Zobrazení zdroje stránky GPS

{{Různé významy|stránka=GPS (rozcestník)}}
[[Soubor:GPS Satellite NASA art-iif.jpg|náhled|Ilustrace [[Umělá družice|družice]] GPS na oběžné dráze bloku IIF (obrázek [[NASA]])]]
'''GPS''' ({{Vjazyce2|en|''Global Positioning System''}}, {{Vjazyce2|cs|''globální polohový systém''}}, hovorově ''džípíeska'') je [[globální družicový polohový systém]] vlastněný [[Spojené státy americké|USA]] a provozovaný [[Vesmírné síly Spojených států amerických|Vesmírnými silami Spojených států amerických]]. GPS umožňuje pomocí elektronického přijímače určit přesnou polohu na povrchu Země, nahrazuje tak starší metody založené na pozorování hvězd, Slunce, používání [[sextant]]u nebo [[triangulace]]. Označení ''GPS'' přešlo do obecné mluvy jako označení pro jakýkoliv elektronický systém zjišťování polohy, přestože existují další systémy ([[GLONASS]], [[Navigační systém Galileo|Galileo]], [[BeiDou]] a další). V současné době je GPS systém využíván v mnoha oborech lidské činnosti.

== Historie ==
[[Soubor:Delta_II_7925_Navstar_GPS.jpg|náhled|Příprava startu rakety Delta II s [[Umělá družice|družicí]] bloku IIA nesoucí označení "NAVSTAR 31" v roce 1993. (fotografie [[NASA]])]]
Projekt navazuje na předchozí [[Globální družicový polohový systém|GNSS]] [[Transit]] (1964–1996) a rozšiřuje ho především kvalitou, dostupností, přesností a službami. Původní název systému je NAVSTAR GPS (''Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System''), který nesou také [[Umělá družice|družice]], které systém GPS využívá ke své činnosti. Vývoj NAVSTAR GPS byl zahájen v roce [[1973]] sloučením dvou projektů určených pro určování polohy ''System 621B'' (USAF) a pro přesné určování času ''Timation'' (US Navy). Mezi léty 1974–1979 byly prováděny testy na pozemních stanicích a byl zkonstruován experimentální přijímač. Od roku 1978–1985 začalo vypouštění 11 vývojových družic bloku I. V roce 1979 byl rozšířen původní návrh z nedostačujících 18 na 24 družic. Od roku 1980 začalo vypouštění družic GPS společně se senzory pro detekci jaderných výbuchů a startů balistických raket jako výsledek dohod o zákazu jaderných testů mezi [[Spojené státy americké|USA]] a [[Sovětský svaz|SSSR]].<ref>Rapant s. 171</ref><ref>http://www.lib.cas.cz/space.40/1980/032A.HTM</ref>

Počátkem 80. let se projekt dostal do finančních problémů. V roce [[1983]], kdy sovětská [[Stíhací letoun|stíhačka]] ve vzdušném prostoru [[Sovětský svaz|SSSR]] sestřelila civilní [[Dopravní letoun|dopravní letadlo]] [[Let Korean Air 007|Korean Air Flight 007]] (KAL 007), přičemž všech 269 lidí na palubě zahynulo, oznámil americký [[prezident]] [[Ronald Reagan]], že po dokončení bude GPS k dispozici i pro civilní účely.

V roce 1990 během [[Válka v Zálivu|války v Zálivu]] byla dočasně deaktivována selektivní dostupnost (SA) pro neautorizované uživatele, z důvodu nedostatku armádních přijímačů. Zapojena byla opět 1. července 1991.

Počáteční operační dostupnost (IOC) byla vyhlášena 8. prosince 1993, plná operační dostupnost pak [[17. leden|17. ledna]] [[1994]], kdy byla na [[Oběžná dráha|orbitu]] umístěna kompletní sestava 24 [[Umělá družice|družic]].

Definitivní zrušení selektivní dostupnosti nastalo 1. května 2000. Od té doby je možné v civilním sektoru určit geografickou polohu přijímače nacházejícího se kdekoliv na [[Země|Zemi]] nebo nad Zemí s přesností asi 5 metrů a také čas s přesností na jednotky nanosekund (přesnost určení polohy pomocí GPS lze s použitím dalších metod zvýšit až na jednotky centimetrů) za předpokladu, že není výše než 18&nbsp;km a nepohybuje se rychleji než 2000&nbsp;km/h.

