sestrojl John Harrson, bylo možné rozšířt určování polohy o zeměpsnou délku. To se provádělo na základě rozdílů času poledne na referenčním poledníku a lokálním poledníku, kde se mořeplavec právě nacházel. Mořeplavec s na začátku své plavby seřídl svůj chronometr podle času své národní námořní observatoře. Následně mohl mořeplavec během své plavby stanovt změnu zeměpsné délky, vůč místu národní observatoř, jako rozdíl lokálního času (lokálního poledne) a času národního poledníku. Lokální poledne je čas, kdy je slunce pro pozorovatele na lokálním poledníku nejvýše nad horzontem. 14

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace Za každé 4 mnuty v rozdílu času poledne na aktuálním (neznámem) lokálním poledníku a poledne na poledníku národní námořní observatoře, s mohl přpočíst jeden 1 rozdílu v zeměpsné délky. S postupem času, jak se zlepšovala přesnost určování času a přesnost měření elevačního úhlu nebeských těles, se zvýšla přesnost astronomcké navgace až na polohovou přesnost 30 metrů. K rozvoj astronomcké navgace přspěla také produkce jednotných námořních map a ustanovení referenčního nultého poledníku v Greenwch, ke kterému došlo v roce 1884. 1.4.4 Radová navgace Koncepce Rádová navgace je založena na detekc radových vln. Typcky se měří: absolutní doba šíření rádové vlny vyslané ze zdroje k detektoru, nebo se měří rozdíl doby cestování alespoň třech různých rádových vln, které pochází z alespoň třech zdrojů spárovaných do dvou dvojc. Také se využívá měření směru příchodů rádových vln ze známých vysílačů, případně měření založené na Dopplerově jevu. V případě, že je vysílač rádových totožný s přjímačem, pak se jedná o aktvní systém, který pracuje s vlastním zdrojem rádových vln. Prvním krokem k rádové navgac byl objev rádových vln v roce 1887, se kterým expermentoval Henrch Hertz. V roce 1904 německé námořní lodě začínají používat rádové 15

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace vlny, jako doplňkový systém k tehdejším navgačním systémům. Systém byl založený na detekc odražených rádových vln a sloužl pro detekc kolzních kurzů plavdel. Dosah systému byl 3 km (Veřtát, 2009). V roce 1930 byl vybudován první radolokační systém v Německu s názvem Lorenz. Systém sloužl pro navádění letadel na přstání letadel v noc nebo za špatného počasí. Systém byl pozděj rozšířen tak, aby měl daleký dosah a mohl pomáhat navádět dálkové bombardéry. Během druhé světové války se rozvíjely radarové (angl. rado detecton and rangng) systémy. Německý radar Freya (1937) brtský Chan Home a Gee (1940) sloužly pro určování polohy, směru a rychlost nepřátelských letadel (Chan Home) nebo pro navgac (Gee), především dálkových bombardérů. Radarová technologe se rozšířla jako prostředek detekce letadel, ale pro detekc lodí a ponorek. LORAN (LORAN-C) Systém se skládal z tzv. řetězců (angl. chan) pozemních vysílacích stanc. Každý řetězec sestával z mnmálně z třech stanc. Jedna stance byla označovaná jako prmární stance (Master) a další stance jako sekundární (Auxlary). Prmární stance byla nezávslé spárovaná s mnmálně dvěma sekundárním stancem. Měření, provedené nezávsle ke každému párů stanc prmární sekundární v trojc, vedlo ke konstrukc dvou tzv. TD křvek (z angl. Tme Dfference), které měly tvar paraboly. V průsečíku obou křvek se nacházel přjímač LORAN. Během druhé světové války v letech 1940 až 1943 začaly USA budovat svůj pozemní radonavgační systém s názvem LORAN (z angl. Long Range Navgaton). Předlohou pro systém LORAN byl Brtský systém Gee, který vznkl na počátku druhé světové války. Na budování systému se podílela MIT Radaton Laboratory, US Navy a Royal Navy (Wkpeda, 2013). 16

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace Vztahy pro geometrckou konstrukc hyperboly D 1 D A = Základna A D 1 D B = Základna B D A Sekundární stance A X A,Y A D 1 D B Prmární stance X 1,Y 1 Sekundární stance B X B,Y B Obrázek 1-4 Geometrcké znázornění metody multlaterace. Prncp měření, který se používal v systému LORAN se nazývá multlaterace (dálkoměrná metoda rádového nepřímého měření polohy). LORAN dovoloval užvatel určovat svou polohu a rychlost v dosahu až 1200 ml (1930 km) od stanc řetězce (Wkpeda, 2013). Multlaterace je určení polohy přjímače na základě měření rozdílů časového zpoždění příjmu sgnálů z mnmálně třech synchronzovaných vysílačů o známé poloze. Prncp je také nazýván časoměrně hyperbolckou metodou, která je označována 17

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace zkratkou TDOA (angl. Tme Dfference of Arrval) (Veřtát, 2009). Je-l známa neměnná vzdálenost mez dvěma vysílač, je možné použít naměřený rozdíl zpoždění v příjmu sgnálů stanc v páru ke konstrukc hyperboly. Ta spojuje všechna místa, ve kterých je teoretcky možné naměřt, mez párem vysílačů, získanou hodnotu rozdílu zpoždění rádových sgnálů. S koncem druhé světové války byl systém předán do užívání také cvlním leteckým a námořním užvatelům. Obrázek 1-5 Pokrytí navgačním sgnálem systému LORAN-C v Atlantcké a Pacfcké oblast. (DoD, 2006) Systém LORAN postupně prošel vývojem a modernzac a byl využíván USA, Kanadou, Japonskem a mnoha státy Evropy. Systém úzce spolupracoval s Ruským protějškem pojmenovaným Čajka (Chayka). Varanta systému LORAN s názvem LORAN-C byla dlouhou dobu považována, v komuntě užvatelů GPS, za vhodný doplňkovým systém k systému GPS, který byl vybudován o více než čtyřcet let pozděj. Provoz systému LORAN-C byl ukončen 8. 2. 2010 ve 20:00 UTC. LORAN-C umožňoval určení polohy s chybou 185-463 m. Přesnost časové synchronzace byla 500 ns. 18

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace Systém LORAN-C byl nepříznvě ovlvňován povětrnostním vlvy. Také onosféra ovlvňovala kvaltu navgace během úsvtu a soumraku. Vlvem odrazů sgnálů od onosféry docházelo k vícecestnému šíření sgnálů. Systém pokrýval polohovým a časovým službam pacfckou a atlantckou oblast. Čajka Sovětský svaz vybudoval svůj vlastní pozemní radonavgační systém s názvem Chayka. Chayka fungoval na stejných prncpech jak LORAN (LORAN-C) a byl s ním téměř dentcký. Systém sestával z pět řetězců, které pokrýval polohovým a časovým službam západní východní Evropu, oblast mez Sovětským svazem a USA a severní severozápadní část Sovětského svazu. Systém byl rovněž určen jako navgační systém pro námořní a leteckou dopravu. 1.4.5 Družcová rádová navgace Družcová rádová navgace je podobná pozemní rádové navgac popsané v předcházející podkaptole. Významným posunem u družcové navgace je přesun radového vysílače, coby orentačního bodu, do kosmckého prostoru. To umožní pokrytí celého povrchu Země rádovým sgnály z poměrně malého počtu vysílačů. Éra družcové rádové navgace začala startem první umělé družce Země Sputník 1 (SSSR 1957). První expermenty s radovým sgnály družc Sputník byly provedeny v laboratořích aplkované fyzky John Hopknsnovy unverzty v USA (Guer, a další, 1998). 19

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace Výzkumu byly zaměřený na dva expermenty, které měly prokázat: zda je možné dopplerovským měřením sgnálů družc Sputnk, které bylo provedeno z několka pozemních stanc, určt přesnou polohu družce, lze určt polohu pozemní stance na základě několka dopplerovských pozorování družc, když jsou známy parametry jejch oběžných drah a sgnály. TRANSIT Systém TRANSIT, někdy označován NAVSAT (z angl. Navy Navgaton Satellte System) byl budován v roce 1964 pro účely U.S. Navy pro letadlové lodě a nově budovanou flotlu atomových ponorek. TRANSIT byl první družcovým navgačním systémem (Danchk, 1998). Byl založen na Dopplerovských měřeních. Systém sestával z šest navgačních družc, které vysílaly navgační sgnály na dvou frekvencích. Sgnály vysílané ve dvou mnutových ntervalech obsahovaly: efemerdy družc a vojenská data. Efemerdy jsou data o poloze přrozených nebo uměle vytvořených astronomckých tělesech. V moderní době jsou efemerdy umělých družc Země chápány, jako parametry oběžných drah, které umožňují modelovat polohu družce praktcky v jakémkolv požadovaném čase. Jedná se o matematcký model pohybu družce. Pro určování polohy systém TRANSIT používal dopplerovská měření. Družce TRANSIT byla vdtelná každých 35-120 mnut. Ponorka potřebovala sledovat družc po dobu alespoň dvou mnut k tomu, aby mohla určt svou polohu. Přesnost určení polohy se z počátečních 20

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace 800 metrů zlepšla až na 5 metrů. Pokud byly používány metody zpřesňování měření, bylo možné dosáhnout polohové přesnost až 1 metr (Rapant, 2002). Nedostatky systému TRANSIT Nedostatečná konstelace kosmckého segmentu. Použtí metody dopplerovských měření pro určení polohy přjímače. Z důvodu nízkého počtu družc nebyl jejch sgnál dostupný neustále během celého dne. Mez příjmem navgačních sgnálů byly časové prodlevy 35 120 mnut v závslost na aktuální poloze plavdla. Poloha byla určována ve 2D. Př výpočtu polohy bylo nutné provádět korekce na vlastní pohyb plavdla, protože vlastní pohyb plavdla způsoboval také zdánlvou změnu frekvence sgnálů. Z výše uvedených důvodů nebyl systém TRANSIT vhodný pro letectvo. V roce 1967 byl TRANSIT zpřístupněn pro potřeby cvlní námořní dopravy. Provoz systému TRANSIT byl ukončen v roce 1996, rok po uvedení do systému GPS Navstar do plného provozu. Cyklon Projekt Cyklon označovaný také Ckada-M byl sovětskou obdobou amerckého systému TRANSIT. Jednalo se o ryze vojenský systém, vyhrazený pro navgac ponorkových nosčů balstckých raket. V letech 1967 1978 bylo na oběžné dráhy vyneseno 31 družc systému Cyklon. Ty umožňovaly pomocí Dopplerovských měření určení polohy pro statcké a pomalu pohybujících se plavdla. V případě pomalu pohybujících se plavdel byla nutná dlouhodobá observace, k určení dostatečně přesné polohy plavdla. 21

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace Cesta k GPS Navstar Prvním klíčovým projektem, předcházejí GPS, byl projekt SECOR (z angl. Sequental Collaton of Range). Projekt byl realzován v průběhu desetletí 1960 až 1970 amerckou armádou. Cílem projektu bylo provést přesná geodetcká měření zemského povrchu, která bude možné provádět za jakéhokol počasí s použtím jedné družce. Zvláštním předmětem zájmu byly především ostrovy a ostrůvky v Pacfku. V rámc projektu byly vypuštěné dvě družce (rok 1962 a rok 1969) (DMA, 1984). Každá ze dvou družc systému byla zaměřená ze tří míst na zemském povrchu, jejchž poloha byla geodetcky určená. Čtvrté místo s neznámou polohou bylo osazeno radovým vysílačem. Z něj byl vyslán sgnál k družc, která jej vrátla zpět. Vzdálenost měřená z družce k neznámému místu, společně s polohou zaměřenou vůč třem známým místům, posloužla k výpočtu souřadnc neznámého místa. V letech 1964 se rozběhl projekt letectva a námořnctva USA s názvem Tmaton. Cílem projektu bylo ověřt nový koncept přesného měření vzdálenost dálkoměrným sgnálem z družce na zem. Koncept byl založen na velm přesné časové základně. GNSS Éra globálních družcových navgačních systému angl. Global Navgaton Satellte System (GNSS) začala vybudováním systému: GPS (USA) a GLONASS (SSSR dnes RF). Na přelomů tsícletí bylo zahájeno budování dalších dvou systému: COMPASS (Čína) 22

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace a GALILEO (EU). Dne 17. 12. 1973 bylo zahájeno, pod dohledem JPO a vedením mnsterstva obrany USA, budování prvního globálního navgačního družcového systému GNSS pojmenovaného Navstar GPS, dále jen GPS (z angl. Global Postonng System). Stejně jako všechny následující GNSS systémy, je GPS založen na prncpu trlaterace (dálkoměrná metoda rádového nepřímého měření polohy). Trlaterace je určení polohy objektu založená na znalost absolutní doby zpoždění sgnálů mez vysílačem a přjímačem, přepočtenou na vzdálenost (měření je možné mez jedním vysílačem a několka přjímač nebo několka vysílač a jedním přjímačem). Metoda je označovaná zkratkou TOA (z angl. Tme of Arrval). O tř roky pozděj, v roce 1976, zahajuje Sovětský svaz výstavbu svého GNSS. Budovaný systém byl pojmenován GLONASS. USA dokončuje svůj systém v roce 1994, a následující rok je deklarováno, že systém GPS dosáhl plné operační způsoblost (FOC z angl. Full Operatonal Capablty). Dokončení budování systému GLONASS je narušeno změnou státního uspořádání a rozpadem Sovětského svazu. Přesto je v případě systému GLONASS dosaženo v roce 1995 FOC, alespoň na krátko. V roce 1997 rozhoduje Čína o vybudování svého vlastního GNSS s názvem BeDou (COMPASS). Jeho budování je rozděleno na dvě fáze. V první fáz má být do roku 2012 dobudována první generace lokálního družcového navgačního systému BeDou-1, ten se stane základem pro systém BeDou-2 (jnak označovány jako COMPASS). Dokončení COMPASS je plánováno na konec druhé dekády 21 století. 23

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace Evropská une se rozhoduje v roce 2001 o vybudování vlastního navgačního sytému s názvem Galleo. Plánovaný systém má být provozován na komerčních základech. Obdobně jako Čína přstupuje k budování svého GNSS ve dvou etapách. V první etapě je vybudován systém GNSS-1 (2005), který nese jméno EGNOS. Jedná se o systém vylepšující stávající GNSS (GPS a GLONASS), brzy je jasné, že systém EGNOS neposkytuje požadovanou nezávslost EU na GPS a GLONASS. Ve druhé fáz je plánováno vybudování systému GNSS-2 (Galleo). Z poltckých a ekonomckých důvodu je dobudování systému naplánováno na konec druhé dekády 21. století. 24

Hstore, současnost a budoucnost lokalzace a navgace Otázka 1.1 Označte všechny správné odpověd. Metoda nepřímé lokalzace v kartézském souřadncovém systému vyžaduje: a) Měření vzdáleností od třech orentačních bodů, jejchž polohu v kartézském souřadncovém systému známe. b) Odměření vzdálenost podél os kartézského souřadncového systému od počátku souřadncového systému. c) Měření azmutu a vzdálenost k jednomu orentačním bodům. d) Měření azmutů ke dvěma orentačním bodům.? Otázka 1.2 Přřaďte, co k sobě patří. Které prostředky jsou používány, jakou metodou navgace (lokalzace). 1) Kompas, mapa s orentačním body. 2) Mapa, rychloměr, kompas a stopky. 3) GNSS přístroj, navgační družce. 4) Sextant, hodny, almanach, mapa. a) Navgace výpočtem. b) Družcová rádová navgace. c) Astronomcká navgace. d) Navgace podle orentačních bodů.? 25

Prncpy určování polohy s použtím GNSS 2 Prncpy určování polohy s použtím GNSS V této kaptole se seznámíte s rolí vysílače př rádovém určování polohy a s třem metodam dentfkace vysílače rádových sgnálů. Po přečtení byste měl umět popsat rozdíl mez metodou frekvenčního, kódového a časového dělení. Dále se seznámíte s komponentam sgnálů, které se používají v družcové navgac k sestavení třech typů sgnálů, měl byste znát rozdíl mez jednotlvým typy sgnálů a jaký je jejch význam každého z typů sgnálů, pro řešení navgační úlohy. Následovat bude seznámení s metodam rádového určení polohy s důrazem na metodu trlaterace. Po přečtení kaptoly byste měl umět vysvětlt prncp fungování metody dálkoměrných měření prostřednctvím tzv. kódových a fázových měření. Měl byste znát mnmální předpoklady pro úspěšné provedení dálkoměrných měření kódovou fázovou metodou. Měl byste být schopn porovnat obě metody a dentfkovat jejch slabá a slná místa. Pro obě metody byste měl znát základní vztah pro stanovení tzv. pseudovzdálenost a měl byste být schopn popsat co to pseudovzdálenost je. Odhadovaný čas 3 hodny 2.1 Úvod Určování polohy metodou GNSS spadá do kategore rádového určování polohy a využívá některou z metod nepřímého měření polohy. 26

Prncpy určování polohy s použtím GNSS Příslušná metoda nepřímé lokalzace je aplkována mez vysílač (družcem), které vysílají navgační sgnály (dále jen sgnály) a přjímačem. Přjímač je užvatelské zařízení, které je schopné přjímat sgnály a dekódovat jejch obsah. Přjímač stanoví, z naměřených dat a ze sgnálů vysílače, svou vlastní polohu, čas, případně další velčny, jako je rychlost nebo zrychlení. Rádo navgační systémy se rozdělují na aktívní a pasívní. V systémech aktvní rádové navgace pracuje užvatelské zařízení současně jako vysílač přjímač. U pasívních rádo navgační systémů, přjímač užvatele nevysílá žádný sgnál, ale jen pasvně přjímá sgnál vysílačů (například družc). Příklady pasvních systému jsou systémy: TRANSIT, VOR/DME, ILS, LORAN, GPS, GLONASS, Galleo, BeDou-2/COMPAS. Dále nás bude zajímat především pasvní radová navgace a lokalzace. 27

Prncpy určování polohy s použtím GNSS 2.2 Vysílače v rádové navgac a lokalzac Výhoda radonavgačních systému spočívá v pokrytí rozsáhlého území (prostoru) malým množstvím rádových vysílačů, pozemních stanc nebo družc, př zachování vysoké přesnost navgace a lokalzace. Přeneseně je vysílač (družce) orentačním bodem. Orentačním bodem, jehož sgnál, je přenášen vlnách elektromagnetckého záření, které odpovídá vlnovým délkám 15 30 cm a frekvencím v rozsahu 1-2 GHz. V případě družcových GNSS systému je možné pokrýt celý zemský povrch sgnálem jen dvacet čtyř družc na středně vysokých oběžných drahách (MEO z angl. Medum Earth Orbt). Rádové vlny umožňuj přjímač (užvatelskému zařízení) sledovat vysílač (orentační bod) na velké vzdálenost. Daleko za hrancí optcké vdtelnost. V případě pozemních radonavgačních systému se jedná o vzdálenost prvních tsíců klometrů (lmtující je zakřvením povrchu Země) (Wkpeda, 2013). V případě družcových radonavgačních systémů, jsou pak vysílače (družce) ve vzdálenost prvních desítek tsíc klometrů od přjímačů. V případě konstelace družc, která umožňuje nepřetržtý příjem sgnálů pro navgac a lokalzac na celém zemském povrchu, se hovoří o globálních družcových navgačních systémech (GNSS z angl. Global Navgaton Satellte System). 28

Prncpy určování polohy s použtím GNSS 2.3 Metody dentfkace vysílače Protože v typckém radovém navgačním systému bývá několk vysílačů, jejchž sgnály se v prostoru a čase překrývají, musí být jednoznačně dentfkovatelný zdroj sgnálů (vysílač). Identfkace vysílače se provádí nejčastěj třem způsoby. Používá se: frekvenční dělení vysílačů, kódové dělení vysílačů nebo časové dělení vysílačů (Rapant, 2002). 2.3.1 Frekvenční dělení V systému s vysílač s frekvenčním dělením jsou jednotlvé vysílače odlšeny svou unkátní frekvenc nosné vlny sgnálů, která je jm přdělená. Přjímač musí být schopný přjímat sgnály v defnovaném rozsahu frekvencí. Zároveň musí umět přřadt jednotlvé frekvence ke správným vysílačům. Frekvenční dělení se objevuje v systémech LORAN, VOR, GLONASS. 2.3.2 Kódové dělení V systému s vysílač s kódovým dělením jsou jednotlvé vysílače odlšeny na základě pseudonáhodného kódu (PRN angl. Pseudo Random Nose), který je přmíchán do nosné vlny sgnálu. Ačkolv všechny vysílače používají stejnou frekvenc, každý má přdělený unkátní PRN kód. 29

Prncpy určování polohy s použtím GNSS Aby mohl přístroj správně dentfkovat zdroj přjatého sgnálu, musí být schopen generovat replky všech standardních PRN kódů, které jsou používané vysílač. Kódové dělení se používá v systémech GPS, Galleo, BeDou-2/COMPASS a zavádí se v systému GLONASS. Standardní PRN kód, je kódem vyhrazeným pro navgační účely a je za běžných okolností vysílán navgačním družcem. Nestandardní kód není určen pro navgační účely a běžné GNSS přjímače s tímto kódem nemusí umět pracovat. Družce vysílající nestandardní PRN kód je pro standardní přjímač nevdtelná. 2.3.3 Časové dělení V systému s vysílač s časovým dělením sdílejí všechny vysílače jednu frekvenc a jeden PRN kód. Každý vysílač má přesně vymezený časový úsek, ve kterém vysílá svůj sgnál. Tento prncp odlšování zdroje vysílání sgnálů se v oblast GNSS nepoužívá. 2.4 Složení sgnálu V závslost na tom, zda je poloha vysílačů statcká nebo dynamcká a podle počtu použtých vysílačů, je uzpůsobená také struktura sgnálů, které se používají pro radovou navgac a lokalzac. Sgnály se vždy skládají z nosné vlny a mohou navíc obsahovat, pseudonáhodný kód a navgační data. 30

Prncpy určování polohy s použtím GNSS 2.4.1 Sgnál složený z nosné vlny Tento typ jednoduchého sgnálů je vhodný pro úhloměrná měření a pro dálkoměrná měření ke statckým vysílačům o známé poloze. Oba typy měření nevyžadují žádná další data pro přjímač, která by se musela přdávat do nosné vlny. Pro sgnály složené jen z nosné vlny se používá frekvenční nebo časové dělení k dentfkac zdroje sgnálu. Tento typ sgnálů se využíval v počátcích systému LORAN (Wkpeda, 2013). Sgnály složené jen z nosné vlny jsou využívány v letecké navgac, například systém VOR/DME (Veřtát, 2009). V GNSS se tento typ sgnálů nepoužívá. 2.4.2 Sgnál složený z nosné vlny a pseudonáhodného kódu Sgnály s pseudonáhodným kódem jsou používané k dálkoměrným měřením. Pseudonáhodný kód může mít, mmo funkce dentfkace zdroje vysílání, také další funkce. Pseudonáhodné kódy jsou základem dálkoměrným měření v GNSS. Více v kaptole 3.5. Sgnál složený z nosné vlny a pseudonáhodného kódu neobsahuje data, která jsou potřebná pro výpočet polohy pohybujícího se vysílače, například družce. Přesto se takto strukturovaný sgnál používá v GNSS systémech, kde je obvykle označován jako plotní sgnál (angl. Plot Sgnal). 31

Prncpy určování polohy s použtím GNSS Aby byl plotní sgnál použtelný pro lokalzac a navgac, musí být doplněn druhým sgnálem, který je označován jako datový sgnál. Plotní sgnál je pak prmárně určen pro přesná dálkoměrná měření (kódová měření) a dentfkac zdroje. 2.4.3 Sgnál složený z nosné vlny, pseudonáhodného kódu a navgačních dat Sgnál složeny z nosné vlny, pseudonáhodného kódu a navgačních dat je vhodný pro navgační systémy, ve kterých se dynamcky mění poloha vysílačů, jako jsou například družce GNSS. Navgační data v sgnálu slouží k přenosu dat, potřebných pro: výpočet přesné polohy vysílače v čase měření, stanovení přesného času a získání dalších nezbytných systémových nformac o kondc vysílačů navgačního systému a jejch sgnálů. Sgnály GNSS obsahující navgační data, jsou označované jako datové sgnály (angl. Data Sgnal). Více v kaptole 3.5. 32

Prncpy určování polohy s použtím GNSS 2.5 Vybrané metody rádového určování polohy Pro rádové určování polohy používá nejčastěj následující metody nepřímého měření: metoda dopplerovská, metoda úhloměrná (trangulace), metoda dálkoměrná (trlaterace), metoda dálkoměrná (měření fází nosné vlny), metoda časoměrně hyperbolckáu (multlaterace). Rozdělení bylo převzato a upraveno z (Rapant, 2002). Ačkolv se dále budeme věnovat podrobně trlaterac a metodě založené na měření počtu fází nosné vlny. Obecněj s nejprve popíšeme zbývající metody; dopplerovskou, trangulac a multlaterac. 2.5.1 Metoda Dopplerovská Prncp metody vychází z Dopplerova jevu, kdy mez vysílačem a přjímačem, které jsou ve vzájemném relatvním pohybu, dochází ke změně frekvence a vlnové délky u vyslaného sgnálu (akustcký, optcký, rádový). Velkost změny frekvence a hodnota znaménka změny závsí na vzájemném směru pohybu a na vzájemné rychlost vysílače a přjímače. První pokusy o družcové určování polohy, stejně jako první družcové radonavgační systémy TRANSIT (CIKADA) byly založené na měření dopplerovského posunu frekvence. 33

Prncpy určování polohy s použtím GNSS Systém TRANSIT fungoval na prncpu porovnávání teoretcké a změřené tzv. dopplerovské křvky přjímače. Dopplerovská křvka znázorňuje časovou závslost změny frekvence sgnálů vyslaného z pohybujícího se vysílače (družce) směrem k statckému přjímač. Pokud je známa dráha vysílače, exstují pro určtý časový úsek dopplerovské křvky sestavené statckým přjímačem pouze dvě možné polohy přjímače. Př měření přístroj nejprve sestavl teoretckou podobu (testovací) dopplerovské křvky, kterou pak porovnával s naměřenou dopplerovskou křvkou, postupným srovnáváním křvek a přblžovaní testovací křvky k měřené v teračních krocích, upřesňoval polohu přjímače vůč vysílač (Wkpeda, 2014). Nevýhodou dopplerovské metody byla její: nepřesnost, časová náročnost a nutnost kompenzovat rychlost a směr pohybu přjímače př výpočtu polohy. Vlastní pohyb a přjímače vůč družc, stejně jako rotace Země, způsobuje další změny v posunu frekvence navgačního sgnálů. Dopplerovské metody se jž dnes v GNSS jako prmární metoda stanovení polohy v čase nepoužívají. Přesto mají dopplerovské metody své místo v navgačním řešení př výpočtu, směru, rychlost a zrychlení na základě změny fází nosných vln pozorovaných družc. Data potřebná pro výpočet rychlost a zrychlení; poloha družce v čase, její vektory rychlost a zrychlení, je možné vypočítat z dat navgačních zprávy družce. Výsledné dopplerovské posuny měřené na straně přjímače pro sgnály jednotlvých družc jsou používány pro výpočet přesného směru, rychlost a zrychlení přístroje. 34