První družice bloku IIR-M podporující nový civilní signál označovaný L2C byla vypuštěna 25. září 2005.<ref>kowoma: [http://www.kowoma.de/en/gps/history.htm History of NAVSTAR GPS]{{Nedostupný zdroj}} 30. září 2008</ref>

V roce 2018 byl na trh uveden první čip, který umí využívat kromě signálu L1 též signál L5, což umožňuje určit pozici s přesností až na 30&nbsp;cm.<ref name=E5L5>{{Citace elektronického periodika
 | příjmení = Moore
 | jméno = Samuel K.
 | titul = Superaccurate GPS Chips Coming to Smartphones in 2018
 | periodikum = IEEE Spectrum
 | datum vydání = 2017-09-21
 | datum přístupu = 2018-09-07
 | url = https://spectrum.ieee.org/tech-talk/semiconductors/design/superaccurate-gps-chips-coming-to-smartphones-in-2018
}}</ref>

Na rok 2023 bylo ohlášeno spuštění GPS III, která měla přinést trojnásobně lepší přesnost a vyšší spolehlivost.<ref>{{Citace elektronického periodika
 | příjmení = Kilián
 | jméno = Karel
 | odkaz na autora = 
 | titul = GPS III bude spuštěna v roce 2023. Přinese třikrát lepší přesnost a vyšší spolehlivostVíce na: https://vtm.zive.cz/clanky/gps-iii-bude-spustena-v-roce-2023-prinese-trikrat-lepsi-presnost-a-vyssi-spolehlivost/sc-870-a-200334/default.aspx
 | periodikum = VTM
 | odkaz na periodikum = zive.cz
 | datum vydání = 2019-09-21
 | datum přístupu = 2019-09-24
 | url = https://vtm.zive.cz/clanky/gps-iii-bude-spustena-v-roce-2023-prinese-trikrat-lepsi-presnost-a-vyssi-spolehlivost/sc-870-a-200334/default.aspx
}}</ref> Měla být zdvojnásobena životnost družic na 15 let, přesnost měla narůst na 1 až 3 metry a měl být vysílán silnější signál L1C, používající stejnou frekvenci jako evropská síť Galileo, japonská QZSS a čínská Beidou. V roce 2019 byly na orbitě již dva satelity (Vespucci, Magellan), v červnu 2020 měl být vypuštěn další.

Na provoz GPS je ročně vynakládána částka přibližně 600 až 900 milionů (2006–2008) [[Americký dolar|amerických dolarů]] z rozpočtu USA.<ref name="GPS overview from JPO">[http://www.marshall.org/pdf/materials/507.pdf Page FY 2008 Presidential Budget Request for National Security Space Activities] {{Wayback|url=http://www.marshall.org/pdf/materials/507.pdf |date=20081127171854 }}, květen [[2007]].</ref>

== Princip funkce ==
{{Viz též|Globální družicové polohové systémy}}

== Struktura systému ==
Celý systém GPS lze rozdělit do 3 segmentů:
* kosmický
* řídicí
* uživatelský

=== Kosmický segment ===
{| class="wikitable" style="float: right;"
|+ [http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_USA_satellites Počet družic]<ref>{{Citace elektronické monografie | url=ftp://tycho.usno.navy.mil/pub/gps/gpsb2.txt | titul=UNITED STATES NAVAL OBSERVATORY (USNO) - BLOCK II SATELLITE INFORMATION }}{{Nedostupný zdroj}}</ref><ref>{{Citace elektronického periodika |titul=GPS constellation status |url=https://www.glonass-iac.ru/en/GPS/ |datum přístupu=2021-06-03 |url archivu=https://web.archive.org/web/20210603082816/https://www.glonass-iac.ru/en/GPS/ |datum archivace=2021-06-03 |nedostupné=ano }}</ref><ref>[https://www.navcen.uscg.gov/?Do=constellationStatus GPS Constelation Status]. NAVSTAR Navigation Center [[9. duben]] [[2008]]</ref><ref>Doug Louden: [http://www.navcen.uscg.gov/cgsic/meetings/USSLS/May_2006_Meeting/03-Const%20stat06%5B1%5D.ppt Navstar GPS Constellation Status] {{Wayback|url=http://www.navcen.uscg.gov/cgsic/meetings/USSLS/May_2006_Meeting/03-Const%20stat06%5B1%5D.ppt |date=20061217140653 }}23. květen 2006</ref><ref>Matthew Smitham: [http://www.gps.gov/multimedia/presentations/2014/09/ION/smitham.pdf] 10. září 2014</ref><ref>[Current and Future Satellite Generations  http://www.gps.gov/systems/gps/space/]</ref><ref>[http://gpsworld.com/gps-iii-nine-and-ten-procured-targeting-2022-launch/ GPS III 9 and 10 procured, targeting 2022 launch] October 3, 2016</ref>
|-
! Blok (životnost<sup>#</sup>) || Období || Vypuštěno || Aktivní || Signály<sup>&</sup>
|-
!I
|1978–1985||10+1<sup>✝</sup>||0|| 1+2
|-
!II (7,5)
|1989–1990||9||0|| 1+2
|-
!IIA (7,5)
|1990–1996||19||0|| 1+2
|-
!IIR (10)
|1997–2004||12+1<sup>✝</sup>||6|| 1+2
|-
!IIR-M (8,5)
|2005–2009||8||7|| 2+4
|-
!IIF (15)
| 2010–2016||12||12|| 3+4
|-
!IIIA (15)
| 2018–2026||6+4<sup>$</sup>||6 || 4+4
|-
!IIIF
| 2026–2034||0+22<sup>v</sup>||0 ||
|-
|colspan="2"|'''Celkem'''
|76 +2<sup>✝</sup> +5<sup>$</sup> +21<sup>v</sup>||31
|-
| style="font-size: small;" colspan="5" |<sup>v</sup> Výhled, plán.
<sup>✝</sup> Ztracena při startu nebo selhalo oživení.<br /><sup>$</sup> V přípravě.<br /><sup>#</sup> Plánovaná životnost v letech.<br /><sup>&</sup> Vysílané civilní + vojenské signály.<br />(Poslední změna: 8. srpna 2023)
|-
|}
{{Podrobně|Seznam satelitů GPS}}[[Soubor:ConstellationGPS.gif|náhled|Schema změn poloh družic a jejich viditelnosti z konkrétního místa na Zemi]]
Kosmický segment byl projektován na 24 [[Umělá družice|družic]], ale nyní je využíván až na mezní počet 32. Protože v&nbsp;datovém rámci je pro číslo satelitu určeno jen 5 [[bit]]ů (2<sup>5&nbsp;</sup>=&nbsp;32), bude třeba pro další navyšování počtu změnit strukturu dat.

Družice obíhají ve výšce 20&nbsp;350&nbsp;km nad povrchem Země na 6 kruhových drahách se sklonem 55°. Dráhy jsou vzájemně posunuty o 60° a na každé dráze jsou původně 4 pravidelně, nyní 5-6 nepravidelně, rozmístěné pozice pro družice. Družice váží asi 1,8 tuny a na střední oběžné dráze (MEO, Medium Earth Orbit) se pohybuje rychlostí 3,8&nbsp;km/s, s dobou oběhu kolem Země 11&nbsp;h&nbsp;58&nbsp;min (polovina [[Hvězdný čas|siderického dne]]).

Klíčové části družic NAVSTAR jsou:
* 3 až 4 velmi přesné (10<sup>−13&nbsp;</sup>s) [[atomové hodiny]] s [[Rubidium|rubidiovým]] dříve také s [[Cesium|cesiovým]] [[oscilátor]]em
* 12 antén [http://en.wikipedia.org/wiki/Microstrip_antenna RHCP] pro vysílání rádiových kódů v pásmu L (2&nbsp;000–1&nbsp;000&nbsp;MHz)<ref>NavtechGPS: [http://www.navtechgps.com/extra/GNSSfacts.asp GNSS Facts] {{Wayback|url=http://www.navtechgps.com/extra/GNSSfacts.asp |date=20080611134907 }}</ref>
* antény pro komunikaci s pozemními kontrolními stanicemi v pásmu S (2&nbsp;204,4&nbsp;MHz)
* antény pro vzájemnou komunikaci družic v pásmu [[Ultra krátké vlny|UHF (česky označováno UKV)]]
* optické, rentgenové a pulzní-elektromagnetické [[Detektor záření|detektory]] odhalující starty balistických raket a jaderné výbuchy ([[Vela (družice)|IONDS]])
* solární panely a baterie jako zdroj energie