Prncpy určování polohy s použtím GNSS I když dopplerovská data nejsou pro polohu a čas potřebná, přístroj je pro každou družc a všechny, přístroj dostupné, nosné frekvence ukládá. To je dobře patrné ve standardu RINEX, kde jsou jednou z ukládaných velčn měření dopplerovská měření, vz kaptola 0. 2.5.2 Metoda trangulace kombnované měření úhlů a vzdáleností Metoda trangulace je postavená na měření směrových úhlů sgnálů přcházejícího ze dvou a více vysílačů, které vysílají úzce směrový rádový parsek. Pokud je známý azmut alespoň dvou vysílaných paprsků, je možné jednoznačné určt polohu přjímače ve 2D. Jnou varantou výpočtu polohy u statckého přjímače, je možné použtí sgnál z jednoho pohybujícího se vysílače, jehož polohu v čase známe a u něhož víme, pod jakým azmutem sgnál odvysílal (Rapant, 2002). Systém VOR (z angl. VHF Omn-drectonal Rado range) používaný v cvlním letectví, umožňuje měřt úhel radály (spojnce mez VOR majákem a letounem) vůč severnímu magnetckému pólu. Maják VOR vysílá jeden základní sgnál všesměrově. Druhý sgnál (s fázovým posunem) je vysílaný úzkým rotujícím svazkem. Velkost fázového posunu se mění s úhlem, pod jakým je svazek vysílán. Pozor v tomto případě se nejedná přímo trangulac Systém VOR je dnes kombnován se systémem DME (z angl. Dstance Measurng Equpment). Systém pro měření vzdálenost od radomajáku na základě doby šíření radového pulzu. Př kombnac VOR/DME stačí příjem jednoho radomajáku pro určení polohy. Vysílač v letounu vyšle pár rádo pulzů s přesně defnovaným vzájemným zpožděním. Pozemní stance DME tuto sekvenc přjme a se zpožděním 50 μs sekvenc odvysílá zpět. Radopřjímač v letadle změří dobu, mez vysláním páru 35

Prncpy určování polohy s použtím GNSS rádo pulzů a jejch zpětným přjmutím od radomajáku DME. Odečte 50μs a získá tak dobu šíření pulsu od letounu k radomajáku a zpět. Tu je možné přepočítat na vzdálenost k radomajáku. Od VOR zná letoun směr (CENDI, 2006). Úlohu je možné obrátt na případ, kdy se pohybující se směrovou anténou provádí dentfkace zdroje směru radového sgnálů. Po zaměření dvou a více směrů v různých polohách je možné určt zdroj vysílání. Metoda trangulace se v družcové navgac, z důvodů technckých nároků na konstrukc vysílače případně přjímače, nepoužívala. 2.5.3 Metoda multlaterace Multlaterace je určení polohy vysílače na základě měření rozdílů časového zpoždění příjmu sgnálů v několka přjímačích o známé poloze (případně určení polohy přjímače na základě měření rozdílů zpoždění příjmů sgnálů od několka synchronzovaných vysílačů o známé poloze). Prncp multlaterace je také nazýván časoměrně hyperbolckou metodou měřící TDOA (angl. Tme Dfference of Arrval) (Veřtát, 2009). Metoda se používá pouze v pozemních radonavgačních systémech. Metoda se uplatnla například v systémech LORAN (USA), který byl provozovány od konce druhé světové války, do roku 2010, a v podobném systému ČAJKA (SSSR dnes RF). Multlaterace vyžaduje přesnou časovou synchronzac pozemních radomajáků tak, aby bylo možné provést přesný výpočet zpoždění příchodů dvou párových sgnálů od třech vysílajících stanc. V případě systému LORAN-C, byla vzájemná synchronzace rádových sgnálů stanc v jednom řetězc do 100 nanosekund. To př přepočtu na vzdálenost znamená tento rozdíl chybu polohy zkonstruované hyperboly až 30 metrů. Synchronzace času na straně užvatele byla 500 nanosekund. To odpovídá polohové chybě zkonstruované hyperboly až 150 metrů. 36

Prncpy určování polohy s použtím GNSS 2.6 Metoda kódových měření pseudovzdáleností Metoda nepřímých dálkoměrných měření je postavená na tzv. pseudonáhodných kódech a je základní metodou GNSS. Pseudonáhodné kódy jsou v některých případech označované jako dálkoměrné kódy. Metoda je také označovaná jako trlaterace nebo zkratkou TOA s angl. Tme of Advance. Metoda bude dále označována také jako tzv. metoda kódových měření nebo zkráceně kódová měření. Provedením kódových měření ke čtyřem družcím je možné určt polohu přjímače a čas přjímače. 2.6.1 Ideální případ měření vzdálenost metodou TOA Základní prncp TOA spočívá v měření času, který rádový sgnál potřebuje k tomu, aby překonal vzdálenost mez anténou vysílače (družce GNSS) a anténou přjímače (GNSS přístroj). Čas potřebný pro překonání vzdálenost (družce přjímač) je možné, po roznásobení rychlost šíření rádových vln, přepočítat na vzdálenost. Rádové vlny tvoří malou část frekvenčního spektra elektromagnetckého záření. Elektromagnetcké vlny se šíří ve vakuu rychlost 299 792 458 m/s. 37

Prncpy určování polohy s použtím GNSS Ideální podmínky pro metodu metody TOA 1) Čas všech vysílačů a přjímače je synchronní s tzv. systémovým časem. 2) Je známá přesná poloha vysílačů. 3) Rychlost šíření sgnálů prostředím je konstantní. 4) Je měřená vždy přímá vzdálenost mez vysílačem a přjímačem. 5) Na straně přjímače an v jeho okolí nepůsobí žádné rušvé vlvy. Za deálních podmínek je možné, př provedení třech kódových měření, ke třem vysílačům o známé poloze, provést jednoznačnou lokalzac přjímače v rovně (2D lokalzace). Pokud se užvatel nachází na Zemském povrchu, pak toto tvrzení platí pro lokalzac v prostoru (3D lokalzace). D 1 D3 0 X 3,Y 3? X 1,Y 1 D 2 X 2,Y 2 Obrázek 2-1 Geometrcké určení polohy trlaterací v rovně. 38

Prncpy určování polohy s použtím GNSS Kódová měření v rovně vyžadují tř vysílače, ke kterým jsou změřené vzdálenost. Ze dvou vypočtených vzdáleností, ke dvěma vysílačům, je možné sestrojt dvě kružnce se středy ve vysílačích a poloměrech rovným změřeným vzdálenostem. Exstují dva průsečíky kružnc, kde se může hledaná poloha přjímače nacházet. Třetí měření vzdálenost, k třetímu vysílač, defnuje třetí kružnc, která se protne s předcházejícíma dvěma kružncem v jedném místě, vz Obrázek 2-1. Kódová měření v prostoru jsou založená na protínání kulových ploch se středem v místě, kde se nachází družce. Výsledkem protnutí dvou kulových ploch sestrojených kolem družc je průsečík ve tvaru kružnce. Kulové plochy mají poloměr defnovaný velkost vypočtené vzdáleností (družce přjímač). Na kružnc průsečíku kulových ploch se nachází hledaná poloha. Třetí měřená vzdálenost vypočtená z času putování sgnálů třetího vysílače, určuje třetí kulovou plochu. Ta protíná kružnc průsečíku prvních dvou kulových ploch ve dvou bodech, jen ve specálním případě je to jeden bod. Jeden bod průsečíku třech kulových ploch se nachází pod rovnou defnovanou třem družcem, druhý bod se nachází nad touto rovnou (oba body průsečíku jsou symetrcké vzhledem k rovně), vz Obrázek 2-2. Pokud je pozorovatel na Zemském povrchu, pak je jeho poloha vždy v místě s nžší výškou nad Zemským povrchem. Pokud se ale pozorovatel nenachází na Zem, nemusí být určení polohy jednoznačné a je nutné doplnění dodatečných dat. 39

Prncpy určování polohy s použtím GNSS D X,Y,Z Obrázek 2-2 Geometrcké určení polohy trlaterac v prostoru. 40

Prncpy určování polohy s použtím GNSS 2.6.2 Reálná měření vzdálenost metodou TOA V reálných podmínkách není žádná z deálních podmínek, popsaných v předchozí podkaptole, splněná. Př dálkoměrných měřeních: není zaručena synchronzace hodn vysílačů a přjímače se systémovým časem, poloha vysílačů je zatížená chybou, sgnál se šíří prostředím, které jej zpomaluje, během měření může docházet k odrazům sgnálů a měření vzdálenost odraženého sgnálů místo přímého sgnálů a na straně přjímače působí vlvy rušící příjem a zpracování sgnálů. Tyto všechny vlvy zatěžují měření času, během kterého sgnál družce překoná vzdálenost mez družc a přjímačem, chybou. Proto je vzdálenost určená přepočtem TOA v reálných podmínkách označována jako pseudovzdálenost. Vlvy působící na měření se projevují chybam, které jsou často popsované jako: chyba hodn družc, chyba hodn přjímače, chyba onosférckého zpožděn, chyba troposférckého zpoždění a skupna zahrnující všechny ostatní významné zdroje chyb. 41

Prncpy určování polohy s použtím GNSS Pseudovzdálenost se pak může v časové doméně vyjádřt vztahem (2.1). ( ) ( ) (2.1) kde P(t) vyjadřuje změřenou pseudovzdálenost, T REC představuje čas přjetí sgnálu přjímačem, T SAT znamená čas odeslání sgnálu z družce. Proměnná ε(t) vyjadřuje chybu měření pseudovzdálenost. Základní komponenty chyby pseudovzdálenost se pak vyjádří pomocí vztahu (2.2). ( ) ( ) ( ) ( ) (2.2) kde τ REC respektve τ SAT představuj chybu hodn přjímače respektve družce, γ ono (t) představuje chybu způsobenou onosférou, δ tropo (t) představuje chybu troposféry, proměnná Q REC (t) představuje všechny ostatní chyby působící na straně přjímače. Uvedené dělení má význam z pohledu snížení vlvů jednotlvých chyb, které vyplývají z reálných podmínek měření metodou TOA. 42

Prncpy určování polohy s použtím GNSS První čtyř chyby jsou společné pro všechny užvatele, kteří svá měření provádí: ve stejném čase, ke stejné družc, v geografcky blízké oblast. Proto je možné tyto chyby vhodným metodam měření a zpracování naměřených dat elmnovat. Více v kaptole 10. Poslední skupna chyb Q REC (t) zahrnuje chyby, které jsou ndvduální pro každé měření a každý přjímač a není možné je snadno opravt. Více v kaptole 10.5. Chyba hodn družc Ačkolv jsou družce vybavené přesným atomovým hodnam, jejch čas se lší od systémového času. Tato časová odchylka je modelována. Data o velkost odchylky hodn družc od systémového času jsou předávaná přjímač v navgační zprávě, kterou vysílají družce. Přjímač ze získaných dat přepočítává čas družc na systémový čas. Ačkolv je odchylka hodn družc, od systémového času, modelována, zbývá po aplkac oprav zbytková chyba hodn družc. Zbytkovou chybu lze, pro účely výkladu v této kaptole zanedbat, protože je v porovnání s ostatním chybam velm malá. Více o chybě hodn družc v kaptole 10.5.1. Chyba hodn přjímače Chyba je způsobená nepřesným hodnam přjímače, které jsou zatížené relatvně velkou chybou. Tu nelze uspokojvě modelovat, s ohledem na množství různých přjímačů s různou kvaltou časové základny (osclátoru). Protože je odchylka hodn přjímače neznámá, je součástí navgačního výpočtu přjímače stanovení odsazení (chyba) hodn přjímače od systémového času, a to 43

Prncpy určování polohy s použtím GNSS pro každou vypočtenou polohu. Více o chybě hodn přjímače v kaptole 9.5.3. Chyba způsobená onosférou Chyba vznká př průchodů sgnálu část atmosféry s vysokým obsahem kladně nabtých částc. Ionosféra způsobuje zpomalení nosné vlny sgnálů a zrychluje dálkoměrné kódy a navgační zprávu, tak celkově zanáší chybu do měření času šíření sgnálu mez družc a přjímačem. Vlv onosféry je významný a s časem a místem měření se mění. Více vz kaptola 9.4.1 a 10.5.4. Chyba způsobená troposférou Chyba vznká ve spodní část atmosféry př cestě sgnálu z družce k přjímač. Troposféra způsobuje zpoždění sgnálu. Vlv troposféry je stejně významný jako vlv onosféry a je rovněž s časem a místem měření varablní. Více vz kaptoly 9.4.2 a 10.5.4. Ostatní chyby Chyby zahrnují chyby na stráně užvatele způsobené šumem a rozlšením přjímače užvatele, chyby způsobené odraženým sgnálem, který se nešíří přímou cestou. K odrazům dochází vlvem prostředí, ve kterém měření probíhá, pak dochází k tzv. vícecestnému šíření sgnálu a v horším případě stínění sgnálu. Více vz kaptola 9.5.1, 10.5.5. Vzhledem k uvedeným chybám nemá metoda trlaterace v reálných podmínkách jednoznačné řešení. Výsledkem výpočtu polohy (nebo geometrcké konstrukce) je oblast nacházející se 44

Prncpy určování polohy s použtím GNSS v průsečíků kružnc vynesených pseudovzdáleností (pro řešení 2D), a kulových ploch (pro 3D řešení), kde se hledaná poloha může nacházet. Vz Obrázek 2-1pro 2D. Důležtým aspektem metody trlaterace v prax je, že velkost a tvar oblast, kde se hledaná poloha nachází a tedy potencální chyba měření závsí, nejen: na velkost chyby zjštěné pseudovzdáleností, ale na geometrckém uspořádání družc vůč přjímač. Polohová chyba trlaterace je tedy dána chybou v měřených pseudovzdálenostech a geometrckým uspořádáním celého měření vz Obrázek 2-3. Více o vlvu geometrckého uspořádání na výslednou chybu polohových a časových měření je uvedeno v kaptole 9.7. Pro lustrac vztahu chyby psudovzdálenost a geometrckého uspořádání měření bylo záměrně vybráno 2D řešení s třem družcem, které je snadněj pochoptelné. Reálná měření probíhají v 3D prostoru s měřením pseudovzdáleností ke čtyřem družcím. 45

Prncpy určování polohy s použtím GNSS Pseudovzdálenost = chyba vzdálenost + vzdálenost SV3 SV1 SV3 SV1 SV2 SV2 Obrázek 2-3 Vlv geometrckého uspořádání vysílačů na chybu určení polohy. 2.6.3 Určování polohy měřením pseudovzdálenost Družce navgačních systému vysílají v rámc svých sgnálů PRN kódy. Přestože kód vypadá jako náhodná posloupnost hodnot 0 a 1, je sekvence hodnot přesně daná. Ve skutečnost jsou sgnály sekvencí hodnot 1 a -1 a základní jednotkou není bt, ale jednotka chp. Dále v textu budou používané jednotky bty. Pseudonáhodné kódy jsou charakterzované svou délkou a rychlostí. Tyto dva parametry určuj, zda je kód vhodný k měření pseudovzdálenost nebo pro jné účely. Dostatečně dlouhé 46

Prncpy určování polohy s použtím GNSS a rychlé kódy umožňují jednoznačné a přesné měření vzdáleností mez družc a přjímačem více kaptola 3.5.2. Pro správné měření pseudovzdálenost je nutné, aby přjímač uměl vygenerovat replku PRN kódu, který vysílá družce. P s Měření pseudovzdálenost PRN kódem je zatíženo chybam uvedeným v předešlé podkaptole a chybou danou strukturou PRN kódu. Poslední jmenovanou chybu budeme v následujícím výkladu zanedbávat. Ze všech chyb má největší dopad na dálkoměrné měření chyba hodny družce a přístroje, které nejsou synchronní se systémovým časem. Pro potřeby následujícího výkladu, budou ostatní uváděné chyby považovány rovněž za zanedbatelné. V příkladu budeme vycházet z příkladu na obrázku, vz Obrázek 2-4. Obrázek 2-4 Polohový vektor užvatele. Vektor u představuje polohový vektor přjímače GNSS, který chceme určt. Vektor s je polohový vektor družce, který přjímač určí z navgační zprávy družce (z efemerd ). Vektor r (v obrázku koresponduje s P )je vektor, který určuje vzájemnou polohu přjímače GNSS a družce a jež je určován kódovým měřením (pomocí PRN kódu) v defnovaném čase. 47

Prncpy určování polohy s použtím GNSS Poloha užvatele je vyjádřena v kartézském geocentrckém souřadncovém systému pevně spojeném se Zemí (ECEF z angl. Earth Centered Earth Fxed) souřadncem x u, y u, z u více v kaptole 3.3. Poloha družce je známá a vyjádřena taktéž ECEF souřadncem x, y, z. Efemerdy jsou parametry oběžné dráhy družce, které slouží k výpočtu polohy družce v požadovaném čase. Velkost vektoru r je možné vypočítat podle vztahu (2.3). (2.3) Proces určení času šíření sgnálu s použtím PNR kódu vz. Obrázek 2-5. Družce je v čase t 1 (družcového času) opustí sgnál s PRN kódem v určté fáz, stejná replka stejného PRN kódu, je ve stejné fáz v čase t 1 (času přjímače) vygenerovaná v přjímač. V čase t 2 je kód v sgnálu z družce zachycený přjímačem. Pokud by byly hodny družce hodny přjímače synchronní, bylo by možné přesně určt čas t 2 jako prostý rozdíl času a vynásobením rychlostí šíření sgnálů by vedlo ke stanovení skutečné vzdálenost družce od přjímače. Avšak hodny družce an hodny přjímače nejsou synchronní vůč systémovému času, proto je měření na obou stranách zatíženo chybam, které vedou k změření pseudovzdálenost vz Obrázek 2-5. 48

Prncpy určování polohy s použtím GNSS (Časový ekvvalent geometrcké vzdálenost) Δt δt t u T s T s +δt T u T u +t u čas (Časový ekvvalent pseudovzdálenost) Obrázek 2-5 Vztahy mez měřeným vzdálenostm a časováním dálkoměrného kódu. Výsledné měření pseudovzdálenost je možné zapsat podle vztahu (2.4). ( ) (2.4) Protože odchylka hodn družc je modelovaná a vysílaná družcí k přjímač v navgační zprávě, může přjímač odchylku hodn družce od systémového času elmnovat (ne zcela, ale zbývající chyba je malá a proto j dále můžeme pro tento 49

Prncpy určování polohy s použtím GNSS příklad zanedbat), zůstane nám v měřené pseudovzdálenost pouze chyba hodn přístroje (jejch odchylka vůč systémovému času) vztah (2.5). (2.5) Bude-l prováděno měření k více družcím, získáme vždy rovnc (2.6). Kde P j (dříve vektor r) je vypočtená pseudovzdálenost j-té družce, která je zatížená pouze neznámou hodnotou chyby hodn přjímače (odchylka hodn přjímače vůč systémovému času). Dále zůstává neznámá hodnota polohového vektoru u, přčemž je známý polohový vektor s j družce. Konstanta c představuje rychlost světla, kterou se šíří rádový sgnál a t u představuje chybu hodn přjímače. Rovnc (2.6) je možné přepsat úpravou do podoby (2.7). (2.6) Pro jednoznačné určení polohy a času je pak nutné použít měření ke čtyřem družcím, které umožní zformovat soustavu čtyř nelneárních rovnc o čtyřech neznámých (2.7). ( ) ( ) ( ) (2.7) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Mnmální požadavky pro valdní kódové měření Řešením rovnc (2.7) některou z matematckých metod je možné, z observací ke čtyřem družcím v čase t 2 a známé polohy družc v čase t 2, stanovt polohu přjímače x u, y u, z u společně s vypočtením chyby hodn přjímače t u. 50

Prncpy určování polohy s použtím GNSS 2.6.4 Přesnost pseudovzdáleností odvozených z kódových měření Přesnost dosažená měřením pseudovzdálenost odvozených z kódových měření je dána typem použtého dálkoměrného kódu. S ohledem na délku kódu v btech a jeho rychlost b/s je možné odvodt geometrckou vzdálenost odpovídající odvysílání jednoho btu PRN kódu. Standardní přesnost čtení PRN kódu umožnuje měřt vzdálenost s přesnost na 1% délky btu PRN kódu. V současnost jsou vyvíjené metody umožňující měřt vzdálenost s přesnost na 0,1 % délky btu PRN, kódu (Hofmann-Wellenhof, a další, 2008). Například užvatelé C/A-kódu systému GPS pracují s kódem, který je dlouhý 1023 b a je odvysílán rychlost 1023 Kb/s. Po přepočtu vyplívá, že jeden bt C/A-kódu odpovídá přblžné délce 293metrů. Přesnost čtení vzdálenost pomocí C/A-kódu je pak 29,3 metrů př rozlšení na 1% délky btu. Př použtí pokročlých metod zpracování C/A-kódu s rozlšením až ne 0,1% chpu dosáhne přesnost čtení až 2,93 metrů. 2.7 Metoda měření fázových pseudovzdáleností Metoda měření fázové pseudovzdálenost (dále nazývaná jen jako fázová měření) je založená na měření vzdálenost defnované počtem vlnových délek nosné vlny mez GNSS družc a přjímačem. Př měření nejsou využívány PRN pro zjštění pseudovzdálenost. 51

Prncpy určování polohy s použtím GNSS GNSS systémy nebyly konstruované pro provádění fázových měření a metoda fázových měření je výsledkem nezávslé ncatvy prvních užvatelů GNSS systémů, která se transformovala do plnohodnotné metody, dnes šroce podporované výrobc GNSS zařízení pro velm přesná měření. Pseudovzdálenost měřena metodou fázových měření, mez družc a přjímačem, se stanoví jako součet: celočíselného počtu vlnových délek nosné vlny označovaného jako N, zbytkové část nosné vlny a chyb měření. Chyby působící na fázová měření jsou shodné s chybam kódových měření, přestože měření založeno na měření času. Jedná se opět o: chybu hodn družce, chybu hodn přjímače, chyby způsobené onosférckým a troposférckým zpožděním, chybu vícecestného šíření sgnálů, šum a rozlšovací schopnost přjímače. Chyba hodn družce přjímače mají význam pro synchronzac fázového měření a elmnací nežádoucího fázového posunu nosné vlny, která je generovaná družcí a vlny replkované přjímačem. 52

Prncpy určování polohy s použtím GNSS Měření pseudovzdálenost fázových měření je možné popsat rovncí (2.8). (2.8) kde P vyjadřuje změřenou pseudovzdálenost, Φ SAT představuje fáz nosné vlny ve chvíl, kdy sgnál opustl anténu družce, Φ REC představuje fáz nosné vlny (replkovaného sgnálu na straně přjímače) ve chvíl, kdy byla přjímačem zachycena část sgnálů odeslaná družc. Nové dvě proměnné představují vzdálenost tvořenou celočíselným počtem celých vlnových délek nosné vlny N a vlnovou délkou nosné vlny λ. ε(t) vyjadřuje chybu měření pseudovzdálenost a její složení odpovídá vztahu (2.2) v předchozí kaptole. Ambguty Na rozdíl od kódových měření, která jsou zatížená nejstotam způsobeným chybam uvedeným ve vztahu (2.8), vstupuje na počátku měření fázových pseudovzdálenost nejednoznačnost v počtu celých vln označována N. Nejednoznačnost je nazývána ambguty. Fázový skok Pokud je jž vyřešená nejednoznačnost N, ale dojde k přerušení sledovaného sgnálů družce, typcky zastínění družce překážkou v prostředí, dojde k tzv. fázovému skoku angl. cycle slp. 53

Prncpy určování polohy s použtím GNSS Př fázových měřeních je možné spolehlvě stanovt desetnný doměrek z celé vlnové délky nosné vlny. K tomu dojde téměř okamžtě po zahájení měření a synchronzac časů. Avšak pro zjštění N je nutné provést více observací, které mohou, ale také nemusí vést ke stanovení statstcky nejpravděpodobnějšího počtu N př měření ke všem družcím, které jsou použté ve výpočtu polohy. Všechny technky fázových měření vychází na počátku z kódových měření. Kódové měření slouží pro první aproxmac možného počtu N, která je pak na základě různých matematcko- statstckých technk zpřesněna až na rozsah jedné vlny. Ačkolv je N na počátku měření neznámé, přjímač od zahájení měření sleduje pro každou družc, o kolk celých vlnových délek nosné vlny se N v průběhu měření změnlo. Po dostatečně dlouhé době nepřerušovaného měření k několka družcím, je možné stanovt počáteční hodnotu N měření. Na základě sledovaného počtu přbývajících nebo ubývajících celých vlnových délek nosné vlny je možné stanovt přenosu pseudovzdálenost. Mnmální požadavky pro valdní fázové měření Pro stanovení polohy: př statckém fázovém měření je nutná observace dvou družc po dobu nejméně čtyř po sobě následujících observačních epoch. Př dynamckém fázovém měření je nutné provádět observac k pět družcím po dobu alespoň čtyř po sobě následujících observačních epoch, nebo k sedm družcím po dobu alespoň dvou následujících observačních epoch. 54

Prncpy určování polohy s použtím GNSS 2.7.1 Přesnost pseudovzdáleností odvozených z fázových měření Přesnost určení pseudovzdálenost fázového měření je dána velkostí vlnové délky nosné vlny. Obdobně jako v případě kódových měření, je možné spolehlvě měřt vzdálenost s rozlšením na 1% délky vlnové délky nosné vlny (Hofmann-Wellenhof, a další, 2008). Přesnost měření pseudovzdálenost se pak pohybuje v jednotkách mlmetrů. Například v případě systému GPS jsou používané vlnové délky 19 cm a 24 cm. Výsledná přesnost v určení pseudovzdálenost se pohybuje 1,9 mm respektve 2,4 mm. V obou případech se jedná o chybu způsobenou jen nosnou vlnou, bez ostatních chyb, které ovlvňují měření pseudovzdáleností. 55

Prncpy určování polohy s použtím GNSS Otázka 2.1 Označte jednu správnou odpověď. Družcovou navgac a lokalzac nejlépe charakterzují následující pojmy. a) Navgační družce / Pozemní rádový vysílač /Mapa / GNSS přjímač / Rádové sgnály b) Navgační družce / Rádové sgnály /GNSS přjímač / Kompas c) Navgační družce / GNSS přjímač / Rádové sgnály / Pseudovzdálenost? Otázka 2.2 Označte jednu správnou odpověď. Jakou rol hraje rádový vysílač v družcové navgac a lokalzac? a) Je to pohybující se orentační bod s neznámou polohou. b) Je to bod pro kontrolní výpočet, který slouží k ověření správně stanovené polohy ve zvoleném souřadncovém systému. c) Je to statcký orentační bod o známé poloze. d) Je to pohybující se orentační bod se známou polohou.? 56