Na dvou exemplářích družic PRN 35, 36 bloku IIR vypuštěných v letech 1993 a 1994 byla testována [[Odrazové sklo|odrazová pole]] pro měření polohy družice laserovými měřidly ([[Satellite laser ranging|SLR]]) projektu [[NASA]] ILRS (International Laser Ranging Service).<ref>NASA/ILRS: [https://archive.today/20120529003538/ilrs.gsfc.nasa.gov/satellite_missions/list_of_satellites/gp35_general.html GLONASS-95 Satellite Information]</ref> Konstrukce zrcadla vážila asi 10&nbsp;kg o úhlopříčce půdorysného obdélníku 20&nbsp;cm a byla tvořena 32 dílčími buňkami.<ref>Beutler G.: [GPS and GNSS from the International Geosciences Perspective http://pnt.gov/advisory/2008-03/beutler.pdf {{Wayback|url=http://pnt.gov/advisory/2008-03/beutler.pdf |date=20090109025639 }}]; ILRS str. 17–22</ref> V některém z bloků III bude opět tato technologie využita.<ref>{{Citace elektronického periodika |titul=Archivovaná kopie |url=http://www.nasa.gov/directorates/heo/scan/news_GPS_III_SLR_Implementation_Team_Honored_with_Award.html |datum přístupu=2016-02-20 |url archivu=https://web.archive.org/web/20160302100241/http://www.nasa.gov/directorates/heo/scan/news_GPS_III_SLR_Implementation_Team_Honored_with_Award.html |datum archivace=2016-03-02 }}</ref>

V České republice je nejčetnější viditelnost 8 družic (medián), minimum pak 6, maximum 12 družic, při elevační masce 10° v roce 2008.<ref name="almanachtest">[http://gis.templ.net/gps/Prague-20081704/ Analýza četnosti výskytu družic GPS a GLONASS] {{Wayback|url=http://gis.templ.net/gps/Prague-20081704/ |date=20090206125656 }} Trimble's Planning Software [[17. duben]] [[2008]]</ref>

Družice jsou několikrát do roka, obvykle plánovaně, odstaveny pro údržbu atomových hodin a korekci dráhy družice. Údržba trvá přibližně 12-24 hodin. Průměrná životnost družice je asi 10 let, obměna kosmického segmentu trvá přibližně 20 let.

Pro popis stavu kosmického segmentu jsou definovány dva stavy implementace:
* '''plná operační schopnost''' (FOC, Full Operational Capability) – označení stavu, kdy je nejméně 24 družic plně funkčních, podporující novou technologii. Poprvé byl vyhlášen 17. července 1995 po vypuštění a zprovoznění 24 družic Bloku II a IIA.
* '''částečná operační schopnost''' (IOC, Initial Operational Capability) – označení stavu, kdy je nejméně 18 družic plně funkčních, podporující novou technologii. Poprvé byl vyhlášen 8. prosince 1993 po vypuštění a zprovoznění 18 družic Bloku I, II a IIA.

V roce 2008 byly uzavřeny kontrakty mezi US Air Force a firmou Lockheed Martin na vývoj a výrobu 16 družic bloku IIIA v ceně 1,5 miliard USD<ref>Glen Gibbons: [http://www.insidegnss.com/node/681 Lockheed Martin Wins GPS IIIA Contract] {{Wayback|url=http://www.insidegnss.com/node/681 |date=20100616022057 }} in Inside GNSS, 15. květen 2008</ref> na roky 2014–2019 a v roce 2010 na 12 družic bloku IIIB v ceně 3 miliard USD<ref>Glen Gibbons: [http://www.insidegnss.com/node/2147 Lockheed Martin Team Completes Requirements Review for GPS IIIB Program] {{Wayback|url=http://www.insidegnss.com/node/2147 |date=20101205100358 }} in Inside GNSS, 22. červen 2010</ref>.