Prncpy určování polohy s použtím GNSS Otázka 2.3 Spojte odpovídající s pojmy v prvním a druhém sloupc. Správně přřaďte charakterstku metody dentfkace zdroje rádového sgnálu s názvem metody. 1) Kódové dělení 2) Frekvenční dělení 3) Časové dělení a) Každý vysílač má přdělený časový nterval, ve kterém vysílá svůj sgnál, zatímco ostatní vysílače v daném čase sgnál nevysílají. b) Každý vysílač má přdělenou unkátní frekvenc, na které vysílá sgnál s dálkoměrným kódem, který je stejný pro všechny vysílače. c) Využívá unkátního pseudonáhodného kódu, který je přdělen každému vysílač. Všechny vysílače vysílají své sgnály na stejné frekvenc.? Otázka 2.4 Spojte odpovídající s pojmy v prvním a druhém sloupc. Správně přřaďte charakterstku typu sgnálu s obecným názvem sgnálu. 1) Plotní sgnál 2) Datový sgnál a) Sgnál umožňuje provádět jak dálkoměrná měření, tak určt stavové nformace družce a systému GNSS. b) Sgnál umožňuje provádět jen dálkoměrná měření. K úplné lokalzac a navgac je nutný k uvedenému sgnálu ještě další sgnál, ze kterého lze získat další potřebná data o GNSS systému.? 57

Prncpy určování polohy s použtím GNSS Otázka 2.5 Spojte odpovídající s pojmy v prvním a druhém sloupc. Správně spojte název metody nepřímé lokalzace, která se používá v GNSS, s jejím stručným popsem. 1) Dopplerovská metoda 2) Trangulace 3) Trlaterace (TOA) 4) Multlaterace (TDOA) a) Využívá metodu měření absolutního zpoždění sgnálů, př cestě sgnálů ze čtyř vysílačů směrem k přjímač. b) Používá zdánlvého změny frekvence vysílaného sgnálu s ohledem na vzájemný relatvní pohyb mez vysílačem a přjímačem a sledování změn frekvence v čase. c) Využívá měření směrů, ze kterých přjímač přjal sgnál vysílaný třem statckým vysílač. d) Používá měření dvou rozdílů zpoždění sgnálů, mez mnmálně třem vysílač, které jsou spojené do dvou synchronzovaně vysílajících párů.? Otázka 2.6 Popšte vlastním slovy a následně zkontrolujte s textem. Vyjmenujte pět podmínek, které musí platt v dealzovaném případě, aby bylo možné provést metodu trlaterace s použtím jednoho rádového přjímače a třech rádových vysílačů dálkoměrného sgnálu.? 58

Prncpy určování polohy s použtím GNSS Otázka 2.7 Označte jednu správnou odpověď. Který výčet pojmů nejlépe charakterzuje metodu trlaterace? a) Jedna družce / Přjímač / Absolutní čas zpoždění př cestě sgnálu z družce k přjímač přepočítaný na pseudovzdálenost / Opakované měření k družc. b) Čtyř družce /Přjímač / Absolutní časy zpoždění sgnálů př cestě z družc k přjímač přepočítané na vzdálenost. c) Čtyř družce / Přjímač / Absolutní časy zpoždění sgnálů př cestě z družc k přjímač přepočítané na pseudovzdáleností k družcím. d) Tř družce / Přjímač / Absolutní časy zpoždění sgnálů př cestě z družc k přjímač přepočítané na pseudovzdálenost k družcí.? Otázka 2.8 Označte všechny správné odpověd. Které pojmy se hodí k popsu metody měření pseudovzdáleností odvozených z kódových měření? e) Pseudonáhodný kód f) Absolutní čas zpoždění sgnálů g) Nejednoznačnost počtů fázových vln h) Pseudovzdálenost (kódová) ) Poloha družce j) Rychlost světla k) Vlnová délka? 59

Prncpy určování polohy s použtím GNSS Otázka 2.9 Označte všechny správné odpověd. Které pojmy se hodí k popsu metody měření pseudovzdáleností odvozených z fázových měření? a) Dálkoměrný kód b) Nosná vlna c) Nejednoznačnost počtu fázových vln d) Pseudovzdálenost (kódová) e) Chyba onosféry f) Rychlost světla g) Fázový skok? Otázka 2.10 Vyjmenujte a následně zkontrolujte s textem. Vyjmenujte pět významných chyb měření a nejstot, které se běžně uvádí v matematckém vztahu, který popsuje pseudovzdálenost měřenou kódovou metodou.? Otázka 2.11 Vyjmenujte a následně zkontrolujte s textem. Vyjmenujte šest významných chyb měření a nejstot, které se běžně uvádí v matematckém vztahu, který popsuje pseudovzdálenost měřenou fázovou metodou.? 60

Prncpy určování polohy s použtím GNSS Otázka 2.12 Spojte odpovídající s pojmy v prvním a druhém sloupc. Přřaďte ke každé z metod dálkoměrných GNSS měření mnmální počet vdtelných družc a potřebný počet epoch měření.? 1) Fázová statcká 2) Fázová dynamcká 3) Kódová 3D 4) Kódová 2D a) 4 družce 1 jedna epocha měření b) 2 družce 4 po sobě jdoucí epochy měření c) 3 družce 1 epocha měření a znalost výšky d) 5 družc - 4 po sobě jdoucí epochy měření nebo 7 družc - 2 po sobě jdoucí epochy měření 61

Komponenty obecné archtektury GNSS 3 Komponenty obecné archtektury GNSS V této kaptole se seznámíte se základním komponentam GNSS. Kromě popsu kosmckého, řídcího a užvatelského segmentu a jejch rolí v GNSS, budete po přečtení kaptoly schopn popsat souřadncový systém a systémový čas GNSS, které jsou dalším klíčovým určujícím prvky každého GNSS. V závěru kaptoly se seznámíte s typckou strukturou sgnálů navgačních systémů a charakterstkou základních služeb GNSS. Po přečtení budete schopn popsat jaké sgnály jsou v GNSS používány, k čemu slouží jednotlvé částí sgnálů (nosná vlna, pseudonáhodný kód a navgační zpráva) a dále budete vědět jaký je vztah mez sgnály a jednotlvým typy služeb, která jsou odvozené ze sgnálů GNSS. Odhadovaný čas 90 mnut 3.1 Úvod Všechny GNSS se skládají ze třech základních systémových částí: kosmcký segment, řídcí segmentu a užvatelský segmentu. Jednotlvé GNSS se lší v tom, jak je jejch kosmcký a řídcí segment segmenty realzován. Přesto oba uvedené segmenty ve všech systémech plní obdobné úlohy. 62

Komponenty obecné archtektury GNSS Kosmcký segment UTC čas TT&C ULS Řídící segment MCS ST MSC Man Control Staton Hlavní řídcí stance ST System Tme Systémový čas GNSS TT&C Telemetry, Trackng and Command/Control Telemetrcká a povelová stance MS ULS MS GNSS přjímač Užvatelský segment GNSS přjímač Up-Lnk Staton Stance pro komunkace s družcem Montorng Staton Montorovací stance Obrázek 3-1 Schéma segmentů GNSS a jejch vybraných částí včetně toku komunkace mez segmenty a jejch vybraným částm. Z pohledu užvatelského segmentu jsou významným částm archtektury GNSS, také sgnály, které jsou vysílané družcem kosmckého segmentu a které jsou základem služeb dostupných pro daný GNSS systém. Stejně jako jsou sgnály charakterstcké pro daný systém, je pro každý GNSS systém charakterstcký prostorový referenční rámec (dále jen souřadncový systém) a časový referenční rámce (dále jen systémový čas). Základní schéma segmentů GNSS systému vz Obrázek 3-1. 63

Komponenty obecné archtektury GNSS Systémový čas je směrem k užvatelskému segmentu transformován vždy na UTC čas. Detalní pops segmentů a dalších systémových částí pro GPS, GLONASS, Galleo a COMPASS naleznete v kaptolách 4, 5, 6 a v kaptole 7. 3.2 Segmenty Slovo segmenty ve spojení s popsem hlavních komponent GNSS bylo používáno ve spojení se systémem GPS, proto bude používáno dále jako unversální pojem, ačkolv je možné v lteratuře najít jná pojmenování. Například př popsu systému GLONASS se používá pojem pozemní řídcí komplex pro řídcí segment a Galleo používá výraz komponenta. 3.2.1 Kosmcký segment Kosmcký segment je tvořen konstelac umělých družc Země, které se pohybují po předem známých oběžných drahách. Konstelace družc kosmckého segmentu je dána: Celkový počtem družc na orbtech Počtem orbtální rovn Počtem slotů v orbtální rovně Tvarem a výškou orbt 64

Komponenty obecné archtektury GNSS Inklnac orbt Orentac orbt vůč Zem Oběžnou dobou družce Parametry oběžných drah každé družce jsou popsány v tzv. efemerdách. Na základě efemerd je možné určt polohu družce v defnovaném čase. Družce vysílají směrem k Zem sgnály (dále jen sgnály). Jednotlvé GNSS systémy se lší v tom, kolk družc jejch kosmcký segment má, na jakých oběžných drahách jsou družce rozmístěny a na počtu a skladbě sgnálů, které družce vysílají. Kosmcký segment je vždy navržený tak, aby zajstl co nejlepší pokrytí zemského povrch sgnály z družc. Efektvta aktuální celkové konstelace kosmckého segmentu je vyjádřena pro každé provedené měření parametrem, který se nazývá zhoršení přesnost angl. Dluton of Precson (DOP). Podle nastavených parametrů a nstrukc generuje družce řídcího segmentu nosnou vlnu sgnálu s dálkoměrným kódem pro plotní sgnály. Pokud se jedná o tzv. datový sgnál, je navgační zpráva sgnálu získáván z pamět družce, do které j nahrála některá ze specalzovaných stanc řídcího segmentu. Ačkolv je kosmcký segment schopen fungovat autonomně, například v případě systému GPS až 180 dnů (JPO, 2004), docházelo by velm rychle k zhoršení přesnost určení polohy a času, pokud by nebyly navgační zprávy družc pravdelně aktualzované. 65

Komponenty obecné archtektury GNSS Obsah navgačních zpráv se sestavuje na základě pozorování družce stancem řídcího segmentu. Navgační družce se skládá z mnoha subsystémů. Zjednodušeně lze uvést následující subsystémy. Subsystém navgační a datové jednotky hw a sw který slouží k sestavení sgnálu družce, ke kontrole a k řízení družce. Subsystém atomových osclátorů tvoří atomové hodny a frekvenční syntetzér. Subsystém slouží k odvození základní frekvence družce a je její časovou základnou, ze které jsou následně odvozovány jednotlvé složky sgnálů. Anténní subsystém slouží pro vysílání navgačních sgnálů k užvatelům GNSS. Subsystém dále slouží pro komunkac družce s řídcím segmentem a předávání telemetrckých dat družce. V neposlední řadě anténní subsystém zajšťuje komunkac družce s ostatním družcem konstelace. Energetcký subsystém a solární jednotky Subsystém stablzace družce na oběžné dráze Pohonný subsystém 3.2.2 Řídcí segment Řídcí segment je tvořen stancem, které zajšťuj, provoz celého navgačního systému. Stance řídcího segmentu všech GNSS musí, plnt obdobné úkolu jako jsou; montorování konstelace družc, montorování sgnálů družc, sestavování navgačních zpráv družc, udržovat systémový čas GNSS 66

Komponenty obecné archtektury GNSS a zajšťovat komunkac s družcem. Řídcí segment v neposlední řadě také komunkuje směrem k užvatelskému segmentu, kterému přes různé komunkační kanály, např. emal, web sděluje nformace o plánovaném stavu kosmckého segmentu. Další významnou funkc řídcího segmentu je garantování stanovených standardů a deklarovaných výkonnostních parametrů služeb pro užvatelský segment, ke kterým se zavázal provozovatel GNSS systému. Řídcí segment se skládá ze sítě: pozemních stanc a komunkační nfrastruktury. Stance řídcího segmentu, které lze rozdělt do několka skupn, podle čnnost, které vykonávají. Čnnost jednotlvých typů stanc mohou být v rámc daného GNSS sloučeny do jednoho typu stance, nebo mohou být dekomponovány na dílčí čnnost a následně delegovány na vyhrazené typy stanc. Například Navstar GPS má stance označované angl. Ground Antena. Ty svou čnnost pokrývají role stanc pro komunkac, telemetrckých a povelových stanc a zároveň slouží jako montorovací. Řídcí stance (MCS angl. Man Control Staton) je centrální uzel řídcího segmentu, který slouží k plánování provozu systému, plánován údržby systému a řízení systému. Data získána z ostatních stanc řídcího segmentu jsou odesílané právě do řídcí stance systému, kde jsou následně zpracovávaná. Zpracovaná data jsou základem pro sestavení obsahu navgačních zpráv. Ty jsou následně dstrbuované přes ULS stance k jednotlvým družcím konstelace. Řídcí segment většnou spravuje také systémový čas daného GNSS systému. 67

Komponenty obecné archtektury GNSS Stance pro systémový čas GNSS stance pro odvození systémového času GNSS systému v případě, že tuto čnnost nevykonává řídcí stance systému. Stance pro komunkac s družcem (ULS z angl. Up-lnk Statons) stance slouží k nahrávání dat na družce. Povelové stance a stance pro telemetrcké sledování družc (TT&C z angl. Telemetry, Trackng and Command/Control) stance slouží k předávání povelů a získávání telemetrckých dat družc. Získána telemetrcká data družc jsou předávána do řídcí stance. Řídcí stance prostřednctví TT&C stanc řídí celou konstelac družc. Montorovací stance (MS z angl. Monstor Staton) stance slouží pro získávání sgnálů vysílaných družcem daného GNSS. Získaná data jsou předávána řídcí stanc. Komunkační nfrastruktura zahrnuje, jak komunkac mez jednotlvým stancem řídcího segmentu, tak komunkační rozhraní mez řídcím a kosmckým segmentem. Komunkace mez kosmckým a řídcím segmentem je zajšťována k tomu vyhrazeným stancem řídcího segmentu (ULS a TT&C). 68

Komponenty obecné archtektury GNSS 3.2.3 Užvatelský segment Užvatelský segment je tvořen užvatel vybaveným GNSS přjímač, kteří mohou určovat svou polohu, čas, rychlost a zrychlení. Společně s polohou a časem jsou užvatelé nformování o ntegrtě GNSS systému. Integrta GNSS systému (sgnálů) vyjadřuje míru důvěry ve správnost družcem vysílaných sgnálů a nformací. Integrta zahrnuje schopnost systému předat včas užvatel výstrahu, v případě, že by GNSS systém neměl být používán (ESA, 2013). Všechny GNSS systému rozlšují různé typy užvatelů. Mnmálně jsou vždy odlšené dva typy, které lze nazvat obecně jako: autorzované užvatelé a neautorzované užvatelé. Rozlšování jednotlvých užvatelů je řešeno na úrovn sgnálů družc. Kombnace sgnálů družc tvoří různé typy služeb, které pak mohou oprávnění užvatele, vybavení vhodným GNSS přístrojem, používat. Přesnost lokalzace a navgace, závsí právě na druhu služby, se kterou jejch přístroj umí pracovat. Prmárním účelem rozdělení užvatelů bylo, zajst různou mírů přesnost v lokalzac a navgac. Ačkolv jsou v GNSS defnované služby, je možné prostřednctvím vhodných metod měření, smazat rozdíl v dosahovaných přesnostech polohových a časových služeb mez autorzovaným a neautorzovaným užvatel. To zatím platí v plném rozsahu pro systém GPS a GLONASS. 69

Komponenty obecné archtektury GNSS 3.3 Prostorový referenční rámec V GNSS se pracuje s nebeským referenčním rámcem (CRF z angl. Celestal Reference Frame) a s terestrckým referenčním rámcem (TRF z angl. Terrestral Reference Frame). Systém CRF je označován jako kvaz-nercální referenční systém, který umožňuje detalně modelovat pohyb zemského tělesa a používá se pro výpočet efemerd družc. Pro účely navgace jsou, efemerdy družc transformovány do TRF, který je pevně spojen se Zemí a v němž určuje svou polohu užvatelský segment. Pro účely transformace z CRF do TRF systémů je nutné znát parametry rotace Zemského pólu, parametry precese a nutace Zemského pólu a parametry rotace Greenwch poledníku (Hofmann-Wellenhof, a další, 2008), (ESA, 2014). Vzhledem k obsahu publkace se dále systémem CRF nebudeme zabývat. 3.3.1 Terestrcký referenční systém Systémy TRF, které se používají v GNSS patří do kategore globálních, kontnuálních, trojrozměrných souřadncových systémů, vztažených k Zem, TRF systémy jsou také anglcky označovány jako ECEF (z angl. Earth Centered Earth Fxed). 70

Komponenty obecné archtektury GNSS Tvar zemského tělesa je zjednodušený na referenční elpsod. Polohu každého objektu v daném ECEF systému je možné vyjádřt dvěma typ souřadnc buď geocentrckým souřadncem (x, y, z), nebo geodetckým (zeměpsným) souřadncem (λ, φ, h), vz Obrázek 3-2. Referenční elpsod je jednoznačně popsaný sadou parametrů, které umožní odvodt tvar elpsodu matematckou cestou. Základním parametry popsu jsou: a velkost hlavní poloosy, 1/f převrácená hodnota zploštění, ω úhlová rychlost rotace Země, GM gravtační parametr. IERS Referenční poledník IERS Referenční pól Z [λ, φ, h] h IERS Referenční poledník IERS Referenční pól Z [X, Y, Z] Těžště Země φ Těžště Země λ X Y X Y Obrázek 3-2 Vyjádření trojrozměrné polohy bodu v TRF prostřednctvím geocentrckých kartézských souřadnc a pomocí geodetckých zeměpsných souřadnc. 71

Komponenty obecné archtektury GNSS Výšková měření v případě zápsu polohy v geodetckých (geografckých) souřadncích, jsou vztažená k ploše referenčního elpsodu. Avšak v prax jsou výšková měření odvozována od referenčního geodu, který lépe aproxmuje rozložení hmoty Země než elpsod a umožňuje snadnější realzac výškových měření. Výšková měřené vůč elpsodu jsou označována písmenem h nebo zkratkou HAE (z angl. Heght Above Ellpsod). 3.3.2 Geod Geod je tvořen ekvpotencální plochou, která se co nejvíce přmyká střední kldové hladně moří a oceánů, která je spojená pod kontnenty a která prochází zvoleným referenčním bodem. Povrch geodu nelze matematcky odvodt. Složtý průběh geodu se mapuje pomoc gravmetrckých měření a následně je matematcký aproxmován například použtím matematckých řad (NIMA, 2000). Výška nad geodem je označována H nebo zkratkou jako MSL (Mean Sea Level). Například rozdíl výšek nulové hladny mez referenčním elpsodem WGS-84 a geodem EGM-96 je od +85 metrů do -107 metrů. 72

Komponenty obecné archtektury GNSS Obrázek 3-3 Undulace elpsodu WGS-84 a geodu EGM-96. Falová barva znázorňuje absolutní hodnotu maxma poztvní hodnoty undulace. Červená barva znázorňuje absolutní hodnoty maxma negatvní undulace. 3.4 Časový referenční rámec Každý GNSS systém má vlastní systémový čas. Ten je udržován hlavní řídcí stanc, která odpovídá za synchronzac konstelace družc kosmckého segmentu. 73

Komponenty obecné archtektury GNSS Systémový čas GNSS je odvozen buď jako průběžný atomový čas, který je založen na SI defnc základní jednotky času, nebo je odvozen z nezávslé realzace unversálního koordnovaného času UTC (angl. Coordnated Unversal Tme). UTC čas je udržován jako atomový standard TAI (francouzsky Temps Atomque Internatonal), který je opravován na unversální čas UT 1. UT1 čas je odvozený od rotace Země s korekcí vlvu pohybu zemských pólu pro zeměpsnou délku časových pozorování. To je případ systémového času GLONASS, který je průběžně synchronzován s UTC SU. Více v kaptole 5.5 V případě používání průběžného atomového času, například GPS čas, je referenční škálou pro stanovení počáteční epochy systémového času, místní realzace času UTC (například UTC USNO ) více v kaptole 4.5. V rámc GNSS se pracuje také s tzv. družcovým časem. Družcový čas je odvozován od atomových hodn navgačních družc. Navgační družce bývají vybavené několka atomovým hodnam a to v závslost na GNSS systému a typu družce. Čas všech atomových hodn družce se průměruje a je základem dostatečně přesné a stablní časové a frekvenční základy pro družc. Za správné nastavení časové základny družc je odpovědná hlavní řídcí stance řídcího segmentu. 74

Komponenty obecné archtektury GNSS Hlavní řídcí stance provádí modelování chování a chyb hodn družc a vypočítává nezbytné korekce pro přepočet družcového času na systémový čas. Družce konstelace bývají časově synchronzovány s přesnost na jednotky nebo desítky nanosekund. Detaly o realzacích systémového času jednotlvých GNSS jsou uvedené v kaptolách 4.5, 5.5 a kaptole 6.5. Časová a btová synchronzace PRN kódu a navgační zprávy družce je klíčová pro přesné zjštění pseudovzdálenost. Z hledska nteroperablty systémů GNSS je dalším klíčovým aspektem nteroperablta systémových časů. Interoperabltu systému GPS a GLONASS je například zajštěná na úrovn navgačních zpráv družc GLONASS, které obsahují data s korekcem GLONASS času na čas GPS. 3.5 Sgnály Sgnály a jejch skladba je další charakterstckým prvkem pro každý GNSS. S ohledem na hstorcké důvody budování prvních GNSS (vojenské systémy), byly sgnály strukturovány tak, aby umožňovaly sestavení dvou nezávslých služeb pro autorzované a pro neautorzované užvatele. U nově budovaných systémů a př modernzac stávajících systémů se počítá s větším množstvím sgnálů, které umožní defnovat více různých typů služeb. 75

Komponenty obecné archtektury GNSS Sgnál se skládat z několka část. Sgnál se skládá z: nosné vlny, pseudonáhodného kód a navgační zprávy (nemusí být vždy součást sgnálu) více v kaptole 2.4. V jedné nosné vlně může být několk různých sgnálů, které jsou určené pro různé užvatele. Použtí více než jednoho sgnálu umožňuje řídt přesnost a kvaltu polohových, časových a navgačních služeb pro různé typy užvatelů. Sgnály vysílané GNSS a nebo plánované sgnály GNSS vz Tabulka 3-1. Modernzací sgnálů je možné postupně zlepšovat výkonnostní parametry systémů. Modernzace sgnálů je vázána především na modernzac kosmckého segmentu. 76

Komponenty obecné archtektury GNSS GPS GLONASS Galleo COMPASS 1 Současné 2 sgnály L1C/A L1P L1SP (C/A) L1HP (P) B1I B2I L2P L2SP (C/A L1M L2HP (P) L2M Budoucí sgnály L1C L2C L3 L3-I L3-Q L1 E1 E2 E5 E5a E5b B1Q B2Q L5 L5-I L5-Q E6 B3 Tabulka 3-1 Navgační sgnály GNSS v současnost a po plánované modernzac GNSS (stav březen 2014) 3.5.1 Nosná vlna Nosná vlna je základem sgnálů. Všechny GNSS využívají mnmálně dvě základních frekvencí, jako základ pro své sgnály. Použtí dvou nosných vln je klíčové pro odstranění vlvu onosféry na sgnály. 1 Pojmenování vychází z (CSNO, 2013). 2 Za současné sgnály jsou považovány takové, které jsou použtelné pro navgační, polohové a časové výpočty. Ofcálně jsou ve stavu FOC (angl. Full Operatonal Capablty) 77

Komponenty obecné archtektury GNSS Frekvence nosné vlny jsou v GNSS záměrně zvolené v L-pásmu jako komproms, který zohledňuje požadavky na služby GNSS, nepříznvé efekty ovlvňující šíření nosné vlny atmosférou a techncké specfkace vysílačů (družc) a GNSS přjímačů. Ionosféra nežádoucím způsobem ovlvňuje čas, který sgnál potřebuje k tomu, aby dorazl z antény navgační družce do antény GNSS přístroje. Protože exstuje, pro rádové vlny v L-pásmu, závslost mez mírou onosférckého zpoždění a frekvencí nosné vlny sgnálu, je možné, u sgnálů vyslaných z jednoho vysílače na dvou různých frekvencích, určt, jak byly sgnály na obou frekvencích onosférou ovlvněny. Následně je možné vlv onosféry na měření elmnovat. Více v kaptole9.4.1, 10.5.4. 3.5.2 Pseudonáhodný (dálkoměrný) kód Pseudonáhodný (PRN) dále slouží k: nalezení družce, dentfkac družce, k určení pseudovzdálenost k družc, proto je někdy označován jako dálkoměrný, a také jako jeden z prostředků k řízení přístupu k sgnálům. PRN kód je délkou přesně ohrančená posloupnost btů, které jsou vysílány defnovanou rychlostí. Posloupnost btů kódu, přestože vypadá jako náhodná, je jednoznačně defnovaná a je unkátní pro každou z družc navgačního systému. 78

Komponenty obecné archtektury GNSS Z hledska charakterstk se jednotlvé pseudonáhodné kódy lší. Pro účely dalšího vysvětlení budeme rozlšovat dva extrémy: pomalé a krátké kódy a dlouhé a rychle kódy. Délka kódu 3 bty Délka kódu 24 btů Za 1 ms překoná sgnál s kódem 300 km. Pomalý kódu - 5 b/ms Délka kódu 24 b Rychlý kódu - 10 b/ms Délka kódu 24 b 60 km 60 km 60 km 60 km 60 km 30 km 30km 30 km 30 km 30 km 30 km 30 km 30 km 30 km 30 km Dlouhý kód - 24 b Rychlost kódu 5 b/ms Krátký kód - 3 b Rychlost kódu 5 b/ms bt 0 bt 1 Úplná sekvence kódu Obrázek 3-4 Ilustrační schéma srovnání dlouhých a krátkých PRN kódu a rychlých a pomalých PRN kódů. Pomalé a krátké kódy se hodí k rychlé a jednoznačné dentfkac družce. Dlouhé a rychlé kódy se hodí k dálkoměrným měřením, vz Obrázek 3-4. 79

Komponenty obecné archtektury GNSS Dálkoměrné pseudonáhodné kódy, umožňují zpracování navgačního sgnálů v reálném čase, umožňují kódové dělt (CDMA) sgnál pro odlšení zdroje sgnálů, redukují vlv nterferencí a umožňuj demodulac navgační zprávy, a to navzdory faktu, že je sgnál družc velm slabý (Hofmann-Wellenhof, a další, 2008). Pseudonáhodné kódy mají kromě výše uvedených charakterstk také jednu další důležtou vlastnost. Násobením sgnálů s PRN kódem a jeho vygenerovanou replkou v přjímač, dojde k zesílení zpracovávaného sgnálů a ndkac, že daný sgnál obsahuje hledaný dálkoměrný kód. Například C/A-kód systému GPS je krátky (1023 b) a pomalý (1.023 Mb/s). Tyto jeho vlastnost z něj dělají deální kód pro detekc navgačního snálu družce a dentfkac zdroje. C/A-kód je na druhou stranu krátký. Jeho trvání je 1ms to je ekvvalentem vzdálenost, kterou sgnál za tuto doku urazí cca 300 km. Družce systému GPS mají výšku oběžné dráhy kolem 20 200 km. Tzn. že k pokrytí vzdálenost mez družc a užvatelem je nutno mnmálně 68 opakování celého C/A-kódu. Tzn. C/A-kód je nejednoznačný pro měření pseudovzdálenost a tudíž nevhodný pro dálkoměrná měření. Tzn. 1 bt C/A-kódu odpovídá vzdálenost necelých 300 m. 80

Komponenty obecné archtektury GNSS Naprot tomu sekvence P-kódu v sgnálu družc systému GPS vyhrazená jedné družc je dlouhá 6 187 100 000 000 btů (JPO, 2004) a trvá 7 dní, než je celá odvysílána rychlostí 10,23 Mb/s. I Tzn. délka P-kód pokryje potřebnou vzdálenost z družce k Zem přblžně 9 10. Tzn. 1 bt P-kódu odpovídá vzdálenost necelých 30 metrů. Tzn. je vhodný pro dálkoměrná měření. 3.5.3 Navgační zpráva Navgační zpráva obsahuje data, která GNSS přístroj potřebuje ke správnému stanovení polohy družce v prostoru a čase. Navgační zpráva dále obsahuje časové značky pro měření pseudovzdálenost prostřednctvím dálkoměrného kódu. Struktura navgačních zpráv se lší nejen mez jednotlvým GNSS, ale také mez jednotlvým sgnály jednoho GNSS. Navgační zpráva se skládá z datových bloků, které mají pevně defnovanou velkost v btech, defnovaný čas potřebný pro odvysílání každé část navgační zprávy. Platí pro systémy GPS a GLONASS. Navgační zpráva je členěné do bloků nebo do paketů (novější typy navgačních zpráv). 81

Komponenty obecné archtektury GNSS Pojmenování bloků se lší systém od systému. Obsah navgační zprávy se obecně dělí na dvě část. Data vztahující se k družc Data obsahují efemerdy družce, korekce hodn družc, data o zdravotním stavu družce a další systémová data družce nezbytná pro navgační úlohu. Pokud navgační zprávu rozdělíme na uzavřenou sadu s konstantním počtem stránek (bez ohledu na skutečnou mplementac navgační zprávy), jejchž obsah se opakuje s defnovaným časovým ntervalem, pak kompletní data se vztahem k vysílající družc, jsou většnou vysílána v každé stránce navgační zprávy. GNSS přístroj je schopný stanovt polohy družce, opravu jejch hodn a zdravotní stav, po stažení obsahu jedné celé stránky, nebo její část, kde se data k družc nacházejí. Data popsující stav konstelace Data se skládají z almanachu systému, ndkac zdravotního stavu družc v konstelac a dalších systémových nformací. Data popsující konstelac jsou co do velkost, nepoměrně rozsáhlejší, než data vztahující se jen k družc a proto se na každé stránce objevuje jen část těchto dat. Pro získání kompletní sady dat o celé konstelac družc je nutné stáhnou všechny stránky navgační zprávy. 82

Komponenty obecné archtektury GNSS Například navgační zpráva družc systému GPS pro cvlní sgnály je dlouhá 12,5 mnuty. Skládá se z 25 rámců (stránek), které jsou dlouhé 30 sekund. V prvním a třetím podrámc (větě) každé stránky jsou data vztahující se k vysílající družc. Ve zbývajících dvou větách stránky jsou data vztahující se ke konstelac. Polohu a čas družce, včetně zdravotního stavu družce, zjstí přístroj nedříve za 18 sekund (nejdéle 30). Kompletní nformace o celé konstelac zjstí přístroj z jedné družce nejdříve za 12,5 mnut. 3.6 Služby Slouží k vymezení typů užvatelů užvatelského segmentu. Služba je defnována sgnály, které jsou v rámc služby dostupné. Užvatel určtého typu služby musí být vybaven přístrojem vhodným pro dekódování sgnálů vybrané služby. V každém GNSS jsou mnmálně dva typy služeb pro autorzované a pro neautorzované užvatelé. Na základě služeb dnes jž exstujících a budovaných GNSS systémů (ESA, 2013), (ESA, 2013), (ESA, 2012) je možné zobecněním dojít k následujícím typům polohových a časových služeb GNSS služeb. Otevřené služby (OS angl. Open Servces) Služby jsou určené pro neautorzované užvatele, mají ve srovnání s ostatním službam nžší přesnost určovaných velčn. Služby mají relatvně nízkou nebo negarantovanou ntegrtu. 83

Komponenty obecné archtektury GNSS Komerční služby (CS angl. Commercal Servces) Služby jsou pro vyhrazené užvatele. Služby využívají komerční šfrování a mají garantovanou kvaltu a dostupnost. Služby mohou mít garanc ntegrty služby a mohou obsahovat přdaná data, která jsou nad rámec dat v navgační zprávě, potřebných pro určení polohy a času. Služby vysoké bezpečnost (SoL angl. Safety-of-Lfe) Služby pro specalzované aplkace například v segmentech dopravy, záchranných a krzových složek, které vyžadují vysokou ntegrtu služby. Na službě závsí žvoty nebo by mohlo v důsledku nedetekovaného selhání služby dojít k velkým materálním škodám. Služby mají garantovanou kvaltu a dostupnost. Integrta služby je prortní Vyhrazené služby státu a vojenským účelům Služby nekomerčního charakteru s nekomerčním šfrováním vyhrazené pro složky státu například armáda, slové složky, daňové a celní úřady, fnanční správa. Služby mají relatvně vyšší přesnost v určování polohy, je garantována lepší ntegrta služeb. V současné době jsou běžně mplementované služby vyhrazené státu (služby pro nekomerční autorzované užvatelé) a otevřené služby. S modernzací stávajících GNSS systému a budováním nových GNSS se mplementují služby typu SoL. Stav mplementace různých typů služeb vz. Tabulka 3-1. Specfkac služby provádí provozovatel systémů a ten také prostřednctvím řídcího segmentu garantuje dodržování předepsaných výkonnostních parametrů služeb. 84

Komponenty obecné archtektury GNSS K základním výkonnostním parametrům služeb patří: dostupnost, pokrytí, ntegrta, přesnost pseudovzdálenost sgnálu v prostoru, polohová přesnost, přesnost určení času, rychlost a zrychlení. Více v kaptole 4.7.1. Služby jsou specfkované pro určtou sadu podmínek, což znamená, že př skutečném měření, př nedodržení stanovených podmínek, nemusí být kvaltatvní parametry služeb v defnovaných hodnotách. 85

Komponenty obecné archtektury GNSS GPS GLONASS Galleo COMPASS Současné 3 služby SPS (OS) Standard Postonng Servce PPS Precse Postonng Servce SP (OS) Standard Precson HP (AS) Hgh Precson OS Open Servce AS Authorzed Servce Budoucí služby SOL Safety of Lfe SOL Safety of Lfe OS Open Servce CS Commercal Servce PRS Publc Regulated Servce SOL (SAR) Search and Rescue Tabulka 3-2 Služby GNSS systému dostupné v současnost a po modernzac nebo dobudování GNSS (stav březen 2014). 3 Za současné sgnály jsou považovány takové, které jsou použtelné pro navgační, polohové a časové výpočty. Ofcálně jsou ve stavu FOC (angl. Full Operatonal Capablty) 86

Komponenty obecné archtektury GNSS Otázka 3.1 Označte všechny správné odpověd. Které pojmy popsují významné prvky GNSS? a) Kosmcký segment b) Sgnály a služby c) Systémový čas GNSS d) Telekomunkační družce e) Užvatelský segment f) Prostorový referenční systém g) Řídcí segment h) Dgtální mapy? Otázka 3.2 Označte všechny správné odpověd. Odpověd se mohou vzájemně doplňovat. Jak byste charakterzoval kosmcký segment GNSS? a) Konstelace umělých družc Země, snímající Zemský povrh. b) Družce, ke kterým se užvatelé GNSS během svého měření aktvně přpojují. c) Konstelace umělých družc Země, vysílající sgnály k Zemskému povrchu. d) Konstelace družc, které jsou vůč Zem relatvně statcká a jejchž polohu na orbtech známe. e) Konstelace družc, které se vzhledem k Zem pohybují a jejchž polohu známe. f) Družce konstelace vysílají v sgnálech multmedální zprávy (obsah) a dálkoměrné kódy. g) Družce konstelace vysílají v sgnálech navgační zprávy a dálkoměrné kódy.? 87

Komponenty obecné archtektury GNSS Otázka 3.3 Označte jednu správnou odpověď. Která skupna vět nejlépe popsuje řídcí segment GNSS? a) Montoruje konstelac družc. Skládá se z různých typů stanc. Sestavuje obsah navgačních zpráv všech družc konstelace. Odpovídá za systémový čas GNSS. Užvatelský segment běžně s řídcím segmentem komunkuje prostřednctvím svých GNSS přjímačů. b) Montoruje a řídí přístroje užvatelů GNSS. Skládá se z různých typů stanc. Montoruje ntegrtu sgnálů družc v konstelac. Odpovídá za systémový čas GNSS. Součást jsou družce GNSS. c) Montoruje konstelac družc. Montoruje ntegrtu sgnálů družc v konstelac. Skládá se z různých typů stanc. Sestavuje obsah navgačních zpráv všech družc konstelace. Informuje užvatelský segment o plánovaných změnách v konstelac, které by mohly ovlvnt kvaltu služeb GNSS. Odpovídá za systémový čas GNSS.? 88

Komponenty obecné archtektury GNSS Otázka 3.4 Spojte odpovídající s pojmy v prvním a druhém sloupc. Správně přřaďte typ stance k základní charakterstce stance.? 1) Řídcí stance 2) Stance pro komunkace s družcem 3) Povelové stance a stance pro telemetrcké sledování družc 4) Montorovací stance a) Získává sgnály z vdtelných družc a předává získaná data řídcí stanc. b) Slouží pro ovládání a sledování družc a k odesílání povelů družcím. Data ze sledování jsou odesílaná ke zpracování. c) Slouží pro nahrávání navgačních dat do pamět družc. d) Slouží k řízení kosmckého a řídcího segmentu GNSS. Otázka 3.5 Označte jednu správnou odpověď. Jak byste nejlépe charakterzoval užvatelský segment? a) Tvoří jej užvatele vybavení vhodným GNSS zařízením, kteří určují svou polohu. b) Tvoří jej vhodná GNSS zařízení. Zařízení určuje svou polohu, čas, rychlost a zrychlení. c) Tvoří jej užvatele vybavení vhodným GNSS zařízení, kteří určují svou polohu, čas, rychlost a zrychlení. Užvatelé se mohou dělt na autorzované a neautorzované.? 89

Komponenty obecné archtektury GNSS Otázka 3.6 Označte jednu správnou odpověď. Které referenční těleso tvoří základ prostorových referenčních systémů v GNSS? a) Geod a) Elpsod b) Koule? Otázka 3.7 Spojte odpovídající s pojmy v první sloupc (pojem nadbývá) a druhém sloupc. Přřaďte trojc souřadnc odpovídajícímu pojmenování souřadnc.? 1) [x, y, h] 2) [x, y, z] 3) [λ, ϕ, h] a) Kartézské geocentrcké souřadnce b) Geografcké souřadnce Otázka 3.8 Označte všechny správné odpovědí. Které dvě časové škály se používají v GNSS systémech? a) TAI b) UT0 c) UT1 c) UTC? 90

Komponenty obecné archtektury GNSS Otázka 3.9 Označte jednu správnou odpověď. Který pops nejlépe charakterzuje družcový čas? a) Je to čas, který je odvozený od atomových hodn družce a unkátní pro každou družc. Družcový čas je průběžně montorovaný a jeho chyba vůč systémovému času GNSS je modelovaná hlavní řídcí stanc. b) Je to unkátní čas družce odvozený na základě měření v hlavní řídcí stanc. Družcový čas je odvozený pro každou družc z UTC standardu a systémového času GNSS v hlavní řídcí stanc. c) Čas družce odvozený od atomových hodn družce a unkátní pro každou družc. Družcový čas s každá družce montoruje samostatně. Jeho chybu vůč systémovému času GNSS s družce modeluje sama na základě dat odvysílaných hlavní řídcí stanc.? Otázka 3.10 Označte jednu správnou odpověď. Co je nosná vlna sgnálů? a) Je doplňkem sgnálů navgačních družc. Družce mohou vysílat sgnály na více nosných vlnách s různým frekvencem. b) Je základem sgnálů navgačních družc. Družce vysílají sgnály alespoň na dvou nosných vlnách s různou frekvencí. To umožní odstrant vlv onosféry na dálkoměrná měření. c) Je základem sgnálů navgačních družc. Družce vysílají sgnály jen na jedné frekvenc.? 91

Komponenty obecné archtektury GNSS Otázka 3.11 Označte všechny správné odpovědí. K čemu může sloužt pseudonáhodný kód v sgnálech družc? a) K dentfkac družce. b) Ke kalbrac dálkoměrných měření. c) K vyhledání družce. d) K posílání dat o poloze a čase družc. e) K provedení dálkoměrných měření. f) K řízení přístupu k sgnálům družc. g) K posílání systémových dat o konstelac družc GNSS.? 92

Komponenty obecné archtektury GNSS Otázka 3.12 Označte jednu správnou odpověď. Která skupna sousloví nejlépe charakterzuje navgační zprávu? a) Slouží k předávání potřebných data z družce do přjímače v sgnálech družc. / Obsahuje stavové nformace o družc. / Obsahuje stavové nformace o konstelac. / Obsahuje časové značky odvysílání sgnálu. / Je součást datových sgnálů. b) Slouží k předávání potřebných data z družce do přjímače přes Internet / Obsahuje stavové nformace o družc. / Obsahuje stavové nformace o konstelac. / Obsahuje časové značky odvysílání sgnálu. / Je součást plotních sgnálů. c) Slouží k předávání potřebných data z družce do přjímače přes Internet. / Obsahuje stavové nformace o družc. / Obsahuje stavové nformace o konstelac. / Obsahuje časové značky odvysílání sgnálu. / Je součást datových sgnálů.? 93

GPS Navstar 4 GPS Navstar V této kaptole se seznámíte s kosmckým segmentem a řídcím segmentem amerckého systému GPS Navstar. Dozvíte se, jak jsou oba segmenty koncpovány, jaké plní role v celé archtektuře systému GPS. U kosmckého segmentu budete obeznámení s blžší charakterstkou celé konstelace navgačních družc a s jednotlvým generacem družc. U řídcího segmentu budete nformování o jednotlvých typech stanc řídcího segmentu. Dále se v kaptole dozvíte základní nformace o prostorovém referenčním rámc WGS 1984, který je základem pro určování polohy v systému GPS, a o systémovém času GPS a jeho realzac. Tak vám bude přblížen vztahu GPS času a družcovému času GPS. Po přečtení posledních dvou část kaptoly budete znát, jaké sgnály družce GPS vysílají v současnost a jak se bude rodna sgnálů rozšřovat v budoucnu. U současných sgnálů detalněj poznáte jejch strukturu. V návaznost na sgnály budete obeznámení se základním službam GPS a jejch vybraným kvaltatvním parametry. Odhadovaný čas 120 mnut 94

GPS Navstar 4.1 Hstore 1970 1976 prosnec 1978 1980 1982 1984 1988 1991 1993 1994 1995 1996 V roce 1972 vzdušné síly USA demonstrují úspěšně koncept nového navgačního systému, který používá dálkoměrné družcové sgnály postavené na pseudonáhodném kódu (Pace, a další, 1995). Formulace potřeby navgačního systému pro operace ve vzduchu, na zem a na moř. Přjato rozhodnut o nasazení jednotného kosmckého navgačního systému GLONASS. Dokončení technckého plánu vývoje. Návrh budoucích parametrů systému. Koncept je označovaný jako System 621B. S použtím horkovzdušného balónu a pozemních vysílačů, smulujících družce, je určovaná poloha letadla přelétajícího oblastí s přesnost na stovku ml (Pace, a další, 1995). První prototyp družc pro pozemní testy. Přepracovaní návrhu vývojových družc První dvě vývojové družce vynesené na oběžnou dráhu. Následuje dalších 43 družc a 5 testovacích (do roku 1991). Dosažená testovací konstelace čtyřech družc. V dubnu 1973 zástupce mnstra obrany pověřuje vzdušné síly USA ke konsoldac dílčích projektů a snah o vybudování nového navgačního systému do jedného projektu mnsterstva obrany. Projekt měl být původně označován jako Defense Navgaton Satellte System (DNSS). Sovětský svaz nabízí světové veřejnost použtí sgnálů GLONASS zdarma. Rozpad sovětského svazu. Hotova konstelace 10-12 družc. Zjštěné nterference nosné vlny sgnálů družc s frekvencem pro radoastronomcká pozorování. Systém GLONASS byl prohlášen dekretem prezdenta RF za plně funkční. Vývoj nového systému byl v prosnc 1973 svěřen pod vedením JPO (angl. The GPS Navstar Jon Program Offce). JPO dostalo povolení k vybudování systému s označením GPS Navstar (dále jen GPS). Byla zahájena první etapa, budován Vypuštěno sedm trojc družc GLONASS. Dosaženo plné konstelace 24 družc. Zpřístupněn SP-kód (C/A) veřejnost. Oznámeno dosažení FOC. 1973 prosnec 1974 1975 1978 1983 1985 1989 1991 1993 1994 1995 JPO zahajuje projekt DNSS. (dnes známý jako GPS Navstar). První testovací družce NTS-1 a NTS-2. JPO pověřená dohledem nad vývojem řídcího segmentu, kosmckého segmentu a GPS přjímačů. Vypuštěná vývojová družce GPS Blok I. DoD revduje parametry SPS. DoD doporučuje uvolnt SPS pro veřejnost. SSSR sestřeluje cvlní Korejské letadlo nad Sachalnem - prezdent R. Regan odtajňuje systém GPS Poslední družce bloku I na orbtě. První družce z 29 družc bloku II na orbtě. Aktvována selektvní dostupnost (SA). Nasazení GPS v první válce v Iráku. Dosažen IOC. Schválení zpřístupnění GPS veřejnost. Dosažení FOC 24 družc bloku II (U.S. Ar Force, U.S. Coast Guard's). Aktvován A-S. Oznámeno dosažení FOC. Obrázek 4-1 Přehled hstore GPS 1973-1995 95

GPS Navstar systému GPS. JPO byla zřízená pří vesmírné dvz veltelství systémů vzdušných sl USA. V JPO jsou zastoupeny všechny složky armády USA, amercká pobřežní stráž, NATO, NGA (Natonal Geospatal-Intellgence Agency) a Austrále. Běhen následujících 21 let byl vybudován: prmárně vojenský systém, který umožňuje prác také cvlním užvatelům. Systém poskytuje svým užvatelům nepřetržtou trojrozměrnou navgac v prostoru a čase. Navgační sgnály družc jsou dostupné na celém povrchu Země a v přlehlém kosmckém prostoru, jedná se o pasvní radonavgační systém. Navgační služby systému jsou pro autorzované (převážně vojenské) užvatele neautorzované užvatele zcela zdarma. Náklady spojené s provozem, údržbou a rozvojem systému jsou placené z rozpočtu USA. V období 1974 1979 byla etapa detalního ověření všech koncepcí a návrhů, která vedla k fnálnímu návrhu archtektury systému a jeho komponent. Toto období je charakterstcké testováním prvních verzí GPS přjímačů v testovacím armádním polygonu v Arzoně, kde smulovaly družce tzv. pseudolty nad kterým přelétala letadla, helkoptéry, v jejchž blízkost jezdla auta a pěší jednotky vybavené prototypy GPS přístrojů. V této fáz byl vybudován prototypový řídcí segment (Pace, a další, 1995). 96

GPS Navstar V období 1980 1989 přechází systém do etapy plného vývoje celého systému. V tomto období je budována konstelace družc a řídcí segment. Nejprve je budovaná konstelace tzv. vývojových družc bloku I. 1996 1996 1996 V období let 1990 1994 byl dokončený kosmcký segmentu. V tomto období bylo dosaženo plného obsazení, všech projektovaných 24 slotů na oběžných drahách, operačním družcem bloku II. Ty na rozdíl od družc bloku I zahrnovaly prvky, selektvní dostupnost (SA) a Ant-Spoofng (A-S), pro zajštění bezpečnost systému. Družce měly zlepšené montorování ntegrty sgnálů a byly odolnější a spolehlvější (Pace, a další, 1995). 2000 2001 2006 2007 2011 2012 Oznámeno dosažení FOC. Publkován Interface Control Document GLONASS s popsem struktury sgnálů. Dekret o dvojím použtím GLONASS. Degradace kosmckého segmentu: Nízká žvotnost GLONASS družc. Špatná ekonomcká stuace Ruské federace. V konstelac zbývá jen 6-8 funkčních družc. Program na obnovu systému GLONASS: Dekret č.587 Federal Dedcated Program Global Navgaton System 2002-2011. Setkání GPS-GLONASS pracovní skupny pro nteroperabltu a kompatbltu. Dekretem prezdenta je garantovaný volný přístup ke všem sgnálům GLONASS. Vypuštěna první družce GLONASS-K. Dosažení plná konstelace (GLONASS-M) Družce GLONASS-M Cvlní sgnály SP-kódu na L1 a L2. Autorzace k odstranění SA (prověřování opodstatnění SA každý rok). 2. Květen - zrušena SA. Družce bloku IIF (sgnál L5). V roce 1995 systém ofcálně dosáhl plné operační způsoblost - FOC (angl. Full Operatonal Capablty). Interoperablta s GPS. GPS byl uveden do plného provozu po sér provozních zkoušek. Systém poskytuje dvě navgační služby. Tzv. standardní polohovou službu angl. Standard Postonng Servce (SPS) a přesnou polohovou službu angl. Precse Postonng Servce (PPS). Oprot prvotním plánům, kdy měl být systém ryze vojenský a jeho exstence byla utajována, byl GPS, na doporučení mnsterstva obrany angl. Department of Defense (DoD) a mnsterstva dopravy angl. Department of Transportaton (DoT), z rozhodnutí prezdenta USA zpřístupněn pro cvlní užvatelé. K tomu došlo v roce 1983. Pro neautorzované užvatele 2005 2010 1995 1996 1997 1998 2000 2004 2008 2010 Oznámeno dosažení FOC. Družce bloku IIR-M (sgnály L2C a M-kód). DoT a DoD oznamují dvě nové cvlní frekvence L2C a L5 (od družc bloku IIF) QUALCOMM předvádí A-GPS. Rozšíření řídcího segmentu o stance NGA. Obrázek 4-2 Přehled hstore GPS 1995-2010 97

GPS Navstar byla vyhrazená tzv. standardní polohová služba (SPS), zatímco autorzovaným užvatelům tzv. přesná polohová služba PPS (Rosett, 2014). K zpřístupnění GPS pro cvlní účely přspělo mmo jné nešťastné sestřelení korejského cvlního letadla KAL 007 nad poloostrovem Sachaln 1. září 1983 (Rosett, 2014). Pro odlšení neautorzovaných užvatelů (převážně cvlní) a autorzovaných užvatelů byly do systému zabudovány dva mechansmy umožňující kontrolovat přístup jednotlvých užvatelů k sgnálům družc. Jedním z přjatých opatření byla tzv. selektvní dostupnost angl. Selectve Avalablty (SA), která vedla k výraznému a záměrnému snížení přesnost všech polohových a časových měření neautorzovaných užvatelů. SA byla plně aktvována od FOC. Od roku 1996 byla každoročně prověřována opodstatněnost SA. Z nařízení prezdenta USA byla 2. května 2000 SA vypnutá, což napomohlo dalšímu rozvoj GPS a jeho ještě většímu rozšíření v cvlním sektoru. Od dosažení FOC je systém průběžně modernzován. Modernzace se týká všech jeho segmentů. V případě kosmckého segmentu bylo už v roce 1998 oznámeno přdání dvou nových cvlních sgnálů. Ty jsou dostupné s novým generacem družc bloku IIR-M a IIF více v kaptole 4.6.2. V letech 2005-2008 byla rozšířená síť stanc řídcího segmentu GPS o stance agentury NGA, které zhustl původní síť pět pozorovacích stanc řídcího segmentu více kaptola 4.3. 98

GPS Navstar 4.2 Kosmcký segment GPS Konstelace Kosmcký segment byl v prvopočátcích založen na vývojových družcích bloku I (družce první generace). V době dosažení FOC bylo na svých orbtech 24 družc bloku II/IIA (družce druhé generace). Jejch konstelace byla označovaná jako 21+3. Systém podle (DoD, 1995) počítal s mnmálním počtem dvacet jedna operačních družc a třech záložních družc. Označení konstelace 23+4 Celkový počet družc na orbtech 32 Počet orbtální rovn 6 (označení A až F) Počet slotů na orbtální rovnu Tvar orbty Výška orbty Inklnace oběžných drah Aktvní bloky Oběžná doba 5 druž. v A 4 druž. v B 6 druž. v C 5 druž. v D 6 druž. v E 5 druž. v F Elptcký téměř kruhový 20 200 km 55 8 x IIA 12 x IIR 7 x IIR-M 4 x IIF 11 h 58 mn Tabulka 4-1 Parametry konstelace GPS (stav k prosnc 2013) 99