=== Řídicí a kontrolní segment ===
[[Soubor:2_SOPS_space_systems_operator_040205-F-0000C-001.jpg|náhled|Operátorka řídicího střediska na letecké základně Schriever monitorující stav kosmického segmentu (fotografie [[Letectvo Spojených států amerických|USAF]])]]

Segment se skládá z několika částí:
* '''velitelství''' – Navstar Headquarters na [[Letecká základna Los Angeles|letecké základně Los Angeles]] v [[Kalifornie|Kalifornii]] v [[Spojené státy americké|USA]].
* '''řídicí středisko''' (MSC, Master Control Station), na [[Schrieverova letecká základna|Schrieverově letecké základně]] [[Letectvo Spojených států amerických|USAF]] v [[Colorado Springs]], 2nd Space Operations Sq. Záložní řídicí středisko (BMCS, Backup Master Control Station) umístěné v Gaithersburg (Maryland, USA) přebírá cvičně 4× do roka řízení systému, v nouzi je připravena do 24 hodin.
* 3 '''povelové stanice''' (Ground Antenna), které jsou umístěny na základnách [[Letectvo Spojených států amerických|USAF]]: Kwajalein, Diego Garcia, [[Ascension]] Island případně i [[Mys Canaveral|Cape Canaveral]].
* 18 '''monitorovacích stanic''' (Monitor Stations), které jsou umístěny na základnách [[Letectvo Spojených států amerických|USAF]]: Havaj, Colorado Springs, Cape Canaveral, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein a dále stanice spravující [[National Geospatial-Intelligence Agency|NGA]]: Fairbanks (Aljaška), Papeete (Tahiti), Washington DC (USA), Quitto (Ekvádor), Buenos Aires (Argentina), Hermitage (Anglie), Pretoria (Jižní Afrika), Manama (Bahrajn), Osan (Jižní Korea), Adelaide (Austrálie) a Wellington (Nový Zéland).<ref>:Tom Creel, Arthur J. Dorsey, Philip J. Mendicki and col. [http://sidt.gpsworld.com/gpssidt/article/articleDetail.jsp?id=311352&pageID=1&sk=&date= New, Improved GPS] {{Wayback|url=http://sidt.gpsworld.com/gpssidt/article/articleDetail.jsp?id=311352&pageID=1&sk=&date= |date=20070911060016 }} GPS World [[1. březen]] [[2006]]</ref>

Řídicí a kontrolní segment monitoruje kosmický segment, zasílá povely družicím, provádí jejich manévry a údržbu atomových hodin. Výsledek jejich monitoringu je zveřejňován v navigační zprávě každé družice a jejich platnost je řádově několik hodin:<ref>[http://krovak.webpark.cz/triangulace/triangulace_gps.htm Navigační systém GPS] {{Wayback|url=http://krovak.webpark.cz/triangulace/triangulace_gps.htm |date=20070722032053 }}. Petr Šíma. [[27. březen]] [[2003]]</ref>
* data pro model ionosférické refrakce
* predikce dráhy družice, tzv. efemerid
* korekce atomových hodin
* přibližné pozice ostatních družic a jejich zdravotní stav

Řídicí a kontrolní segment komunikuje s uživateli také prostřednictvím zpráv ''[https://web.archive.org/web/20080514213838/http://www.navcen.uscg.gov/navinfo/Gps/ActiveNanu.aspx GPS NANU] (Notice Advisory to NAVSTAR Users)'', kde zveřejňuje plánované odstávky družic, jejich stažení a uvedení do provozu nebo i zpětně informace o nezdravé družici.