GPS Navstar Od družc bloku II/IIA byl zavedeny dvě metody řízení přístupu užvatelů k sgnálům družc. První je selektvní dostupnost (SA) a druhou metodou je průběžné šfrování (A-S) více v kaptole 9.3.3. Družce bloku II/IIA vysílaly dva sgnály na dvou frekvencích L1 a L2, které jsou základem přesné polohové služby PPS a standardní polohové služby SPS. Kosmcký segment prochází postupnou modernzac a byly postupně od roku 1997 nahrazovány zdokonaleným družcem bloku IIR/IIR-M (třetí generace). Družce IIR-M vysílají nový cvlní sgnál L2C a nový vojenský kód označovaný jako M-kód ve dvou sgnálech (L1M a L2M). L2C sgnál je vysílán zatím (březen 2014) bez modernzované navgační zprávy s názvem CNAV. Použtelnost nových frekvencí a sgnálů je závslá na počtu aktvních družc daného bloku. Například pokud není zaručeno nepřetržté pokrytí sgnálem L2C mnmálně 4 družcem bloku IIR-M, není zaručena kontnuta nového L2C sgnálu, přestože některé nové GPS přístroje jsou už pro příjem L2C navgačního sgnálu přpravené. K prosnc 2013 je na orbtech pouze 11 družc, které vysílají neúplný sgnál L2C. FOC pro L2C sgnál bude pravděpodobně dosaženo v roce 2016 (Gruber, 2011) Od roku 2010 jsou vypouštěny družce bloku IIF (družce čtvrté generace), které přnáší další cvlní frekvenc L5 se dvěma sgnály L5I a L5Q, který jsou určené především pro aplkace vyžadující vysokou bezpečnost angl. Safety of Lfe (SoL) Předpokládaným rokem dosažení FOC sgnálu L5 Sol je rok 2020 podle (Gruber, 2011) 100

GPS Navstar Ve vývoj jsou družce bloku III (družce páté generace). Ty budou umožňovat vypnutí SPS v oblastech válečných konflktů, která nahradí technku SA. Družce GPS jž od bloku IIF nepodporují metodu SA pro řízení přístupu k sgnálům. Dalším vylepšením v oblast sgnálů je dostupnost dalšího cvlního sgnálu s označením L1C. Předpokládaný rok dosažení FOC je podle (Gruber, 2011) rok 2026. V roce 2011 byla dokončena změna v konstelace družc GPS na novou konstelac 24+3. Cílem bylo zlepšt dostupnost sgnálů družc. Základní parametry kosmckého segmentu GPS k prosnc 2013 vz. Tabulka 4-1. Podle SPS specfkace (DoD, 2008) současná konstelace umožňuje pokrytí celého zemského povrchu a přlehlého prostoru do výšky 3000 km, s mnmální vdtelnost 6 družc př volném výhledu na oblohu, s překážkam na horzontu maxmálně do výšky 5. Reálně může být během dne vdtelných 12 až 13 družc GPS. 101

GPS Navstar Obrázek 4-3 Oběžná dráha družce GPS PRN-17 za 24 hodn - 24. února 2010 102

GPS Navstar Obrázek 4-4 Celá konstelace kosmckého segmentu GPS - 10. března 2014 v 12:00 UTC 103

GPS Navstar 4.2.1 Družce Každá družce GPS má přdělený jeden ze standardních pseudonáhodných (PRN) kódů. V konstelac je vyhrazeno 32 standardních PRN kódů pro dentfkac družc a 5 dalších nestandardních PRN kódu. Více o PRN kódech v kaptolách 3.5.2 a 4.6.1. Každá družce ndkuje příznak svého zdravotního stavu ve své navgační zprávě. Příznak oznamuje, zda je družce zdravá angl. Healthy, nebo nezdravá angl. unhealthy. Př provozu družce může dojít k plánovanému, nebo neplánovanému vyřazení družce ze zdravé konstelace družc. Plánované vyřazení družce z konstelace (dočasné) je oznamováno s předsthem užvatelskému segmentu v tzv. NANU (Notce Advsory To Navstar Users) zprávách, které dstrbuuje NAVCEN. Každý den je na základě souhrnu všech NANU zpráv vydáno doporučení pro užvatele GPS, které se nazývá OPS Advsory a ve kterém je souhrn aktuálních NANU a předpověď plánovaných operací kosmckého segmentu. NAVCEN angl. Navgaton Center provozuje služby a poskytuje nformace, které zvyšují bezpečnost, zabezpečení a efektvtu vodních cest USA a dále cvlních užvatelů GPS (NAVCEN, 2014). K plánovaným operacím, které vedou k dočasnému označení družce, jako nezdravé patří pravdelná údržba družc. Jedná se například o: delta-v manévr pro udržení polohy družce, 104

GPS Navstar C-feld tunng (nastavení základní frekvence), Ion Pump Operatons (operace spojené s údržbou atomových hodn), SW testy. V případě neplánovaného selhání družce GPS, jejího sgnálů nebo jeho část, může dojít k detekc selhání nebo anomále samotnou družcí. Pokud je problém detekován družcí, záleží na tom, zda byla detekována anomále v sgnálu družce nebo anomále v navgační zprávě. V případě detekce anomále v sgnálu, družce začne vysílat sgnál s nestandardním PRN kódem, tím se stane nevdtelná pro běžné GPS přjímače. Na tuto událost následně reaguje řídcí segment, který vyřadí družc z aktuální konstelace. Pokud je detekovaná anomále v obsahu navgačních dat družce, začne družce vysílat tzv. výchozí navgační zprávu namísto normální navgační zprávy. Celá operace v obou případech netrvá déle než 6 sekund. Návrat družce do normálního režmu zabere 6 až 24 sekund (DoD, 2008). Druhou ln ochrany je řídcí segment, jehož reakční časy, v případě, že anomále nebyla detekovaná samotnou družcí, jsou výrazně pomalejší. 4.3 Řídcí segment GPS Řídcí segment GPS je tvořen 21 stancem (březen 2014), které jsou rozmístěny po celém světě, vz Obrázek 4-5. Podle (DoD, 2008) se dělí řídcí segment do tří subsystémů: hlavní řídcí stance angl. Master Control Staton (MCS) a záložní hlavní řídcí stance angl. Backup Master Control Staton (BMCS), 105

GPS Navstar sítí čtyř pozemních stanc typu pozemní anténa angl. Ground Antennas (GA), a sítí globálně rozmístěných montorovacích stanc angl. Montor Statons (MS). Z pohledu obecně pospané archtektury GNSS v kaptole 3.2.2, plní stance typu pozemní anténa (GA) rol stance pro komunkac s družcem (ULS) a současně slouží jako stance povelová a telemetrcká (TT&C). Obrázek 4-5 Rozmístění stanc řídcího segmentu po roce 2008 (duben 2014). 106

GPS Navstar Stance řídcího segmentu slouží, mmo jné, jako sekundární jštění prot výpadkům a anomálnímu chování sgnálů vysílaných družcem. Prmární jštění realzují v případě potřeby samotné družce, které umí autonomně reagovat na některé anomále v sgnálu. 4.3.1 Hlavní řídcí stance Hlavní řídcí stance je stuovaná na základně letectva Spojených států amerckých Schrever v Coloradu. Stance je provozována U.S. Ar Force Space Command, Second Space Pozemní antény (GA) Montorovací stance (MS) Hlavní řídící stance (MCS) Příkazy Telemetre Nahrávání navgačních dat Řízení pozemních antén (GA) Status pozemních antén (GA) Funkce řízení sítě Správa datových přenosů Navgační data Dálkoměrná měření Řízení montor. Stanc (MS) Status montor. Stanc (MS) Funkce ověřování výkonu Kontrola výkony vzhledem k specfkacím Detekce selhání a vydání výstrahy Funkce řízení družc Generování příkazu Zpracování telemetre Generování dat pro nahrávání a řízení Polohové a časové funkce Zpracování dálkoměrných dat Odhad a predkce stavu družc Generování navgačních dat Obrázek 4-6 Systém řízení operací GPS. Převzato a překresleno z (DoD, 2008). 107

GPS Navstar Operaton Squadron. MCS plní v řídcím segmentu a jeho systému pro řízení operac klíčovou rol, vz Obrázek 4-6. V případě dlouhodobějšího výpadku MCS jsou operace řízení GPS předány do BMCS (záložní hlavní řídcí stance). 4.3.2 Stance pro komunkac Stance pro komunkac tvoří v současnost čtveřce stanc Ascenson Islands, Dego Garca, Kwajalen a Cape Canaveral. Na rozdíl od prvně třech jmenovaných stanc, není stance Cape Canaveral umístěna na vojenské základně. K stancím pro komunkac se počítá také dálkově řízena anténa patřící do sítě pro řízení družc letectva USA (Ar Force Satellte Control Network). Stance pro komunkace tvoří rozhraní mez řídcím segmentem a kosmckým segmentem. Všechny stance umožňují plně duplexní komunkac s družcem. V standardním režmu probíhá komunkace vždy mez jednou stanc sítě a jednou družc v daném čase. V případě potřeby je možné s dohledem MCS komunkovat smultánně s více družcem současně. Stance Cape Canaveral slouží jako místo předstartovních testu kompatblty nových družc. 108

GPS Navstar Základní čnnost stance pro komunkac jsou: Předávání povelů družcím. Předávání nstrukcí procesoru družc. Nahrávání navgačních dat na družce. Sběr telemetrckých údajů družc. 4.3.3 Montorovací stance Montorovací stance řídcího segmentu GPS jsou rozmístěny rovnoměrně globálně po celém světě. Praktcký všechny stance řídcího segmentu včetně MSC GA slouží jako montorovací stance. Před rozšířením sítě montorovacích stanc o stance NGA byly montorovací stance stuovány v Colorado Sprngs na základnách Ascenson Islands, Dego Garca, Kwajalen, Hawa a Cape Canaveral. Pouze stance na Hawa měla jen funkc montorovací stance. Každá z montorovacích stanc je přímo řízená MCS. Stance kontnuálně sbírají: Dálkoměrná, navgační data a data o místních meteorologckých podmínkách. 109

GPS Navstar Přístroje používané pro montorovací stance jsou ze třídy měřčských přístrojů. Jedná se o dvanáct kanálové přjímače typu all-n-vew, které byly vyvnuté specálně pro účel montorování sgnálů v řídcím segmentu GPS. Přjímače jsou schopné přjímat nezávsle sgnály L1 a L2. Přjímače: jsou řízeny dálkově, přjímají nestandardní GPS sgnály (nestandardní PRN kód nebo sgnál družc, které jsou označeny jako nezdravé), všechna jejch měření mají časovou značku, demodulovaný obsah navgačních zpráv není korgován s použtím samo opravného kódu, který je používán v navgační zprávě k odstraňování chyb, ke kterým může, př přenosu navgačních dat, dojít, jsou vybavené atomovým hodnam. Stance kontnuálně sledují P(Y) kód na frekvencích L1a L2. Ačkolv je C/A kód nutný pro zahájení měření, není nepřetržtě sledován. Surová data pseudovzdáleností a fázová data jsou sledována na frekvencích L1 a L2 v epoše 1.5 sekundy. Měření jsou prostřednctvím vyhlazování převáděná v MCS do 15 mnutových bloků měření. Fázová měření se používají k vyhlazení kódových měření. Proces vyhlazení umožní z měřených dat odstrant šum. Př zpracování jsou odstraněny odlehlé hodnoty měření a fázové skoky. Dvoufrekvenční data, jsou převáděna do tzv. onospherefree kombnace. 110

GPS Navstar 4.3.4 Modernzace řídcího segmentu Řídcí segment GPS prošel několka významným modernzacem v mezdobí let 2007 2011. L-AII (Incatva na zlepšení zděděné přesnost) V souladu s modernzačním plánem L-AII (angl. Legacy Accuracy Improvement Intatve) byla základní síť stanc montorovacích stanc rozšířena o nové montorovací stance NGA (angl. The Natonal Geospatal-Intellgence Agency). Původních šest montorovacích stanc bylo rozšířeno na šestnáct nových montorovacích stanc. Rozšíření bylo dokončeno v roce 2008. V rozšířené sít je možné sledovat kontnuálně všechny družce v konstelac GPS. Přčemž každá družce je neustále montorovaná mnmálně ze dvou až tří stanc současně. Rozšíření vedlo k 10-15% zvýšení přesnost vysílaných efemerd a korekcí hodn družc v navgačních zprávách družc (GPS.gov, 2014). AEP (Plán evoluce archtektury) V roce 2007 došlo k uskutečnění AEP (angl. Archtecture Evoluton Plan). Výsledkem bylo nahrazení původního manframe hlavní řídcí stance novým IT technologem. V roce 2011 byl dokončen upgrade. Změny v IT archtektuře řídcího segmentu umožňují rozšířt síť montorovacích stanc na dvacet stanc řízených z MCS a konstelace je možné osadt až třcet dva družcem bloku IIF, jejchž data bude schopen řídcí segment sledovat, kontrolovat a zpracovávat (GPS.gov, 2014). OCX (Řídcí systém operací nové generace) V roce 2008 byl uzavřen kontrakt na OCX (angl. Next Generaton Operatonal Control System). Systém zaručí nové schopnost řídt a kontrolovat modernzované cvlní sgnály družc. Jedná se o sgnály L2C, L5 a L1C (GPS.gov, 2014). 111

GPS Navstar LLC (Schopnost startovní kontroly) Vybudované bylo také nové kontrolní a řídcí centrum LLC (angl. The Launch Checkout Capablty), které bude provádět kontrolu a vypuštění všech družc bloku III. Centrum bude plně ntegrováno s OCX, proto by nemělo docházet k dočasnému zhoršení parametrů konstelace vlvem nečekaných chyb a výpadků u nově vynášených družc bloku III. 4.4 Prostorový referenční rámec GPS Pro určování polohy se v systému GPS používá prostorový referenční rámec s názvem World Geodetc System 1984 (WGS 84). WGS 84 patří do skupny TRF, které jsou pevně spojeny se Zemí (užívá se pro ně někdy označení ECEF). Systém byl vybudován pro účely GPS. Parametry referenčního elpsodu WGS 84 vz Tabulka 3-1. Orentace elpsodu je vztažená k epoše 1984.0 BHI (Internaton Tme Bureau). Elpsod má svůj střed v těžšt Země. Osy souřadncového systému X, Y a Z jsou vzájemně ortogonální. Systém je označován jako pravotočvý. Osa Z koresponduje IERS referenčním pólem (IRP). Osa X prochází těžštěm země a průsečíkem IERS referenčního poledníku (IRM) a rovny rovníku a referenčního poledníku (nultého poledníku). Osa Y je pravotočvá a kolmá na osy X a Z. V rovně rovníku je umístěná v protsměru pohybu hodnových ručček. Hmota referenčního elpsodu odpovídá hmotě Země včetně oceánu a její atmosféry. Realzace první verze WGS 84 byla prováděná na základě observací v systému TRANSIT. Všechny následující realzace, jsou, mmo jné, zpřesňovány prostřednctvím měřením k družcím GPS. 112

GPS Navstar IERS Referenční poledník IERS Referenční Z WGS 84 [X, Y, Z] pól [λ, φ, h] Těžště Země X WGS 84 Y WGS 84 Obrázek 4-7 Referenční elpsod WGS 84. Epocha realzace 1984.0 BHI Poslední realzace systému WGS 84 (G1674) je vztažená k ITRF2008 v epoše 2005.0. WGS 84 (G1674) se odchyluje od ITRF2005 o přblžně 2 cm. Na začátku roku 2013 mělo dojít k dalšímu vyrovnání WGS 84 vůč ITRF2010. Určování polohy ve WGS 84 je možné provádět buď v kartézských geocentrckých souřadncích (x, y, z), nebo geografckých souřadncích (λ, φ, h). 113

GPS Navstar a 6 378 137.0 m 1/f 298.257 223 563 GM 398 600, 441 8 10 9 m 3 /s 2 Ω 7,292 115 10-5 rad/s Tabulka 4-2 Základní parametry elpsodu WGS 84. Pro výšková měření se společně s WGS 84 používá geod označován jako WGS 84 EGM96 (Earth Gravtatonal Model 1996) vz (NIMA, 2000). 4.5 Časový referenční rámec GPS 4.5.1 GPS čas Systémový čas GPS se nazývá GPS čas (dále GT z angl. GPS Tme). GT je atomovým časem, který je odvozován z času UTC USNO. Počáteční epocha GT začíná 6. ledna 1980 00:00:00 UTC USNO. UTC USNO je UTC standard pro USA a je udržován v observatoř námořnctva Spojených států amerckých (U.S. Naval Observatory). 114

GPS Navstar Protože GT není synchronzován vůč UTC USNO, dochází postupně k celočíselnému odsazení času UTC USNO od a GT. Celočíselný rozdíl mez oběma časy je uváděn v navgační zprávě každé družce GPS. K datu 1. červen 2012 je odsazení GT vůč UTC 16 přestupných sekund. GT se seřzuje k UTC USNO s přesnost na jednu mkrosekundu. V celé konstelac družc s vypnutou SA je chyba GT 4 až 10 nanosekund. Př zapnuté SA je chyba GT v celé konstelac 40 až 60 nanosekund. Základním jednotkam GPS času jsou: GPS Week Number (WN) a Second of Week (SOW). WN je čítač počtu týdnů od epochy 0000 GT. Z důvodu omezení velkost čítače na 1 023 btů je možné zapsat jen 1 023 týdnů, než dojde k přetečení čítače týdne angl. week rollover. K přetečení počítadla poprvé došlo 21. Srpna 1999. Po přetečení dojde k vynulování čítače GPS Week Number. SOW je stanovení GT na celé sekundy v rámc GPS týdne s přesnost na jednu mkrosekundu. WN a SOW je součást navgačních zpráv družc. 115

GPS Navstar Obrázek 4-8 Oznámení přestupné sekundy a hodnoty rozdílu UTC USNO a GPS času (2012-01-06). 116

GPS Navstar 4.5.2 Družcový čas Družcové časy jednotlvých družc jsou montorovány MCS řídcího segmentu. V případě potřeby je družcový čas, na pokyn MCS nastaven tak, aby se nelšl o více než jednu mlsekundu od GT. V závslost na bloku družc jsou družce vybaveny trojíma až čtverýma atomovým hodnam. Součástí navgační zprávy družc jsou korekce družcového času na GT. Tím je výrazně potlačená chybu hodn družc, jako jeden z významných faktorů snžující přesnost měření pseudovzdáleností. Pro prác s časem př navgačním výpočtu jsou měrným jednotkam času jednotlvé částí sgnálu (navgační zpráva, dálkoměrný kód a čítače v navgační zprávě). Všechny část sgnálu jsou časově btově synchronzované a mají přesně stanovenou délku rychlost, kterou jsou vysílány. Vztahy základních měrných jednotek v sgnálů vz Tabulka 4-3. 117

GPS Navstar Část sgnálu Délka Čas Trvání jednotky délky Podrámec 300 b 6 s 20 ms Vztah Z-count čítač 4 Z-count 6 s 1.5 s 4 Z-count = 1 podrámec Slovo 30 b 0.6 s 20 ms 10 Slov = 1 Podrámec C/A kódu 1 023 b 1 ms 1/1 023 ms 1 bt Slova = 20 x celá sekvence C/A-kódu P kódu 15 345 000 b 7 dnů 97.75 ns 1 chp C/A-kódu = 10 chpů P-kódu X1 čítač 10 X1 977,5 ns X1začíná vždy s podrámcem 10 X1 = 10 chp P kódu Tabulka 4-3 Vztahy časoměrných jednotek odvozené z jednotlvých částí sgnálů GPS (C/A-kód a P-kód). 4.6 Navgační sgnály a jejch modernzace GPS Sgnály družc GPS je možné rozdělt na: sgnály původní, které byly vysílané družcem bloku II/IIA a IIR na dvou frekvencích L1 a L2, sgnály modernzované, které jsou vysílané družcem bloku IIR-M, IIF na frekvencích L1, L2 a L5 a sgnály plánované, které se objeví s nástupem družc bloku III. Modernzované sgnály jsou vysílané novým generacem družc, ale ještě stále neobsahují modernzované navgační zprávy typu CNAV a nedosáhly FOC. 118

GPS Navstar 4.6.1 Původní sgnály Původní sgnály jsou vysílané všem generacem družc GPS a z důvodu zpětné kompatblty budou vysílané také družcem bloku III. Sgnály jsou vysílané na dvou frekvencích v L-pásmu. Frekvence jsou označovány L1 a L2. Frekvence L1 původně obsahovala dva datové sgnály, s dvěma PRN kódy, s C/A-kódem a P-kódem. Frekvence L2 obsahovala jen jeden datový sgnál s P- kódem. Frekvence L1 a L2 Nosná vlna označovaná L1 má frekvenc f = 1574,42 MHz a vlnovou délku λ = 19 cm. Nosná vlna označovaná jako L2 má frekvenc f = 1227,60 MHz a vlnovou délku λ = 24 cm. Fázově posunutý sgnál L1 P-kód C/A-kód 1574,42 MHz NAV NAV L2 P-kód 1227,60 MHz NAV Obrázek 4-9 Původní sgnály GPS (blok II, IIA, IIR). 119

GPS Navstar C/A-kód Zkratka C/A-kód je akronymem pro angl. Coarse/Acquston (hrubý/nabývací kód). C/A-kód je pseudonáhodný kód, podobný pseudonáhodnému šumu a lze jej označt, na základě jeho délky 1023 btů a rychlost vysílání 1.023 Mb/s, jako pomalý a krátký. Odeslání kompletního C/A kódu trvá družc 1 ms. Postup generování kódu je popsán v dokumentu Interface Control Document (JPO, 2004), který veřejně publkovaný. Kód není šfrovaný a společně s navgační zprávou moduluje jen frekvenc L1. Sgnál s C/A-kódem je dále označovaný jako sgnál L1C/A. C/A-kód má několk funkcí: slouží k vyhledávání a získání sgnálů navgačních družc GPS, k dentfkac družc a k získání P kódu. Pro užvatel služby SPS slouží C/A-kód k provedení dálkoměrných měření a k získání obsahu navgační zprávy družce. Každá družce systému GPS má po ustavení na oběžné dráze přdělený jeden C/A-kód, ze sady standardních C/A-kódů, který je reprezentován tzv. PRN číslem. Rychlost C/A-kódu a jeho délka jej dělá deálním pro rychlé nalezení sgnálů družce a její dentfkac. Během 1 sekundy se C/A kód zopakuje v sgnálu družce tsíckrát. Původně měl C/A-kód sloužt jen k tomu, aby bylo nalezeno vysílání GPS družce. S uvolněním GPS technologe pro cvlní použtí se stal C/A-kód základem služby SPS, která je určená pro neautorzované užvatele. 120

GPS Navstar C/A kód Charakter: Účel: Délka: Rychlost: Přepočtena délka pro přenos 1 btu: Počet stand. kódů: 32 Šfrování: pomalý kód / krátký kód Získání sgnálu GPS družce Identfkace GPS družce Dálkoměrná měření pro SPS Zpřístupnění navgační zprávy pro SPS 1 023 b 1 023 Kb/s 293 metrů Ne Tabulka 4-4 Charakterstky C/A-kódu. GPS přístroj se snaží př hledání družce zaměřt na frekvenc nosné vlny družce a její C/A-kód. Je nutná kombnace obojího, aby bylo potvrzeno, že přístroj skutečně pracuje s platným sgnálem GPS. Jakmle se přístroj zamkne na platný sgnál GPS družce, tak přejde na sledování obou sgnálů s P-kódem, který je pseudonáhodným kódem určeným pro provádění dálkoměrných měření. Jeden bt C/A kódu odpovídá měřené pseudovzdálenost cca 293 metrů. Celý kód pak odpovídá vzdálenost 293 klometrů. Z tohoto pohledu je C/A nevhodný pro měření pseudovzdálenost hned dvakrát. Jeho celková délka z něj dělá kód nejednoznačný pro měření vzdálenost 121

GPS Navstar k družc, která je v nejblžším bodě své orbty vůč užvatel vzdálená cca 20 200 klometrů. Př délce C/A kódu cca 300 klometrů se kompletní C/A kód zopakuje mnmálně šedesát sedm krát. C/A-kód je nejednoznačný pro dálkoměrná měření Samotná délka jednoho btů z něj dělá prmárně nevhodný pseudonáhodný kód pro měření pseudovzdálenost. Jeden bít C/A kódu odpovídá vzdálenost cca 293 metrů, což je ve srovnání s P-kódem 10 x horší (délkové) rozlšení 1 btu kódu. P-kód Písmeno P v názvu P-kód je akronymem pro angl. Precson (přesný kód). Kód lze označt na základě jeho délky 6 187 100 megabtů a rychlost 10,23 Mb/s, se kterou je vysílán, za rychlý a dlouhý. Odeslání kompletního P-kódu trvá družc 7 dnů (604 800 sekund). Stejně jako C/A-kód je P-kód pseudonáhodný a je podobný pseudonáhodnému šumu. Cekem exstuje 37 unkátních P-kódů. Z tohoto počtu je 32 kódů rezervováno pro družce GPS (JPO, 2004). Skutečná délka P-kódu je 6 187 100 000 036 btu. Všech 37 varant P-kódu je generováno offsetem počátku základního kódu v rozsahu 0 až 36 btů (JPO, 2004). 122

GPS Navstar P(Y)-kód Charakter: Účel: Délka: dlouhý kód / rychlý kód Dálkoměrná měření pro PPS Zpřístupnění navgační zprávy pro PPS Identfkace družce 6 187 104 000 000 b (cca 722 GB) Čas odvysílání: 7 dnů (604 800 s) Rychlost: Přepočtená délka pro přenos 1 btu: Počet stand. kódu: 32 Šfrování: 10,23 Mb/s 293 m Ano / P(Y)-kód = P-kód + W-kód Tabulka 4-5 Charakterstky P(Y)-kódu. Přesný mechanzmus generování P-kódu je popsán v dokumentac ICD (JPO, 2004), která je veřejně publkována. P-kód je však průběžně šfrovaný na tzv. P(Y)-kód. K zašfrování se používá W-kódu. Průběžné šfrování je označováno jako Ant- Spoofng (A-S) a je společně s utajováním M-kódu, jedním za dvou aktvních prvků řízení přístupu užvatelů k sgnálům družc GPS. 123

GPS Navstar P-kód společně s navgační zprávou moduluje frekvenc L1 a L2. Sgnál s P-kódem je označován dále jako sgnál L1P a L2P. Sgnály L1CA, L1P a L2P jsou základem PPS přístupné autorzovaným užvatelům. Tím, že P-kód moduluje obě nosné vlny, poskytuje výhodu dvou frekvenčních měřením, která umožňují elmnovat nepříznvý vlv onosféry, která působí na sgnály družc, př jejch průchodu onosférou. Prmární a funkc P-kódu je provádění přesných dálkoměrných měření. P-kód dále umožňuje teoretcky dentfkac družc a hlavně zpřístupněn obsahu navgační zprávy družce. Každá družce systému GPS má po ustavení na oběžné dráze přdělený jeden P-kód ze sady standardních P-kódů. Celkem je pro družce GPS rezervováno 32 PRN kódů. P-kód je díky své délce jednoznačný pro měření pseudovzdálenost mez družc a pozorovatelem na Zem. Díky své rychlost, P-kód umožňuje měřt přesněj pseudovzdálenost. Dosahuje desetnásobně vyšší přesností měřených pseudovzdáleností, než C/A-kód. Přepočtená délka jednoho btu kódu odpovídá vzdálenost 29.3 metrů. Délka P-kódu a podobnost všech 37 sekvencí jej dělá nevhodným pro účely vyhledání a zaměření sgnálů družc, pro tyto účely se používá C/A-kód. 124