Pokud by došlo ke zničení pozemních vojenských stanic řídicího a kontrolního segmentu, přechází družice do režimu ''AUTONAV'' (Autonomous Navigation Mode), ve kterém jsou schopny dále pracovat až 6 měsíců. V tomto režimu spolu družice komunikují a porovnávají vzájemně mezi sebou své efemeridy a stav palubních hodin. Výsledky poskytují uživatelskému segmentu v navigační zprávě. Tento režim však nikdy nenastal, nejsou ani známy výsledky jeho případných testů.<ref>[http://www.fas.org/spp/military/program/nssrm/initiatives/gps2r.htm NAVSTAR GPS Block IIR] {{Wayback|url=http://www.fas.org/spp/military/program/nssrm/initiatives/gps2r.htm |date=20080421065232 }}. National Security Space Road [[12. červenec]] [[1999]]</ref><ref>[http://www.patentstorm.us/patents/6603426-description.html Satellite integrity monitor and alert]{{Nedostupný zdroj}}. US Patent. [[5. srpen]] [[2003]]</ref>

=== Uživatelský segment ===
[[Soubor:GPS_receiver_(mouse).jpg|náhled|Jednoduchý přijímač GPS vyžívající metod kódového měření (C/A kód) s integrovanou anténou, konektorem pro napájení a komunikaci]]
[[Soubor:GPSr for hiking.JPG|náhled|Navigační turistické počítače s integrovaným přijímačem GPS vyžívající metod kódového měření (C/A kód)]]
[[Soubor:Tomahawk_Block_IV_cruise_missile.jpg|náhled|Vojenská zbraň – podzvuková střela s plochou dráhou letu [[BGM-109 Tomahawk]] využívající ke své orientaci v prostoru a navádění na cíl mimo inerciálních systémů také systém GPS (P(Y) kód) (fotografie [[Námořnictvo Spojených států amerických|Navy US]])]]

Uživatelé pomocí GPS přijímače přijímají signály z jednotlivých družic, které jsou v danou chvíli nad obzorem. Na základě přijatých dat (časových značek z jednotlivých družic a znalosti jejich polohy) a předem definovaných parametrů přijímač vypočítá polohu antény, nadmořskou výšku a zobrazí přesné datum a čas. Komunikace probíhá pouze od družic k uživateli, GPS přijímač je tedy pasivní.

Rozdělení přijímačů podle přijímaných pásem:
* jednofrekvenční
* dvoufrekvenční
* vícefrekvenční (připravují se pro pásmo L5)

Rozdělení přijímačů podle kanálů:
* jednokanálové (používané v raných fázích projektu GPS)
* vícekanálové

Rozdělení přijímačů podle principu výpočtů:
* kódová
* fázová a kódová

Běžně dostupné přijímače k amatérskému (tj. negeodetickému a nevojenskému) vyžití se vyrábí jako jednofrekvenční, vícekanálové a kódové. Jednoduchý přijímač signálu GPS pro se skládá z:
* antény
* předzesilovače
* procesoru
* časové základny (často křemíkový krystal o přesnosti <&nbsp;10<sup>−6&nbsp;</sup>s)
* komunikačního rozhraní

Uživatelé využívající systém GPS můžeme rozdělit do dvou skupin:
* '''autorizovaní uživatelé''' (vojenský sektor USA a vybrané spojenecké armády) využívající službu ''Precise Positioning Service'' (PPS) mající k dispozici dekódovací klíče k P(Y) kódu na frekvencích L1 a L2. Tito uživatelé mají zaručenou vyšší přesnost systému. Uplatňují se především v aplikacích:
** podpora velení a vojáků v poli
** doprava
** navádění zbraňových systémů
** vojenská geodézie a mapování
** přesný čas (<&nbsp;10<sup>−7&nbsp;</sup>s)
* '''ostatní uživatelé''' (především civilní sektor) mohou využívat ''Standard Positioning Service'' (SPS) a mají k dispozici C/A kód na frekvencích L1. Přijímače vyrobené v USA nesmějí být exportovány, pokud nemají nastavená omezení výšky do 18&nbsp;km (60&nbsp;000&nbsp;ft) a rychlosti do 515&nbsp;m/s (1&nbsp;000&nbsp;knots).<ref>Arms Control Association.[http://www.armscontrol.org/documents/mtcr.asp Missile Technology Control Regime] {{Wayback|url=http://www.armscontrol.org/documents/mtcr.asp |date=20080506071325 }}. Accessed 17. May [[2006]]</ref> Tyto limity vychází z prevence možného zneužití jako systému orientace v prostoru ve zbraních obdobných balistickým raketám nebo střelám s plochou dráhou letu. Typickými profesemi a odvětvími civilních uživatelů jsou:
** doprava (pozemní doprava, letectví, námořnictvo, kosmické lety)
** geologie a geofyzika
** geodézie a geografické informační systémy
** archeologie
** lesnictví a zemědělství
** turistika a zábava
** přesný čas (<&nbsp;10<sup>−6&nbsp;</sup>s)