GPS Navstar Navgační zpráva Navgační zpráva (dále jen NAV) je součást všech původních sgnálů GPS a je pro všechny původní sgnály obsahově strukturou shodná. Navgační zpráva GPS má: nešfrovanou a šfrovanou část. V nešfrované částí NAV jsou efemerdy, korekce družcového času, almanach, data onosférckého modelu pro užvatele jedno frekvenčních měření, vz Obrázek 4-10. V šfrované část navgační zprávy jsou datové bloky vyhrazené pro přenos specálních zpráv a zašfrovaná WAGE (angl. Wde Area GPS Enhancement) data pro užvatele PPS. WAGE je obdoba SBAS korekcí, kterým může užvatel PPS zvýšt polohovou a časovou přesnost svých měření (DoD, 2007). NAV je strukturována do rámců, podrámců a slov. Obsah a časování obsahu navgační zprávy je klíčové pro časová měření př navgačním výpočtu. Obsah kompletní navgační zprávy je odvysílán družc za 12.5 mnuty. Pops obsahu a struktury NAV je uveden v (JPO, 2004) (DoD, 2007). Navgační zpráva je členěná do rámců (stránek). Odvysílání jednoho rámce trvá 30 sekund. V navgační zprávě je celkem 25 rámců, jejchž obsah se z část mění. Každý rámec je rozčleněn na pět podrámců. Čas pro odvysílání jednoho podrámce je 6 sekund. První tř podrámce se opakují ve všech stránkách. 125

GPS Navstar Podrámce 1 až 3 obsahují efemerdy družce, korekce hodn družce, GPS týden, stavový příznak zdraví družce a URA ndex (ndkace chyby v měření pseudovzdálenost zapříčněné na straně kosmckého a řídcího segmentu). GPS přístroj je schopný po přečtení obsahu prvních třech podrámců, stanovt přesnou polohu družce a chybu hodn družce vůč GPS času. Obsah posledních dvou podrámců se průběžně ve všech pětadvacet stránkách mění. Postupně jsou v podrámc 4 a 5 předávány stavové nformace konstelace (almanach a zdravotní stav družc GPS), data onosférckého modelu, UTC data, zašfrovaná data WAGE a další specální zprávy. Například parametry modelu onosféry jsou obsažené na 18 stránce navgační zprávy. Každý podrámec se skládá z deset slov. První slovo je označované jako telemetrcké slovo označované zkratkou TLM word (angl. Telemetry Word). Jedná se o synchronzační kód, který je stejný pro všechny podrámce. Mmo jné obsahuje nformace pro autorzované užvatele a pro řídcí segment. Pokud př čtení navgační NAV, kterou přístroj GPS dekóduje, nedojde k přečtení celého TLM, pak je celý podrámec zahozen jako nekompletní, dokud se nepodaří načíst kompletní TLM word. 126

GPS Navstar 1 rámec z 25 rámců Významný datový obsah podrámce Podrámec 1 TLM HOW Číslo GPS týdne, URA a zdravotní stav, korekce hodn družc Podrámec 2 TLM HOW Efemerdy Podrámec 3 TLM HOW Efemerdy Podrámec 4 TLM HOW Almanach a zdravotní stav družce 25-32, Specální zprávy, Konfgurační příznaky, Ionosfércká a UTC data, EAGE Data Podrámec 5 TLM HOW Almanach a zdravotní stav družce 1-24, Referenční čas almanachu a číslo GPS týdne Obsah podrámce se mění v každém z 25 rámců Telemetrcké slovo Předávací slovo časová značka Obrázek 4-10 Struktura navgační zprávy GPS pro sgnály SPS a PPS. Druhé slovo každého podrámce, označované jako HOW (angl. Handowe Word), obsahuje, mmo jné, časovou značku tme-of-week, kdy bude zahájeno vysílání první značky X1 čítače následujícího podrámce. 127

GPS Navstar X1 je čítač epoch GT, který je synchronzovaný se začátkem/koncem každého GPS týdne. Používá se v navgační zprávě k btové a časové synchronzac všech částí sgnálů př dálkoměrných měřeních. 4.6.2 Modernzované sgnály Modernzace cvlních sgnálů Cílem modernzace navgačních sgnálů je poskytnout užvatelům SPS nové cvlní dálkoměrné kódy, které jsou navržené přímo pro dálkoměrná měření (cvlní obdoba P-kódu). Modernzované sgnály s novým cvlním dálkoměrným kódy budou vysílané na více frekvencích. To umožní elmnovat nežádoucí vlv onosféry na měření užvatelům SPS. Modernzací prochází také vojenské sgnály. S příchodem družc bloku IIF zcela zmzela schopnost družc aktvovat SA. U družc bloku III bude nahrazená SA novou technolog nazývanou NAVWAR (Gruber, 2011), (GlobalSecurty.org, 2014). 128

GPS Navstar Fázově posunuté sgnály L1 P-kód C/A-kód 1574,42 MHz NAV NAV M-kód MNAV L2 P-kód 1227,60 MHz NAV L2C CM CL CNAV M-kód MNAV L5 I5-kód 1176,45 MHz CNAV Q5-kód CNAV není zatím součást žádného vysílaného sgnálů Obrázek 4-11 Modernzované sgnály GPS (blok IIR-M, IIF). M-kód Od družc bloku IIR-M je vysílaný nový vojenský M-kód, společně s modernzovanou navgační zprávou MNAV. Výsledkem jsou dva totožné vojenské navgační sgnály, které modulují frekvence L1 a L2. Sgnály jsou dále označované L1M a L2M. 129

GPS Navstar Nový M-kód byl navržen za účelem zlepšené odolnost prot úmyslnému neúmyslnému rušení a pro zlepšení zabezpečení přístupu k vojenským sgnálům. Významnou charakterstkou M-kódu je jeho nezávslost na ostatních sgnálech družc GPS. Užvatel je schopen uskutečnt celý navgační výpočet jen s použtím M-kódu (ESA, 2014). Více detalů o M-kódu zatím nebylo publkováno. MNAV Nová vojenská navgační zpráva, není strukturována po rámcích, ale po paketech. To umožňuje flexbltu datového obsahu ve zprávě. Obdobně jako jsou nedostupné blžší specfkace M-kódu, je známo málo nformací také o MNAV. L2C (CM kód / CL kód) Od družc bloku IIR-M vysílán také nový cvlní sgnál označovaný jako L2C. Sgnál moduluje frekvenc L2 a skládá ze dvou nových dálkoměrných kódů: CM (angl. Cvlan Moderate) a CL (angl. Cvlan Long). 130

GPS Navstar CM-kód je dlouhý 10230 btů a opakuje se každých 20 ms. CL-kód má délku 767250 btů a opakuje se každých 1500 ms. Oba kódy jsou vysílaný rychlostí 511,5 kb/s. Složením obou kódů vznkne nový kód s rychlostí znaků 1,023 Mb/s. CM-kód je spojen s novým typem navgační zprávy. Sgnál s CM-kódem bude označován jako L2C Data Sgnal. Sgnál CL-kódem bude označován jako L2C Plot Sgnal. CNAV Nový typ cvlní navgační zprávy v L2C datovém sgnálu se nazývá CNAV. První výraznou změnou je změna v její strukturování. Stejně jako MNAV je CNAV strukturovaná po paketech. CNAV se bude skládat až z dvanáctsekundových 300 btů velkých paketů. Zatím jsou známé následující charakterstky CNAV: Dva, ze čtveřce po sobě jdoucích paketů, vždy obsahují efemerdy. Poslední paket, ze čtveřce, bude vždy obsahovat data hodn družcového času. CNAV má mplementovanou novou metodu korekcí chyb v datech navgační zprávy s názvem FEC (angl. Forward Error Correcton). CNAV má zvětšený čítač čísla GPS týdne (WN). Z původních 10 btů (1023 hodnot 1023 týdnů / 19.6 let) bude mít 13 btů (8192 hodnot 8192 týdnů / 157 let). CNAV obsahuje pakety s hodnotou odsazení GT od času GNSS. To zaručuje budoucí nteroperablty se systémy GLONASS a Galleo CNAV umožňuje přenášet data korekcí, která jsou obdobou dat současných 131

GPS Navstar SBAS systémů a která jsou vhodná k opravě hodnot družcového času vysílaných v původní navgační zprávě NAV. Každý paket obsahuje výstražný ndkátor, zda je možné navgačním datům a sgnálům družce důvěřovat. Tato výstraha přjde nejpozděj 6 sekund od okamžku, kdy dojde selhání sgnálů, které umí družce GPS detekovat. CNAV bude umožňovat rozšíření kosmckého segmenty GPS až na 63 družc, oprot maxmu 32 družc v současné navgační zprávě. Frekvence L5 S příchodem družc bloku IIF se ve struktuře sgnálů GPS objevl nový cvlní sgnál označovaný jako L5 SOL. Sgnál je vysílán na nové frekvenc L-pásma obecně označované jako L5 s frekvenc f = 1176.45 MHz. Frekvence L5 je vysílána v pásmu vyhrazeném pro meznárodní letecké radonavgační služby. Sgnál obsahuje dva PRN kódy, I5-kód a Q5-kód. Oba kódy jsou dlouhé 10230 btů. Odvysílání obou kódů trvá 1 mlsekundu. I5-kód je kombnován s navgační zprávou označovanou L5 CNAV a je ve fáz s nosnou vlnou (n-phase). Do I5-kódu je přdán ještě Neuman-Hoffmanův kód o délce 10 znaků s frekvencí 1 khz. Sgnál I5 tvoří tzv. L5 Data Sgnal. Q5-kód je posunutý vůč fáz nosné vlny (quadrature-phase) a kromě Neuman-Hoffmanova kódu, o délce 20 znaků o frekvenc 1 khz, neobsahuje žádná další data a tvoří tzv. L5 Plot Sgnal. 132

GPS Navstar L1C S vypuštěním první družce bloku III, bude dostupný třetí cvlní navgační sgnál označovaný jako L1C (ESA, 2014), (Gruber, 2011). Skladba sgnálů bude analogí L2C, avšak s tím rozdílem, že sgnál bude vysílán na frekvenc L1, společně s původním sgnálem L1C/A. 133

GPS Navstar 4.7 Služby GPS Systém GPS poskytuje v současnost (duben 2014) dva typy navgačních, polohových a časových služeb. První je otevřená služba pro neautorzované užvatele s názvem Standardní polohová služba angl. Standard Postonng Servce (SPS). Druhou je přesná polohová služba angl. Precse Postonng Servce (PPS), která je vyhrazená pro autorzované užvatele. Obě služby jsou specfkované ve stejnojmenných standardech GPS SPS Performance Standard (DoD, 2008) a GPS PPS Performance Standard (DoD, 2007). 4.7.1 Standardní polohová služba SPS SPS je polohová a časová služba poskytovaná prostřednctvím dálkoměrných sgnálů, vysílaných na GPS frekvenc L1. Sgnály frekvence L1, která jsou vysílány všem družcem, obsahují dálkoměrný C/A-kód s navgační zprávou, a jsou dostupné pro mírové cvlní, komerční a výzkumné účely (DoD, 2008). The SPS s a postonng and tmng servce provded by way of rangng sgnals broadcast at the GPS L1 frequency. The L1 frequency, transmtted by all satelltes, contans a coarse/acquston (C/A) code rangng sgnal, wth a navgaton data message, that s avalable for peaceful cvl, commercal, and scentfc use. (DoD, 2008) 134

GPS Navstar Standard SPS se v čase vyvíjel s rozvojem a změnam v řídcím a kosmckém segmentu GPS vz Tabulka 4-6. Rok vydání Důvod změny standardu Edce standardu 1993 IOC GPS (Intal Operatonal Capablty) SPS edce 1 1995 FOC GPS (Full Operatonal Capablty) SPS edce 2 2001 Vypnutí SA (selektvní dostupnost) SPS edce 3 2008 Modernzace řídcího segmentu L-AII. Začlenění nových montorovacích stanc NGA. SPS edce 4 Tabulka 4-6 Časový vývoj edcí SPS. V současnost jsou předmětem SPS sgnály L1 C/A. Konstelace uvedená v SPS edce 4 nezohledňuje změnu v konstelac kosmckého segmentu, ke které došlo v průběhu let 2011 a 2012. Konstelace SPS se vztahuje k epoše 00:00:00 UTC, 1. července 1993 (DoD, 2008). SPS specfkuje sadu kvaltatvních parametrů, které se zavázal provozovatel systému GPS dodržovat. Vybrané kvaltatvní parametry standardu SPS ze 4. edce vz Tabulka 4-7. Plné znění standardu s defnovaným výkonnostním standardy GPS, které se vztahuj k sgnálům v prostoru angl. Sgnal In Space (SIS) jsou uvedeny v (DoD, 2008). K základním výkonnostním parametrů uvedeným v SPS patří: SPS SIS Coverace (pokrytí), SPS SIS Avalablty (dostupnost), 135

GPS Navstar SPS SIS Health (zdraví), SPS SIS Accurancy (přesnost pseudovzdáleností), SPS SIS Integrty (ntegrta), SPS SIS Contnuty (kontnuta) SPS SIS UTCusno Accurancy (časová přesnost sgnálů). Dostupnost je defnované na jako časové období, po které, družce umístěna v defnovaném slotu, vysílá zdravý a sledovatelný SIS. Z hledska celé konstelace se jedná o časové období, po které jsou obsazeny všechny defnované sloty družcem, které vysílají zdravý a sledovatelný sgnál. Dostupnost se netýká tzv. nadbytečných družc (angl. Surplus Satellte). Které vysílají zdravý a sledovatelný sgnál, ale není jm přdělena pozce v žádném defnovaném slotu konstelace. Přesnost je defnovaná ve vztahu k přesnost určení pseudovzdálenost družce. Je vždy popsovaná s pravděpodobnost 95% a za dvou stavů. V prvním případě se jedná o přesnost př defnovaném jakémkolv nebo nulovém stáří navgačních dat angl. Age of Data (AOD), v druhém případě pak souhrnně ve všech AOD. 136

GPS Navstar Kvaltatvní parametr SPS Hodnoty parametru Podmínky a omezení Pokrytí sgnálem jednotlvých družc Terestrcký prostor: 100% pokrytí Pro zdravé sgnály a okrajové sgnály 4. Kosmcký prosto: Pokrytí není defnováno Pokrytí sgnálem pro celou konstelac Terestrcký prostor: 100% pokrytí Pro zdravé sgnály a okrajové sgnály. Kosmcký prosto: Pokrytí není defnováno Přesnost sgnálů (pseudovzdálenost) Jedno frekvenční C/A-kód: 7,8 m 95% globální průměr URE, běžné operace, všechna ADO 6,0 m 95% globální průměr URE, běžné operace, Zero ADO 5 Jakákolv zdravý sgnál. Zanedbává jedno frekvenční model onosférckého zpoždění. Zahrnuje korekc chyby skupnového zpoždění pro L1. Zahrnuje nterní sgnálové vlvy mez P(Y)-kódem a C/A-kódem na L1. Tabulka 4-7 Vybrané hodnoty výkonnostních parametrů Standardní polohové služby 4. edce z roku 2008. Převzato a upraveno (DoD, 2008). 4 Okrajový sgnál je sgnál získaný za ztížených podmínek, například zastínění reléfem, překážkam na horzontu, nevhodnou polohou nebo orentac antény. Ačkolv takový sgnál může být v pořádku (zdravý) a může vést ke správnému měření pseudovzdálenost, je nutné provést další dodatečná měření pseudovzdálenost k ověření zda případně nedošlo k selhání okrajového sgnálu. 5 ADO angl. Age of Data 137

GPS Navstar Kontnuta sgnálů Přerušení neplánovaným selháním: 0,9998 pravděpodobnost v jakékolv hodně, že nedojde ke ztrátě dostupnost sgnálů z důvodů neplánovaného přerušení sgnálů Vypočteno jako průměr napříč všem sloty konstelace (21+3). Normalzováno na období roku. Předpokládá sgnál dostupný ze slotu na začátku hodny. Tabulka 4-8 Vybrané hodnoty výkonnostních parametrů Standardní polohové služby 4. edce z roku 2008. Převzato a upraveno (DoD, 2008). Integrta je defnována jako důvěra, kterou může mít užvatel ve správnost sgnálu SPS SIS. Pro pops stavu ntegrty se používají čtyř komponenty: pravděpodobnost významného selhání služby, čas do spuštění poplachu, dosažení prahu tolerance, pro označení sgnálů jako zavádějícího a ndkátor potencálního problémů angl. Alert Alarm Indcatons. Posledně uvedený ndkátor obsahuje devět stavů (událost) SPS SIS, které znamenají, že sgnál, který je družc vysílán, není v pořádku. Kontnuta sgnálů označuje pravděpodobnost, že bude zajštěno pokračování sgnálu družc bez přerušení, v důsledku neočekávaného výpadku. 138

GPS Navstar Stavové hlášení a hlášení problémů Plánovaná událost ovlvňující službu: Vhodná NANU zpráva bude vydána Pobřežní stráží USA a FAA 6 v předsthu nejméně 48 hodn. Pro jakýkolv sgnál Neplánovaný výpadek nebo problém ovlvňují službu: Vhodná NANU zpráva bude vydána Pobřežní stráží USA a FAA v nejblžším možném čase po událost. Tabulka 4-9 Vybrané hodnoty výkonnostních parametrů Standardní polohové služby 4. edce z roku 2008. Převzato a upraveno (DoD, 2008). 6 FAA - The Federal Avaton Admnstraton 139

GPS Navstar Kvaltatvní parametr SPS Hodnoty parametru Podmínky a omezení Polohová/ časová přesnost Globální průměr přesnost v polohové doméně: 9 m 95% horzontální chyba 15 m 95% vertkální chyba Defnované pro polohové a časové řešení za reprezentatvních podmínek Založeno na průměru měření pro všechny body v celém prostoru, kde jsou poskytovány SPS služby, v ntervalu 24 hodn. Nejhorší přesnost v polohové doméně: 17 m 95% horzontální chyba 37 m 95% vertkální chyba Defnované pro polohové a časové řešení za reprezentatvních podmínek Založeno na měření pro jakýkolv bod v celém prostoru, kde jsou poskytovány SPS služby, v ntervalu 24 hodn. Přesnost v doméně přenosu času: 40 ns 95% (jen pro sgnál v prostoru) Defnované pro časová řešení za reprezentatvních podmínek Založeno na průměru měření pro všechny body v celém prostoru, kde jsou poskytovány SPS služby, v ntervalu 24 hodn. Tabulka 4-10 Standard polohové a časové přesnost standardní polohové služby (DoD, 2008). Defnované parametry SPS jsou platné pro užvatele, který bude používat GPS zařízení plně kompatblní se specfkac rozhraní mez kosmckým segmentem a SPS přjímačem (IS-GPS-200). Standard nezohledňuje chyby způsobené vlvy mmo přímou kontrolou řídcího segmentu. K těmto vlvům patří: 140

GPS Navstar rušení sgnálu způsobené onosférckou nebo troposférckou scntlac, vlv resduální chyby přjímače př kompenzace onosférckého a troposférckého zpoždění, vlv šumu a rozlšovací schopnost přjímače, vlv selhání hw nebo sw přjímače, vlv vícecestné šíření sgnálů, vlv metody potlačení vícecestného šíření sgnálu na straně přjímače, vlv antény přjímače a vlv chyb způsobených operátorem (užvatelem). SPS se netýká fázových měření a je zaměřená pouze na SIS označené jako zdravé (DoD, 2008). V polohové a časové doméně SPS defnuje Dostupnost polohových a časových služeb a jejch přesnost v polohové a časové doméně vz Tabulka 4-10. 4.7.2 Přesná polohová služba PPS je polohová a časová služba poskytovaná prostřednctvím autorzovaného přístupu k dálkoměrným sgnálům vysílaných na GPS frekvencích L1 a L2. L1 frekvence, vysílána všem družcem GPS Navstar, obsahuje dálkoměrný (C/A) kód s navgační zprávou, které jsou dostupné pro mírové cvlní, komerční a výzkumné účely; a sgnál s přesným dálkoměrným P-kódem a navgační zprávou, které jsou určeny pouze pro autorzované požtí. P-kód bude za běžných okolností kryptografcky pozměněn tak, aby se z něj stal Y-kód. Y-kód nebude přístupný užvatelům bez platného kryptografckého klíče. Družce GPS Navstar vysílají taktéž druhý sgnál obsahující dálkoměrný P-kód nebo P(Y)-kód s navgačním 141

GPS Navstar daty na frekvenc L2. Navgační zprávy jsou stejné napříč všem kódy a frekvencem, ale určté část navgačních zprávy budou za běžných okolností kryptografcky pozměněny tak, aby nebyly přístupné užvatelům bez platného kryptografckého klíče (DoD, 2007). The PPS s a postonng and tmng servce provded by way of authorzed access to rangng sgnals broadcast at the GPS L1 and L2 frequences. The L1 frequency, transmtted by all Navstar satelltes, contans a coarse/acquston (C/A) code rangng sgnal, wth a navgaton data message, that s avalable for peaceful cvl, commercal, and scentfc use; and a precson (P) code rangng sgnal wth a navgaton data message, that s reserved for authorzed use. The P-code wll normally be cryptographcally altered to become the Y-code. The Y-code wll not be avalable to users that do not have vald cryptographc keys. Navstar satelltes also transmt a second P- or Y-(P(Y)-) code rangng sgnal wth a navgaton data message at the L2 frequency. The navgaton data message s dentcal across all codes and frequences, but certan portons of the navgaton data message wll normally be cryptographcally altered so as to not be avalable to users that do not have vald cryptographc keys. (DoD, 2007) Výkonnostní standard přesné polohové služby defnuje výkonnostní úroveň sgnálu v prostoru, který poskytuje mnsterstvo obrany USA komuntě autorzovaných PPS užvatelů. Dokument z roku 2007 PS byl vytvořen jako základ pro certfkac PPS přjímačů pro účely; létání v souladu se standardem IRF (angl. Instrument Flght Rules) a stanovení mnmálního výkonnostní úrovně, kterou musí konstelace GPS udržovat. (DoD, 2007) První a zároveň poslední publkované edce PPS PS (k roku 2013) pochází z února 2007. Autorzovaní užvatele mohou užívat všechny sgnály a jejch částí, nebo jen některé sgnály, případně jen jejch částí. Z výkonnostních standardů je pro srovnání uveden standard přesnost ve stanovení pseudovzdálenost (PPS SIS Accurancy) vz Tabulka 4-11. 142

GPS Navstar Kvaltatvní parametr SPS Hodnoty parametru Podmínky a omezení Přesnost sgnálů (pseudovzdálenost) Dvou frekvenční P-kód: 5,9 m 95% globální průměr URE, běžné operace, všechna ADO Jakoukolv družc označenou v NAV jako zdravou. 2,6 m 95% globální průměr URE, běžné operace, Zero ADO 11,8 m 95% globální průměr URE, běžné operace, jakékolv ADO Jedno frekvenční P-kód: 6,3 m 95% globální průměr URE, běžné operace, všechna ADO 5,4 m 95% globální průměr URE, běžné operace, Zero ADO Jakoukolv družc označenou v NAV jako zdravou. Zanedbává jedno frekvenční model onosférckého zpoždění. Zahrnuje korekc chyby skupnového zpoždění pro L1. 12,6 m 95% globální průměr URE, běžné operace, jakékolv ADO Dvou frekvenční P-kód a WAGE data: 4,4 m 95% globální průměr URE, běžné operace, všechna ADO Jakoukolv družc označenou v NAV jako zdravou. Tabulka 4-11 Přesnost určení pseudovzdálenost pro sgnál v prostoru (DoD, 2007). 143

GPS Navstar Stejně jako v případě SPS se rozlšuje ve standardu PPS přesnost dosažená v měření pseudovzdálenost během: Zero ADO, za všech ADO a za jakéhokolv ADO. Na rozdíl od specfkace PSP neobsahuje specfkace PPS jednotnou hodnotu přesnost dosahované v polohové a časové doméně, ncméně v příloze standardu s názvem PPS Poston, velocty, tme (pvt) Performance expectatons je uvedená metodka stanovení očekávané chyby měření v polohové a časové doméně. Standard PPS se v mnohem větší míře zabývá jednotlvým výkonnostním parametry a prncpy, na základě kterých jsou hodnoty parametrů stanoveny. S ohledem na nedostupnost služeb PPS pro neautorzované užvatele se obsahem PPS nebudeme dále zabývat. 144

GPS Navstar Otázka 4.1 Spojte odpovídající s pojmy v prvním a druhém sloupc. Správně přřaďte významnou událost v hstor systému GPS Navstar k datu.? 1) 1973 2) 1995 3) 2000 4) 2011 a) Dosažení FOC pro SPS a PPS. b) Odstranění SA z SPS. c) Zahájení budování GPS. d) Změna konstelace z 21+3 na 23+4 Otázka 4.2 Doplň do tabulky. Doplňte základní parametry konstelace GPS?? Počet družc v konstelac (konec 2013): Počet orbtálních rovn: Mnmální počet družc na orbtu: Typ orbty: Oběžná doba: Mnmální počet vdtelných družc ze zemského povrchu: Maxmální počet vdtelných družce ze zemského povrchu: 145

GPS Navstar Otázka 4.3 Označte jednu správnou odpověď. Jaké je pokrytí Země sgnály GPS (podle SPS)? a) -100 metrů pod povrchem až do výšky 3000 km nad povrchem Země. b) Na povrchu Země a do výšky 3000 km. c) 10100 km nad povrchem Země.? Otázka 4.4 Označte všechny správné odpovědí. V případě, že není na straně užvatelského segmentu použtá žádná specální metoda detekce selhání nebo anomále sgnálů družce GPS, kdo a v jakém pořadí reaguje na neplánovanou anomál v chování družce nebo ve vysílaném sgnálu? a) Užvatelský segment > Řídcí segment > Družce b) Pokud anomál detekuje družce, tak je pořadí reakce: Družce > Užvatelský segment > Řídcí segment. c) Pokud anomál nedetekuje družce, tak je pořadí reakce: Řídcí segment > Družce > Užvatelský segment d) Pokud anomál nedetekuje družce, tak je pořadí reakce: Řídcí segment > Užvatelský segment > Družce? 146

GPS Navstar Otázka 4.5 Zkombnujte pojmy a ve třech sloupcích, tak aby výrok dával smysl a byl pravdvý. Které stance a jak mez sebou komunkují?? a) GA (TT&C/C) b) MCS c) MS 1) posílá naměřená data pseudovzdáleností k družcím GPS do 2) montoruje stav družc GPS. Předává povely a řídí družce podle pokynů 3) posílá navgační data, pro nahrání na družce GPS, stancím typu A. GA (ULS) B. MSC C. MCS Otázka 4.6 Označte jednu správnou odpověď. Kterou funkc neplní MCS stance systému GPS? a) Správa řízení sítě. b) Funkce řízení družc. c) Předávání povelů družcím a přímé řízení družc a jejch montorování. d) Polohové a časové funkce (modelování navgačních dat). e) Komunkace s GPS zařízením užvatelského segmentu.? 147

GPS Navstar Otázka 4.7 Uveďte a následně zkontrolujte s textem. Jak se jmenuje terestrcký referenční rámec, který je v GPS používán? Co znamená zkratka v jeho názvu?? Otázka 4.8 Spojte odpovídající s pojmy v prvním a druhém sloupc. Jaké je směřování os souřadncového systému WGS 84? Vyberte správné dvojce.? 1) Osa X 2) Osa Y 3) Osa Z a) Prochází osou rotace Země (v pólech IERS) pro epochu 1984.0 BHI. b) Směřuje v rovně rovníku kolmo na spojnc těžště a průsečíku IERS referenčního poledníku v epoše 1984.0 BHI s rovníkem. Rotace je v protsměru hodnových ručček (pravotočvě). c) Směřuje z těžště Země do průsečíku referenčního poledníku s rovnou rovníku v epoše 1984.0 BHI. 148

GPS Navstar Otázka 4.9 Označte jednu správnou odpověď. Systémový čas GPS (GT) je? a) GT je atomový čas, pro který je na úrovn navgační zprávy uveden počet přestupných sekund vůč UTC času. b) GT je čas UTC, pro který je synchronzován průběžně s časem TAI. c) GT je čas UT0, pro který je na úrovn navgační zprávy uveden počet přestupných sekund vůč UTC času.? Otázka 4.10 Označte jednu správnou odpověď. S kterou epochou UTC USNO je svázán počátek systémového času GPS? a) 6. 1. 1973 b) 6. 1. 1980 c) 6. 1. 1995? Otázka 4.11 Spojte odpovídající s pojmy v prvním a druhém sloupc. Které sgnály jsou základem služeb SPS a PPS? 1) PPS (2007) 2) SPS (2008) a) L1C/A b) L1C/A, L1P, L2P? 149

GPS Navstar Otázka 4.12 Doplňte tabulku. Doplňte tabulku s popsem základních sgnálů GPS. Z část Možnost pod každým ze sloupců vyberte relevantní volby. Každý řádek tabulky odpovídá jednomu sgnálu.? Frekv. Název sgnálů PRN kód Nav. zpráva Časový rámec uplatnění sgnálu Přístupnost sgnálů Závslost na jných sgnálech Možnost L1 L2 L5 L1C L2C * C/A P M CM,CL I5,Q5 Nemá NAV MNAV CNAV CNAV I5 Dosáhl FOC Nedosáhl FOC Plánovaný Otevřený Šfrovaný Ant-spoof. Uveďte název sgnálu, na kterém je získání daného sgnálu závslé. * další názvy sgnálu vytvořte jako složennu frekvence a PRN kódu. 150

GPS Navstar Otázka 4.13 Spojte odpovídající s pojmy v prvním a druhém sloupc. Přřaďte k názvu kvaltatvního parametru GNSS služby, jeho defnc.? 1) Kontnuta 2) Integrta 3) Přesnost 4) Dostupnost 5) Pokrytí a) je defnovaná ve vztahu k přesnost určení pseudovzdálenost družce. Je vždy popsovaná s pravděpodobnost 95%. b) je defnované jako časové období, po které je družce umístěna v defnovaném slotu a vysílá zdravý a sledovatelný SIS. Z hledska celé konstelace se jedná o časové období, po které jsou obsazeny všechny defnované sloty družcem, které vysílají zdravý a sledovatelný sgnál. Netýká se tzv. nadbytečných družc (angl. Surplus Satellte). Které vysílají zdravý a sledovatelný sgnál, ale není jm přdělena pozce v žádném defnovaném slotu konstelace. c) defnuje oblast, ve které budou k dspozc zdravé sgnály jednotlvých družc celé konstelace. d) je defnovaná jako důvěra, kterou může mít užvatel ve správnost SPS SIS. e) označuje pravděpodobnost, že bude zajštěno pokračování sgnálu družc bez přerušení, v důsledku neočekávaného výpadku. 151

GPS Navstar Otázka 4.14 Označte jednu správnou odpověď. Jaká je hodnota polohové přesnost SPS (2008), pro tzv. globální průměr? a) 13 m 95% horzontální chyba a 22 m 95% vertkální chyba b) 100 m 95% horzontální chyba a 150 m 95% vertkální chyba c) 9 m 95% horzontální chyba a 15 m 95% vertkální chyba d) 4,4 m 95% horzontální chyba a 7 m 95% vertkální chyba? 152

GLONASS 5 GLONASS V této kaptole se seznámíte s kosmckým a řídcím segmentem ruského systému GLONASS, dozvíte se, jak jsou oba segmenty koncpovány a jaká je jejch role v celé archtektuře systému GLONASS. Následně se obeznámíte s kosmckým segmentem, s blžším charakterstkou celé jeho konstelace jednotlvých družc. Pokračovat budeme řídcím segmentem a jeho jednotlvým typy stanc. Dále se v kaptole dozvíte nformace o terestrckém referenčním systému PZ-90, který je základem pro určování polohy v GLONASS. Dalším významným prvkem archtektury GLONASS, s kterým se obeznámíte, je realzace systémovém času GLONASS. Po přečtení posledních dvou částí této kaptoly, budete vědět, jaké sgnály družce GLONASS v současnost vysílají a jak budou jejch sgnály v budoucnu rozšřované. Odhadovaný čas 60 mnut 5.1 Hstore Hstore ruského globálního navgačního systému začíná v letech 1968 1970. V tomto období mnsterstvo obrany Sovětského svazu, Sovětská akademe věd a Sovětské námořnctvo spolupracovalo na návrhu a vývoj jednotného navgačního systému pro operace na moř, ve vzduchu na souš. Výsledkem spolupráce je dokument, formulující potřebu takového navgačního systému. Dokument byl sepsaný v roce 1970. 153

GLONASS V říjnu 1976 by přjat plán pro vybudování navgačního systému. Rada mnstrů Sovětského svazu jej posvětla v dekretu nazvaném Nasazení jednotného kosmckého navgačního systému GLONASS. V roce 1978 byl dokončen techncký plán vývoje systému. (Wkpeda, 2013) Stejně jako amercký systém GPS, byl ruský GLONASS do roku 2007 v prvé řadě systémem vojenským. Systém GLONASS (fon. rus. Globanaja Navgaconnaja Sputnkovaja Sstěma) je pasvním radonavgačním systémem, který spravují Ruské kosmcké sly pro potřeby vlády Ruské federace. Hned první testy ukázaly, že bude možné systém provozovat pro cvlní účely, anž by byly dotčené obranné vojenské zájmy bývalého Sovětského svazu a užtí systém bylo rozšířeno na cvlní užvatele. Účelem GLONASS je: poskytovat neomezenému počtu vzdušných, námořních a dalších typů užvatelů, troj rozměrné měření polohy, rychlost a času, za všech povětrnostních vlvů, kdekolv na Zem a v jejím blízkém okolí (RIOSDE, 2008). První navgační družce GLONASS označení URAGAN (1. generace) byla vypuštěna v říjnu roku 1982. Testovací konstelace prvních čtyř navgačních družc byla dosažena v lednu 1984. 154

GLONASS V roce 1988 nabídl Sovětský svaz navgační sgnály GLONASS zdarma k používání světové veřejnost. Po vznku Ruské federace v roce 1991 byla stanovena testovací konstelace 10-12 družc. 1970 Formulace potřeby navgačního systému pro operace ve vzduchu na zem a na moř. 1973 prosnec JPO zahajuje první fáz projektu DNSS dnes známý jako Navstar GPS 1976 prosnec 1978 1980 1982 1984 1988 1991 1993 1994 1995 1996 Přjato rozhodnutí o nasazení jednotného kosmckého navgačního systému GLONASS Dokončen techncký plán vývoje. Návrh budoucích parametrů systému. První prototyp družc pro pozemní testy Přepracovaní návrhu vývojových družc První dvě vývojové družce vyneseny na oběžnou dráhu. Do roku 1991 následuje dalších 43 družc a 5 testovacích. Dosažena testovací konstelace čtyřech družc Sovětský svaz nabízí světové veřejnost použtí sgnálů GLONASS zdarma Rozpad sovětského svazu Konstelace 10-12 družc Zjštěné nterference sgnálů družc s frekvenc pro radoastronomcká pozorování Systém byl prohlášen dekretem prezdenta za plně funkční Vypuštěno sedm trojc družc GLONASS Dosaženo plné konstelace 24 družc Zpřístupněn SP-kód veřejnost Oznámeno dosažení FOC 1996 1996 1996 2000 2001 2006 2007 2011 2012 1974 1975 1978 1983 1985 1989 1991 1993 1994 1995 První testovací družce NTS-1 a NTS-2 JPO pověřeno dohledem nad vývojem řídícího segmentu, kosmckého segmentu a GPS přjímačů Oznámeno dosažení FOC Publkován Interface Control Document GLONASS s popsem struktury sgnálů Dekret o dvojím použtím GLONASS Vypuštěná vývojová družce GPS Blok I DoD revduje parametry SPS DoD doporučuje uvolnt SPS pro veřejnost SSSR sestřeluje cvlní Korejské letadlo nad Sachalnem - prezdent R. Regan odtajňuje systém GPS Degradace kosmckého segmentu Nízká žvotnost GLONASS družc Špatná ekonomcká stuace Ruské federace V konstelac zbývá jen 6-8 funkčních družc Poslední družce bloku I na orbtě Program na obnovu systému GLONASS Dekret č.587 Federal Dedcated Program Global Navgaton System 2002-2011 První družce z 29 bloku II na orbtě Aktvována selektvní dostupnost (SA) Nasazení GPS v první válce v Iráku Setkání GPS-GLONASS pracovní skupny pro nteroperabltu a kompatbltu Dosažen IOC Schválení zpřístupnění GPS veřejnost Dekretem prezdenta je garantovaný volný přístup ke všem sgnálům GLONASS Dosažení FOC 24 družc bloku II (U.S. Ar Force, U.S. Coast Guard's) Aktvována A-S Vypuštěna první družce GLONASS-K Dosažení plná konstelace družce GLONASS-M GLONASS-M Cvlní sgnály SP-kódu na L1 a L2 Interoperablta s GPS Oznámeno dosažení FOC 1995 1996 1997 1998 2000 2004 2005 2010 Obrázek 5-1 Přehled hstore GLONASS 1970 2012 2005 2010 155

GLONASS Tato konstelace nebyla deální pro plné provozní nasazení GLONASS, ale umožňovala testovat systém. V roce 1993 byl systém GLONASS, prezdentem Ruské federace, prohlášen jako funkční. Už během fáze testování se ukázalo, že rádové frekvence, používané ruským navgačním družcem nterferují s frekvencem radoastronomckých pozorování (Wkpeda, 2013). Během let 1994 a 1995 bylo postupně vypuštěno sedm trojc družc GLONASS. V prosnc 1995 dosáhla konstelace GLONASS plného počtu 24 družc. V únoru 1996 byl systém plně operační způsoblý a poskytoval dvě polohové a časové služby označované SP (standard precson) a HP (hgh precson). V roce 1995 byly nařízením ruské vlády zpřístupněny sgnály GLONASS SP cvlním užvatelům a bylo garantováno, že budou přístupné zdarma. Ve stejném roce byl publkovaný dokument ICD GLONASS (Interface Control Documment) s popsem struktury navgačního sgnálu pro cvlní účely. Přestože uvedené pojmenování služeb není v ofcální dokumentac systému GLONASS uvedeno, bude nadále používáno buď toto pojmenování, nebo budou služby SP označovány jako OS a HP služby jako AS. Služba SP (OS) je ekvvalentem SPS služby systému GPS. Družíce vysílaly na jedné frekvenc, jeden cvlní sgnál a na dvou frekvencích, pak druhý vojenský sgnál pro autorzované užvatele. Přístup k vojenským sgnálům byl omezen, tím že specfkace vojenských sgnálů byla tajná. 156

GLONASS Nízká žvotnost družc první generace, společně s ekonomckou stuací Ruské federace, vedly k rychlé degradac kosmckého segmentu GLONASS. V roce 2001 v konstelac zbývalo pouze 6 respektve 8 funkčních družc. V roce 2001 vydal prezdent RF dekret č. 578 o znovu vybudování GLONASS mez lety 2002-2011. Dekret se jmenoval Federal Dedcated Program Global Navgaton System 2002-2011. Cíle programu defnovaného v dekretu byly naplněny s ročním zpožděním, v roce 2012. Od té doby je opět kosmcký segment obsazen 21+3 družcem (Wkpeda, 2013). Rusko vedlo řadou jednání o spoluprác na rozvoj systém GLONASS. Za zmínku stojí pracovní skupna zaměřená na nteroperabltu a kompatbltu systémů GPS a GLONASS na úrovn cvlních a komerčních služeb, která se poprvé sešla v roce 2005 v Moskvě. Výsledkem práce této skupny je plán nových navgačních sgnálů, u třetí generace družc GLONASS-K, které bude používat kromě FDMA dělení sgnálů, také CDMA, více o CDMA a FDMA v kaptole 2.3. V roce 2007 byly z nařízení prezdenta Ruské federace uvolněná všechna omezení snžující přesnost polohových a časových služeb, které byly určené pro cvlní a komerční účely (RIANOVOSTI, 2006). Na rozdíl od systému GPS, systém GLONASS začal výrazněj pronkat na trh spotřební elektronky až po roce 2012, ačkolv na trhu zařízení pro přesné určování polohy (geodetcké a GIS aplkace) je jž užíván od polovny první dekády 21. století. 157

GLONASS 5.2 Kosmcký segment GLONASS Kosmcký segment byl, až do rozpadu Sovětského svazu, postaven na družcích GLONASS označovaných také jako URAGAN (družce první generace). Charakterstcká, pro družce první generace, byla jejch nízká žvotnost. Družce GLONASS používaly metodu FDMA. Dalším problémem u družc první generace bylo zvolené frekvenční schéma, které způsobovalo kolze s frekvencem vyhrazeným pro radoastronomcká pozorování. Systém dosáhl FOC v roce 1996, kdy byla jeho kosmcký segment obsazen 24 družcem GLONASS. Družce vysílaly jeden cvlní navgační sgnál na frekvenc L1 a dva totožné vojenské sgnály na frekvenc L1 a L2 v rámc služby HP (RIOSDE, 2008). Řízení přístupu užvatelů k sgnálům družc vycházelo z utajení parametrů sgnálů pro službu HP. Jné prvky řízení přístupu k sgnálům systém GLONASS neměl. Po rychlém úpadku kosmckého segmentu GLONASS v letech 1996 2001, byly, od roku 2006, do znovu budované konstelace družc vypouštěny modernzované družce GLONASS-M označované jako URAGAN-M (druhá generace). Tyto družce měly vyplnt mezdobí k přechodu na družce třetí generace s názvem GLONASS-K. Podle (Kaplan, a další, 2005) družce GLONASS-M přnesly zlepšení: ve zvýšení přesnost atomových hodn družc, v delší žvotnost družc, v sgnálech a navgační zprávě. 158

GLONASS Označení konstelace 21+3 Celkový počet družc na orbtech 28 Počet orbtální rovn 3 (označení 1, 2 a 3) Počet slotů na orbtální rovnu Tvar orbty Výška orbty Inklnace oběžných drah Aktvní generace Oběžná doba 8 (+1) druž. v 1 8 (+1) druž. v 2 8 (+2) druž. v 3 kruhová 19 100 km 64,8 27 x GLONASS-M 1 x GLONASS-K 11 h 15 mn Tabulka 5-1 Parametry kosmckého segmentu GLONASS (stav k prosnc 2013). Zlepšení přesnost hodn družce zvýšlo přesnost navgačního výpočtu. Zlepšení navgační zprávy bylo realzací společných plánu na nteroperabltu a kompatbltu GLONASS s GPS. Nové navgační zprávy družc GLONASS-M obsahují data pro korekc GLONASS času na GPS čas a další vylepšení. 159

GLONASS V roce 2011 byla vypuštěná první družce GLONASS-K (třetí generace). Třetí generace družc přnáší třetí cvlním navgačním sgnálem a na nové třetí frekvenc. Obrázek 5-2 Oběžná dráha družce COSMOS 2419 (714) za 24 hodn - 24. února 2010. Nový cvlní sgnál na třetí frekvenc L3, využívá CDMA. V současnost se přpravují družce GLONASS-K2 a čtvrtá generace družc GLONASS-KM, které by podle plánu měly přnést nový cvlní sgnál tzv. Safety-of-Lfe čtvrté nové frekvenc L5 (RIOSDE, 2008). 160

GLONASS Základní parametry kosmckého segmentu GLONASS k prosnc 2013 vz Tabulka 5-1. Obrázek 5-3 Celá konstelace kosmckého segmentu GLONASS - 10. března 2014 v 12:00 UTC. 5.3 Řídcí segment GLONASS Řídcí segment, označován v (RIOSDE, 2008) jako pozemní řídící komplex, je celý stuovaný na území bývalého Sovětského svazu (SSSR). 161

GLONASS Základní funkce řídcího segmentu jsou obdobné, jako v případě ostatních GNSS. Řídcí segment montoruje sgnály družc, předpovídá a sestavuje model efemerd a chování hodn družc v celé konstelac. Obrázek 5-4 Rozmístění stanc řídcího segmentu GLONASS (duben 2014). 162

GLONASS Řídcí segment GLONASS: sestavuje obsah navgačních zpráv (efemerdy, opravy hodn a almanachy) pro každou z družc konstelace GLONASS, a zajšťuje jejch nahrání na jednotlvé družce konstelace, zajštuje synchronzac družcového času jednotlvých družc konstelace se systémovým časem GLONASS, vypočítává odchylky GLONASS času od UTC RF, vydává povely družcím a, řídí je, provádí údržbu družc a zajšťuje jejch sledování. Pro splnění uvedených úkolů bylo vybudováno celkem 12 stanc, které zastávají různé funkce. Segment je tvořen: jedním systémovým řídcím centrem (SCC z angl. System Control Center), třem rozšířeným stancem, pět povelovým stancem a deset montorovacím stancem (MS z angl. Montor Staton) vz Obrázek 5 5. 163

GLONASS 5.3.1 Systémové řídcí středsko Systémové řídcí středsko GLONASS se nachází u Krasnoznamensku. SCC zodpovídá za plánování a koordnac funkcí jednotlvých částí GLONASS. A plní rolí hlavního uzlového místa, kde jsou sbírána data ze sítě montorovacích stanc, rozšířených stanc. Na základě získaných dat sestavuje SCC obsah navgačních zpráv družc. Navgační zprávy, sestavené v SCC, jsou následně, prostřednctvím ULS stanc, nahrány na družce. Ty jejích obsah vysílají jako součást sgnálů. Efemerdy družc jsou na základě zjštěných dat predkovány na následujících 24 hodn a na družce jsou nahrávány jednou denně. Korekce hodn družc, jsou modelovány a aktualzovány dvakrát denně. 5.3.2 Rozšířené stance Rozšířené stance plní několk rolí současně. K rozšířeným stancím patří stance Schelkovo, Jensejsk a Komsomolsk na Amuru. Stance Schelkovo a Komsomolsk mají role TT&C, ULS, CC, SLR a MS, stance Jensejsk má role TT&C, ULS a MS. 164

GLONASS 5.3.3 Centrální synchronzační jednotky Dvě stance mají klíčovou rol časových synchronzačních jednotek (CC) a jsou zdrojem pro stanovení systémového času GLONASS a zjštění odchylek družcového času od systémového času GLONASS. 5.3.4 Stance pro telemetr, sledování a povelové stance TT&C stance slouží: pro sledování oběžných drah jednotlvých družc, poskytují rozhraní pro předávání datového nákladu pro palubní procesor družc a zajšťují předaní příkazu pro řízení družc. TT&C slouží k předávání povelů pro úpravy polohy družc na oběžných drahách. Trajektore družce je sledována každých 10 až 14 oběhů družce. Měření se provádí ve třech až pět blocích o délce 10 až 15 mnut. Vzdálenost k družcím se měří pomocí radarových měření, která jsou kalbrována prostřednctvím laserových dálkoměrných měření na stancích SLR (Kaplan, a další, 2005). Všechny družce GLONASS jsou vybaveny odražeč pro laserová měření. 5.3.5 Stance pro komunkac Do sítě stanc pro komunkac patří všechny tř rozšíření stance Schelkovo, Jensejsk, Komsomolsk na Amuru a další dvě stance Petrohrad, Ussurysk. 165

GLONASS 5.3.6 Montorovací stance Jako montorovací stance fungují stance Schelkovo, Jensejsk, Komsomolsk na Amuru, Petrohrad, Murmansk, Vorkuta, Jakutsk, Ulan-Ude, Nurek, Zelenchuk. 5.4 Prostorový referenční rámec GLONASS Polohová měření prováděná systémem GLONASS jsou v terstrckém referenčním rámc s označením PZ-90 (fon. z ruštny Parametry Zeml). V efemerdách družc GLONASS je poloha fázového středu antén družc udávána právě v systému PZ-90. Systém PZ-90 je geocentrckým systéme pevně spojeným se Zemí (ECEF). Orentace referenčního elpsodu je vztažená k epoše 1990.0 BHI (Internaton Tme Bureau). Elpsod má svůj střed v těžšt Země. Osy X, Y a Z souřadncového systému jsou k sobě ortogonální. Systém je označován jako pravotočvý. Osa Z koresponduje IERS referenčním pólem (IRP). Osa X je prochází těžštěm země a v kladném směru prochází průsečíkem IERS referenčního poledníku (IRM) a rovny rovníku. Osa Y je orentovaná pravotočvě a je kolmá na osy X a Z (v rovně rovníku je umístěná v protsměru pohybu hodnových ručček). Hmota referenčního elpsodu odpovídá hmotě Země včetně oceánu a její atmosféry. Parametry referenčního elpsodu systému PZ-90 vz Tabulka 5-2. 166

GLONASS a = 6 378 136.0 m 1/f = 298.257 84 GM = 398 600 4418 10 9 m 3 /s 2 Ω = 7 292 115 10-11 rad/s Tabulka 5-2 Základní parametry elpsodu PZ-90. Zdroj (RIOSDE, 2008). Realzace první verze elpsodupz-90.00 byla prováděná na základě metod měření družcové geodeze družce GEOIK (1985-1989), GLONASS, ETALON a gravmetrckých dat z družce GEOIK. IERS Referenční poledník IERS Referenční Z PZ-90 [X, Y, Z] pól [λ, φ, h] Těžště Země X PZ-90 Y PZ-90 Obrázek 5-5 Referenční elpsod PZ-90. Epocha realzace 1990.0 BHI. a 6378137.0 m V roce 2005 byla sestavená realzace geocentrckého systému, označována jako PZ-90.02. 1/f 298.257223563 Realzace GM 3986004418 vycházela z x kombnovaných 1014 m3/s2 měření geodetcké družce GEOIK a měření s vysokou Ω 7292115 x 10-11 rad/s 167

GLONASS přesností s pomocí GLONASS/GPS zařízení. Realzace byla vztažena k epoše 2002.0 a dosahovala přesnost 0.3-0,5 metrů v geocentrcké poloze (Vdovn, 2012). Zdrojový ECEF Cílový ECEF ΔX [m] ΔY [m] ΔZ [m] ω X [rad 10 3 ] ω Y [rad 10 3 ] ω Z [rad 10 3 ] m [ 10 6 ] WGS 84 (G1150) PZ-90.02 +1,1 ±0,2 +0,3 ±0,2 +0,9 ±0,3 0 0 +200 ±20 +0,12 ±0,06 ITRF 2000 PZ-90.02 0,36-0,08-0,18 0 0 0 0 ±0,1 ±0,1 ±0,1 Tabulka 5-3 Tabulka transformačních parametrů mez referenčním elpsody a jejch směrodatných odchylek. Zdroj (Vdovn, 2012). Relatvní přesnost PZ-90.02 je 0,02-0,03 metrů na základnu o délce 2 000 klometrů. Poslední platná realzace s označením PZ-90.11 vešla v platnost v dubnu 2014. Pro realzac bylo využto, mmo jž dříve použtých prostředků, také 14 stanc IGS lokalzovaných na území Ruské federace a globální dopplerovská měření družce DORIS. Parametry realzace by měl odpovídat ITRF2008 (Vdovn, 2012). V plánu je provádět zpřesňování a revze systému PZ-90.11 v pravdelném ntervalu pět let (Vdovn, 2012). Parametry transformace mez geocentrckým souřadncem PZ-90.02 a WGS 84 (G1150) a ITRF2000 vz Tabulka 5-3. Polohu je možné v PZ-90 určovat buď v kartézských geocentrckých souřadncích (x, y, z), nebo geografckých souřadncích (λ, φ, h). 168

GLONASS 5.5 Časový referenční rámec GLONASS Systémový čas GLONASS Systémový čas GLONASS je generován na základě času centrální synchronzační jednotky GLONASS angl. Central Synchronzer (CS), jehož nestablta není horší než 2 10-15 sekund. GLONASS čas je navázán na UTC SU a je s ním průběžně udržován v souladu. UTC SU je realzován Hlavním metrologckým centrem ruských časových a kmtočtových služeb. Čas CS a UTC SU jsou udržovány v souladu na celé sekundy prostřednctvím přestupných sekund. Rozdíl mez oběma škálam není větší než 1 mkrosekunda. Užvatelé systému GLONASS jsou na plánovanou korekc GLONASS času upozorněn s tříměsíčním předsthem, prostřednctvím bulletnu. Systémový čas GLONASS udržovaný CS má konstantní posun +3 hodny od UTC SU (RIOSDE, 2008). 169

GLONASS 5.5.1 Družcový čas Družce GLONASS jsou vybaveny atomovým hodnam se stabltou ne horší než 5x10-13. Stablta družce GLONASS-(M) není horší než 1x10-13. Vzájemná synchronzace všech družc GLONASS v konstelac není horší než 20 nanosekund, pro družce GLONASS-M není synchronzace horší než 8 nanosekund. Čas družc je opakovaně porovnáván s CS. Korekce hodn družc, relatvně vůč GLONASS času a UTC SU jsou dvakrát za den přepočítávány a nahrávány na družce. Družce GLONASS-M vysílají v navgační zprávě korekce GPS času vůč GLONASS času. Rozdíl mez oběma časovým škálam není větší než 30 nanosekund. 5.6 Navgační sgnály a jejch modernzace GLONASS Družce GLONASS (GLONASS-M) vysílaly (vysílají) sgnály, které budou dále označovány jako původní sgnály. Na rozdíl od ostatních GNSS, družce GLONASS GLONASS-M využívají FDMA schéma kódování sgnálů. 170

GLONASS S příchodem nové generace družc GLONASS-K (přesněj K1 a K2) dojde, v rámc postupného zavádění nteroperablty a kompatblty sgnálů s ostatním GNSS, k zavedení CDMA dělení sgnálu vz Tabulka 5-4. Družce FDMA sgnály CDMA sgnály Status GLONASS L1OF L2OF L2SF GLONASS-M GLONASS-K1 GLONASS-K2 L1 L2 L1 L2 L3 L1OF L1SF L1OF L1SF L1OF L1SF L2OF L2SF L2OF L2SF L2OF L2SF - - - Družce už v konstelac nejsou - - - Hotovo - - L3OC L3 CDMA L1OCD L1OCP L1SCD L1SCP L2OCD L2OCP L2SCD L2SCP L3OCD L3OCP od 2011-04 Tabulka 5-4 Sgnály a jejch dostupnost s vývojem kosmckého segmentu GLONASS. Zdroj (Revnvykh, 2012). O otevřený sgnál; S - šfrovaný sgnál; F FDMA; C CDMA; D datový sgnál; P plotní sgnál 171

GLONASS 5.6.1 Původní sgnály Družce GLONASS (první generace) vysílaly tř sgnály označované ve specfkac (RIOSDE, 2008) jako sgnál ST (standardní přesnost), sgnál W (přesného určení) a sgnál VT (vysoké přesnost). Sgnály ST a W byly dostupné na frekvenc L1 a sgnály VT byly dostupné na frekvenc L2. Sgnál ST byl jedným otevřeným sgnálem. Podle specfkace jsou v současné době dostupné dva typy sgnálů na dvou frekvencích. Jedná se o sgnály ST a VT. Pro pojmenování sgnálů bude nadále používáno pojmenování, které se šroce používá v publkacích věnovaných sgnálům GLONASS (Revnvykh, 2012), (Wkpeda, 2013), (Kaplan, a další, 2005). Otevřené sgnály VT budou dále označovány jako OF pro FDMA a OC pro CDMA dělení, sgnály utajované VT jako SF pro FDMA a SC pro CDMA. Současné sgnály družc GLONASS-M jsou vysílány na dvou nosných frekvencích L1 a L2. Nosná frekvence L1 L2 je modulována dvěma PRN kódy. První PRN kód bývá označován jako C/A-kód (analogcky k GPS), dříve se označoval jako SP-kód (Rapant, 2002). Druhý PRN kód je označován jako P-kód (analogcky k GPS), dříve byl označován jako HP-kód (Rapant, 2002). Oba kódy modulují nosnou vlnu společně s navgační zprávou. Systém GLONASS používá dva typy navgačních zpráv. 172

GLONASS BPSK Bnární-fázové klíčování L1 1602 MHz C/A-kód P-kód N 562,5 khz NAV C/A NAV P L2 1246 MHz N 437,5 khz C/A-kód NAV C/A P-kód NAV P N = {-7, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6} Obrázek 5-6 Současné sgnály GLONASS (GLONASS-M) Základní nosné frekvence L1 a L2 Všechny družce konstelace GLONASS vysílají sgnály odvozené ze dvou základních frekvencí. Dvojce družc, v protlehlých slotech orbtální rovny, má přdělenou unkátní frekvence nosných vln. Ty jsou odvozované ze základní frekvence přčtením násobků multplkátoru kanálů, který byl oběma družcím přdělen (FDMA). Použtelné kanály jsou nastaveny tak, aby sgnály GLONASS už nenterferovaly s jným sgnály v chráněných radofrekvenčních pásmech. Nosná vlna L1 má základní frekvenc f = 1 602 MHz s odstupem Δ 562,5 khz a používaným multplkátory kanálů {-7, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6}. Nosná vlna L2 má základní frekvenc f = 1 246 MHz s odstupem Δ 437,5 khz a stejným násobč jednotlvých kanálů. 173

GLONASS C/A-kód (dříve označovaný SP-kód) C/A-kód je dlouhý 511 btů a př rychlost 511 kb/s je celý odvysílaný za jednu mlsekundu. Kód je možné charakterzovat jako krátký kód, který je pro potřeby určení pseudovzdálenost nejednoznačný, stejně jako GPS C/A-kód. C/A-kód Charakter: Účel: Délka: Čas odvysílání: Rychlost: Přepočtená délka pro přenos 1 btu: Počet stand. kódu: 1 Utajovaný pomalý kód / krátký kód Nalezení sgnálů družc Dálkoměrná měření pro OC Zpřístupnění navgační zprávy pro neautorzované užvatele 511 b 1 ms 511 Kb/s 587 m ne Tabulka 5-5 Charakterstky C/A-kódu GLONASS. 174

GLONASS Protože C/A-kód, neslouží k dentfkac družce, je používaný pouze jeden, stejný PRN kód, pro všechny družce. C/A-kód je určený pro užvatele otevřené služby a je veřejně publkovaný v dokumentac rozhraní mez družcem konstelace GLONASS a přjímačem GLONASS (RIOSDE, 2008). Sgnály založena na tomto kódu jsou označované L1OF a L2OF. Dekretem prezdenta Ruské Federace č. 3189 z 18. října 2012 je garantovaná dostupnost služeb založených a SP-kódu po dobu následujících 15 let (až do roku 2027). P-kód (dříve označován jako HP-kód) P-kód je kód vysoké přesnost, který byl původně určený pouze pro autorzované užvatelé. P-kód byl opakovaně označen Ruskem jako strktně vojenský kód a proto jsou jeho parametry utajované. Většna nformací o P-kódu byla zjštěna s nezávslých analýz. Sgnály založena na tomto kódu jsou označované L1SF a L2SF. Délka kódu je 33 544 432 btů a př rychlost 5,11 Mb/s se opakuje se jednou za 6,57 s. Pro účely navgace se, ale délka kódu zkracuje na 1 sekundu. Kód je možné považovat za dostatečně dlouhý pro jednoznačná měření pseudovzdálenost mez družc a přjímačem. Přepočítaná délka jednoho btu P-kódu odpovídá vzdálenost 58,7 metrů. Relatvně krátká délka P-kódu umožňuje jeho přímé nabytí, bez nutnost nejprve získat C/A-kód. 175

GLONASS P-kód Charakter: Účel: Délka: Čas odvysílání: Rychlost: Přepočtená délka pro přenos 1 btu: Počet stand. kódu: 1 Utajovaný: dlouhý kód / rychlý kód Dálkoměrná měření pro SF Zpřístupnění navgační zprávy pro autorzované užvatele Umožňuje nalezení sgnálů družc 33 544 432 b (neofcálně) 6,57 s zkráceno na 1 s (neofcálně) 5,11 Mbs 58,7 m Ano Tabulka 5-6 Charakterstky C/A-kódu GLONASS. Navgační zpráva NAV C/A Navgační zpráva pro sgnál s C/A-kódem je přmíchávána (modulo-2 součtem) do C/A-kódu, každé družce. Navgační zpráva je vysílaná rychlost 50 b/s. Její prmární účel je předávat zprávy s nformacem o družc a systémová data GLONASS, která se nevztahují přímo k družc vysílající zprávu. 176

GLONASS Data se vztahem k družc obsahuj: časovou značku družce, hodnoty rozdílů mez časovou škálou palubních hodn družc a systémovým časem GLONASS, relatvní rozdíl mez frekvenc nosné vlny družce a nomnální frekvenc a efemerdy s doplňkovým nformacem (RIOSDE, 2008). Systémová data GLONASS obsahují: status všech družc v konstelac, hrubé korekce času všech družc konstelace, parametry orbt celé konstelace (almanach), korekce GLONASS času na UTC SU a další nformace (RIOSDE, 2008). Navgační zprávy družc GLONASS-M obsahují také data s hodnotou rozdílu GLONASS času a GPS času (RIOSDE, 2008). Navgační zpráva je strukturovaná do opakujícího se super rámce, který se dělí na rámce. Rámce se dělí na řetězce. Hrance všech základních částí navgační zprávy jsou mez všem družcem konstelace synchronní na 2 mlsekundy. Délka vysílání super rámce je 2,5 mnuty. 177

GLONASS Významný datový obsah podrámce Předávací slovo časová značka Číslo rámce Rámec 1 Rámec 2 Rámec 5 Číslo řetězce 1 2 3 4 5 0 0 0 0 0 Data k družc část 1 Data k družc část 2 Data k družc část 3 Data k družc část 4 Systémová data konstelace HC TM HC TM HC TM HC TM HC TM........... 14 15 0 0 Systémová data konstelace Systémová data konstelace HC TM HC TM 1 0 Data k družc část 1 HC TM 2 0 Data k družc část 2 HC TM 3 0 Data k družc část 3 HC TM 4 0 Data k družc část 4 HC TM 5 0 Systémová data konstelace HC TM........... 14 0 Systémová data konstelace HC TM 15 0 Systémová data konstelace HC TM 1 2 3 4 5 14 15 0 Data k družc část 1 HC TM 0 Data k družc část 2 HC TM 0 Data k družc část 3 HC TM 0 Data k družc část 4 HC TM 0 Systémová data konstelace HC TM........... 0 Systémová data konstelace HC TM 0 Systémová data konstelace HC TM Obsah řetězců se mění v každém z 5 rámců Obrázek 5-7 Struktura navgační zprávy GLONASS pro C/A-kód (sgnály OF). Převzato a upraveno z (RIOSDE, 2008). V každém super rámc je pět rámců, jejchž odvysílání trvá 30 sekund. Rámec obsahuje patnáct řetězců dlouhých 2 sekundy. Každý rámec obsahuje část řetězců, které se vztahují k družc (řetězce 1 až 4) a část dat, která jsou systémová (řetězce 6 až 15). 178

GLONASS Časová značka družce je odvysílána vždy v posledních 0,3 sekundách řetězce. Efemerdy družce jsou získány za 30 sekund. Navgační zpráva P-kódu Stejně jako je utajovaný P-kód, je utajovaná navgační zpráva P-kódu. Podle (Kaplan, a další, 2005) byla, na základě nezávslého zkoumání, odhadnuta délka trvání kompletní navgační zprávy na 12 mnut. Celá zpráva se pak skládá ze 72 rámců. Každý rámec obsahuje pět řádků a jeho odvysílání trvá 10 sekund. Jeden řádek je dlouhý 100 btů. Efemerdy jsou součást prvních třech řádku a neustále se ve všech rámcích opakují. Získání efemerd družce trvá 10 sekund. Získání almanachu konstelace GLONASS trvá 12 sekund. 5.6.2 Modernzované sgnály S příchodem družc GLONASS-M došlo k rozšíření druhého cvlního sgnálu označovaného jako L2OF, vzhledem k tomu, že sgnály jsou jž plně dostupné od roku 2006, byla tato modernzace zařazena jž do předešlé kaptoly. 179

GLONASS Sgnály L3OC L3OC je novým sgnálem, který má být součást vysílání družc GLONASS-K1. První družce byla vypuštěna na oběžnou dráhu v roce 2011. Družce je stálé ve fáz letových testů. Sgnál je třetím otevřeným sgnálem GLONASS a používá jako první sgnál GLONASS kódový multplex CDMA. Základní charakterstky L3OC sgnálu jsou: nosná frekvence f=12012.25 MH, dálkoměrný kód sgnálů je dlouhý 10.23 Mb/s, navgační zpráva L3OC bude dlouhá 12 000 btů pro 24 družc, v budoucnu 15 000 btů pro 30 družc, její odvysílán bude trvat 2 mnuty, v budoucnu 2,5 mnuty. CDMA kódovací schéma pro sgnály na frekvencích L1 a L2 S příchodem družce GLONASS-K2 bude do původních frekvencí přdaná čtveřce nových sgnálů jak pro užvatele OS, tak pro užvatele AS. Sgnály jsou označovány L1OC (L1OC Data a L1OC Plot) a L1SC (L1SC Data a L1SC Plot) a analogcky pro frekvenc L2 (L1OC Data a L1OC Plot) a L2SC (L1SC Data a L1SC Plot) (ESA, 2012), (Revnvykh, 2012). Start první družce GLONASS-K2 je plánován na rok 2015. 180

GLONASS 5.7 Služby GLONASS Ačkolv není veřejně dostupná specfkace služby OS, která by byla podobná například SPS pro GPS a neexstuje an specfkace služby AS, je možné rozdělt služby na: otevřenou službu angl. Open Servce - odpovídající GPS SPS a autorzovanou služby odpovídající PPS GPS. Otevřená služba Podle dekretu ruského prezdenta z 18. října 2012 se Ruská federace zavázala poskytovat sgnály otevřené služby na frekvenc L1 a L2 ruským meznárodním cvlním a komerčním užvatelům zdarma a to mnmálně po dobu 15 let. Dále se Ruská federace zavázala udržovat výkonnostní standardy GLONASS v souladu se: Standardy a doporučeným operačním postupy meznárodní organzace pro cvlní letectví (angl. Standards and Recommended Practces Internatonal Cvl Avaton Organzaton (SARPs ICAO). Podle posledních nformací publkovaných v prezentacích nformačního Analytckého centra federální kosmcké agentury Ruské federace (GLONASS-IAC), je přesnost sgnály v prostoru (SIS) do 2,8 metrů (Revnvykh, 2012). 181

GLONASS Otázka 5.1 Spojte odpovídající s pojmy v prvním a druhém sloupc. Správně přřaďte významnou událost v hstor systému GLONASS k datu.? 1) 1976 2) 1996 3) 2000 4) 2012 a) Dosažení FOC (GLONASS). b) Druhé FOC (GLONASS-M). c) Zahájení budovaní GLONASS. d) Úpadek kosmckého segmentu. Otázka 5.2 Doplň do tabulky. Doplňte základní parametry konstelace GLONASS?? Počet družc v konstelac (konec 2013): Počet orbtálních rovn: Mnmální počet družc na orbtu: Typ orbty: Oběžná doba: Mnmální počet vdtelných družc ze zemského povrchu: 182

GLONASS Otázka 5.3 Uveďte a následně zkontrolujte s textem. Jak se jmenuje terestrcký referenční rámec, který je v GLONASS používán?? Otázka 5.4 Spojte odpovídající s pojmy v prvním a druhém sloupc. Jaké je směřování os souřadncového systému PZ-90? Vyberte správné dvojce.? 1) Osa X 2) Osa Y 3) Osa Z a) Prochází osou rotace Země (v pólech IERS) pro epochu 1990.0 BHI. b) Směřuje z těžště Země do průsečíku referenčního poledníku s rovnou rovníku v epoše 1990.0 BHI. c) Směřuje v rovně rovníku kolmo na spojnc těžště a průsečíku IERS referenčního poledníku v epoše 1990.0 BHI s rovníkem. Rotace je v protsměru hodnových ručček (pravotočvě). 183

GLONASS Otázka 5.5 Označte jednu správnou odpověď. Systémový čas GLONASS je jakého typu? a) Čas TAI, pro který je na úrovní navgační zprávy uveden počet přestupných sekund vůč UTC SU času. b) Čas UTC, který je synchronzován s UTC SU. c) Průběžný atomový čas.? Otázka 5.6 Označte jednu správnou odpověď. Jak je řešena nteroperablta časových škál systému GPS a GLONASS? a) Přepočet mez časovým škálam řeší GNSS přístroj na základě dat z hlavní řídcí stance (GPS) a systémového řídcího centra (GLONASS). b) Družce GPS vysílají v navgační zprávě korekce na systémový čas GLONASS. c) Družce GLONASS vysílají v navgační zprávě korekce na GPS čas. d) Družce GPS GLONASS vysílají ve svých navgačních zprávách korekce na systémový čas GNSS.? 184

Galleo 6 Galleo V této kaptole se seznámíte s kosmckým a řídcím segmentem evropského systému Galleo. Dozvíte se, jak bude kosmcký segment koncpován, a jakou bude plnt rol. Seznámíte se také s řídcím segmentem. U řídcího segmentu budete obeznámení s jednotlvým typy stanc řídcího segmentu, jejch úloham a rozmístěním po světě. Dále se v kaptole dozvíte nformace o terestrckém referenčním rámc GTRF, který je základem pro určování polohy v systému Galleo, o systémovém času Galleo. Po přečtení posledních dvou částí této kaptoly budete vědět, jaké sgnály a služby budou užvatelům Galleo k dspozc, po dobudování sytému. Odhadovaný čas 60 mnut 6.1 Hstore Systém Galleo je budován jako Evropský globální družcový navgační systém. Potřebu vybudovat svůj vlastní GNSS veřejně formulovala Evropská Une (EU) jž v roce 1990. Z této potřeby pochází prvotní ncatva vedoucí k vybudování prvního evropského GNSS s názvem EGNOS (European Geostatonary Navgaton Overlay Servce) a označením GNSS-1. EGNOS byl prvním krokem k systému Galleo. Systém EGNOS byl zamýšlen, jako systém vylepšující (garantující) dostupnost navgačních sgnálů pro leteckou, námořní pozemní dopravu. Systém začal fungovat jž v roce 2005. V roce 2009 EGNOS zahájl ofcálně plný provoz, byl dokončen. 185

Galleo Jž od počátku bylo jasné, že systém EGNOS neumožní Evropě kontrolovat sgnály, an nezajstí užvatelům nezávslý sgnál s garantovanou kvaltou a výkonem. To vedlo už v roce 2001 k rozhodnutí EU, vybudovat systém Galleo označovaného jako (GNSS-2). V době vývoje systému EGNOS EU vyjednávala o spoluprác na budování svého vlastního systému s oběma provozovatel, v té době fungujících, navgačních systému jak s USA (GPS), tak s Ruskou federac (GLONASS). Jednání vedla k závěru, že nezávslost na jedné zem a její vládě, je možné dosáhnout jen tím, že bude vybudovaný zcela nový systém, který bude postaven od základu na dej nezávslost a komerční otevřenost, komukolv. Přesto jednání s USA vedla k dohodě s USA o kompatbltě systému GPS a Galleo na úrovn sgnálů. Jedním z poltckých dopadů budování systému Galleo, bylo vypnutí SA u družc GPS už v roce 2000. Období roku 2000 koresponduje s dobou, kdy Evropa směřovala k přjetí fnálního rozhodnutí, zda začne budovat od základu vlastní GNSS, nebo bude spolupracovat na rozvoj systému GPS, který by ovšem nebyl zcela osvobozen od vlvu mnsterstva obrany USA. V tomto světle, je zrušení SA nterpretováno jako poltcké gesto, které mělo přmět Evropu, ke spoluprác s USA na rozvoj systému GPS. Systém GLONASS byl v té době v hlubokém úpadku. Podle (EU, ESA, 2002) systém Galleo bude: poskytovat vysoce přesné, garantované a globálně dostupné polohové služby pod cvlní kontrolou a bude nteroperablní s GPS a GLONASS. V roce 2004 byla uzavřená smlouva o spoluprác mez programem Galleo a Čínským národním centrem pro dálkový průzkum Země angl. Natonal Remote Sensng Centre of Chna (NRSCC). 186

Galleo Postupně se k projektu Galleo přpojly některé z dalších nečlenských zemí EU a ESA. V červenu 2004 Izrael, v červenu 2005 Ukrajna, následuje Maroko v lstopadu 2005, Jžní Korea v lednu 2006. V dubnu 2009 se k projektu přpojuje Norsko a v prosnc 2013 Švýcarsko. Vývoj a budování systému byl rozdělen do tří fází. Jedná se o: fáz ověřovací angl. In-Orbt Valdaton (IOV), fáz počáteční operační způsoblost angl. Intal Operatonal Capablty (IOC) a fáz plné operační způsoblost angl. Full Operatonal Capablty (FOC). Podle původních časových plánů z roku 2001, měl dosáhnout Galleo fáze FOC v roce 2010 (EU, ESA, 2002). S ohledem na fakt, že je Galleo budován mnohonárodnostní EU, se státy s vlastním poltckým zájmy a s ohledem na ekonomckou krz z roku 2008, došlo ke značnému zpoždění realzace celého projektu. V první fáz IOV bylo nutné vybudovat kosmcký segment s dvojcí expermentálních družc a omezenou konstelac čtyř navgačních družc. Dále bylo nutné vybudovat řídcí segment v rozsahu potřebném pro ověřovací testy. Některé část řídcího segmentu Galleo byly jž vybudovány v době výstavby systému EGNOS. 187

Galleo Fáze IOV byla dosažena v roce říjnu 2012. Podle upraveného časového plánu by mělo být dosaženo IOC pro některé ze služeb Galleo v roce 2015. V té době by mělo být na orbtech umístěno 18 operujících navgačních družc, dále by měla být plně dobudována pozemní nfrastruktura řídcího segmentu. V roce 2015 by měla být spuštěna otevřená služba (OS). První z pět plánovaných služeb systému Galleo. Nejpozděj v roce 2020 by mělo být dosaženo FOC. Tou dobou by mělo být dosaženo plné konstelace 30 družc s kompletním řídcím segmentem (Thelmann, 2010). 6.2 Kosmcký segment Galleo Označení konstelace 27+3 Celkový počet družc na orbtech Počet orbtální rovn 3 Počet slotů na orbtální rovnu Tvar orbty Výška orbty Inklnace oběžných drah Aktvní generace Oběžná doba 30 9 (+1) kruhová 23 222 km 56 GSAT 14 h 15 mn První dvě expermentální družce Galleo s označením GIOVE-A a GIOVE-B byly umístěny na oběžnou dráhu v říjnu 2011. V průběhu roku 2012 následovalo umístnění prvních čtyř navgačních družc s označením GSAT0101, GSAT0102, GSAT0103, GSAT0104. Družce od chvíle, kdy přešly do operačního režmu, vysílají k zem sgnály E1 a E5. Tabulka 6-1 Plánované parametry kosmckého segmentu Galleo. 188

Galleo Dne 12. března 2013 byla poprvé určena poloha pouze na základě navgačních sgnálů vysílaných čtyřm družcem systému Galleo (ESA, 2013). Předpokládaná konstelace kosmckého segmentu vz Tabulka 6-1. Podle návrhu by mělo být kdekolv na zemském povrchu dostupných alespoň 6 družc. Dostupnost by měla být zajštěná v hustě zastavěných oblastech. Konstelace má také, v porovnání s ostatním GNSS, vyšší úklon oběžných drah družc. To by mělo zajstt dobré pokrytí sgnály družc v severních oblastech Evropy, například v Norsku (Cavagla, 2013). 6.3 Pozemní segment Galleo Řídcí segment Galleo se skládá z: dvou (redundantních) řídcích center, sítě montorovacích stanc, stanc pro komunkac s družcem (ULS), stanc pro telemetr, sledování a řízení družc (TT&C), senzorových stance (GSS) a globální komunkační sítě. 189

Galleo 6.3.1 Řídcí stance Redundantní řídcí centra jsou umístěny v Fucnu (Itále) a v Oberpfaffenhofen (Německo). Řídcí centra mají dvě základní skupny funkcí. První skupna funkcí je zaměřená na udržování konstelace družc a údržbu jednotlvých družc angl. Galleo Control System (GCS). Druhá skupna funkcí je zaměřená na zajštění mse (poslání) navgačního systému angl. Galleo Msson System (GMS) (ESA, 2013). Galleo Control System GCS je odpovědný za řízení a správu konstelace družc jako celku a jednotlvých družc v konstelac. Řídcí systém má na starost telemetr družc a zajšťuje povelové řídcí funkce družc. Základem GSC je pět globálně rozmístěných TT&C stanc, dvacet devět GSS stanc a globální komunkační síť. S těmto prostředky jsou realzovány plánovaná spojení, dlouhodobější testy a nouzová spojení s družcem, př řízení kosmckého segmentu Galleo. 190

Galleo Galleo Control System Zařízení pro řízení kosmckých prostředků a konstelace SCCF Zařízení pro plánování kosmckých prostředků a konstelace SCPF Zařízení letové dynamky FDF Zařízení přípravy operací OPF Zařízení pro centrální montorování & řízení CMCF Zařízení pro správu šfrovacích klíčů GSC KMF Smulátor konstelace CSIM Provádí on-lne montorování a řízení družc jak v rutnním provozu, tak v krzových stuacích. Plánování spojení s družcem konstelace (1 x za oběh družce) pro podporu rutnních operací. Plánování specálního rozšířeného spojení pro krtcké operace. Určování orbt. Plánování manévru kosmckých prostředků. Příprava a řízení všech operačních databází a procedur, včetně procedur určených k automatckému vykonávání. Podpora montorování a řízení všech GCS zařízení, včetně TT&C stanc, GCC zařízení a sítí. Zajštění bezpečnostních aspektů a ochrany dat (generování šfrovacích klíčů, zajštění šfrovacích a dešfrovacích procesů). Ověřování operačních postupů. Výcvk. Zkoumání anomálí. Tabulka 6-2 Základní komponenty patřící pod systém řízení Galleo (GCS). Převzato a přeloženo z (ESA, 2013). 191

Galleo Galleo Msson System - čast 1 Zařízení pro určení orbt a synchronzac OSPF Zařízení pro správu ntegrty IPF Zařízení pro generování obsahu navgačních zpráv MGF Zařízení pro přesný čas PTF Zařízení pro montorování pozemní částí GACF Zařízení pro řízení nahrávání klíčových dat na družce MUCF Výpočet efemerd. Predkce času. Určení SISA (Sgnal-n-Space accuracy). Určování příznaku ntegrty pro každou z družc v reálném čase. Pravdelné vysílání tabulek ntegrty. Generování obsahu navgačních zpráv z dat získaných a vypočtených řídcím segmentem. Generování obsahu navgačních zpráv z dat externích subjektů. Generování Galleo systémového času. Montorování a kontrola všech částí GMS v reálním čase. Montorovaní on-lne a off-lne provozní komunkace. Plánování provozu a nahrávání dat. Tabulka 6-3 Základní komponenty patřící pod systém zajštění mse Galleo (GMS). Převzato a přeloženo z (39). 192

Galleo Galleo Msson System Systém pro zajštění mse Galleo je odpovědný za sestavování obsahu navgačních zpráv družc a nahrávání navgačních dat s daty o ntegrtě sgnálů na družce. K tomu GMS využívá síť dvacet devít GSS stanc. GMS komunkuje prostřednctvím pět stanc ULS s družcem Galleo. Galleo Msson System - čast 2 Zařízení pro podporu mse MSF Zařízení údržby a výcvku MTPF Zařízení pro správu šfrovacích klíčů GMS KMF Zařízení pro předávání produktů SPF Off-lne podpora pro konfgurac a kalbrac dat pro prvky pracující v reálném čase. Výcvková zařízení a zařízení údržby. Trénnkové vybavení a vybavení údržby. Zajštění bezpečnostních aspektů a ochrany dat (generování šfrovacích klíčů, zajštění šfrovacích a dešfrovacích procesů). Implementace výměnné brány mez řídcím segmentem a vnějším světem. Tabulka 6-4 Základní komponenty patřící pod systém zajštění mse Galleo (GMS). Převzato a přeloženo z (39). 193

Galleo Obrázek 6-1 Rozmístění stanc pozemního segmentu Galleo (duben 2014). 194