== Rádiové signály ==
{{Viz též|Rádiové signály GPS}}

Družice vysílají v pásmech, která jsou zvolena záměrně tak, aby byla minimálně ovlivněna [[Počasí|meteorologickými vlivy]].<ref>[http://www.aldebaran.cz/bulletin/2005_02_gps.php Kosmický segment GPS a jeho budoucnost]. Jiří Kvapil. [[10. leden]] [[2005]]</ref> Systému GPS je přiděleno 5 [[Frekvence|frekvencí]] a každé frekvenci odpovídá jeden vysílací kanál:

* '''L1''' (1&nbsp;575,42&nbsp;MHz), kde je vysílán '''C/A kód''' je dostupná pro civilní uživatele, dále je šířen vojenský '''P(Y) kód''', který je [[Kryptografie|šifrovaný]] a přístupný pouze pro [[Autorizace|autorizované]] uživatele. Družice bloku IIR-M a novější jsou připraveny vysílat vojenský '''M kód'''.
* '''L2''' (1&nbsp;227,62&nbsp;MHz), kde je vysílán vojenský '''P(Y) kód'''. Družice bloku IIR-M a novější jsou připraveny vysílat vojenský '''M kód''' a civilní '''C kód'''.
* '''L3''' (1&nbsp;381,05&nbsp;MHz) od bloku družic IIR vysílá signály, které obsahují data monitorování startů balistických [[Raketa|raket]], detekci [[Jaderná zbraň|jaderných výbuchů]] a dalších vysokoenergetických zdrojů. Program náleží k The United States Nuclear Detonation (NUDET) a United States Nuclear Detonation Detection System (USNDS).<ref>National Security Space Road Maps: [http://www.fas.org/spp/military/program/nssrm/initiatives/usnds.htm http://www.fas.org/spp/military/program/nssrm/initiatives/usnds.htm] {{Wayback|url=http://www.fas.org/spp/military/program/nssrm/initiatives/usnds.htm |date=20080317183055 }}. [[12. červenec]] [[1999]]</ref>
* '''L4''' (1&nbsp;379,913&nbsp;MHz) se využívá pro měření ionosférické refrakce. Průchod signálu ionosférou způsobuje zpoždění rádiového signálu, která se promítá do chyb při určení polohy. Toto ionosférické zpoždění lze eliminovat, jestliže měříme zpoždění na dvou kmitočtech, nebo získáním korekcí.
* '''L5''' (1&nbsp;176,45&nbsp;MHz) se plánuje jako civilní '''Safety-of-life''' (SoL) signál. Tato frekvence spadá do mezinárodně chráněné oblasti letecké navigace, ve které je malé nebo žádné rušení za všech podmínek. S vypuštěním první družice bloku IIF, který bude poskytovat tento signál se počítá na rok [[2009]].<ref>[http://mg.gpsworld.com/gpsmg/Military+%26+Government+News/First-GPS-IIF-Satellite-Undergoes-Environmental-Te/ArticleStandard/Article/detail/470408?contextCategoryId=33824 First GPS IIF Satellite Undergoes Environmental Testing] {{Wayback|url=http://mg.gpsworld.com/gpsmg/Military+%26+Government+News/First-GPS-IIF-Satellite-Undergoes-Environmental-Te/ArticleStandard/Article/detail/470408?contextCategoryId=33824 |date=20080108200750 }}. GPS World. [[5. listopad]] [[2007]].</ref> V roce 2018 byl na trh uveden první dvoupásmový čip, který pomocí signálu L5 umožňuje zpřesnit pozici z původních 5 metrů na 30&nbsp;cm.<ref name=E5L5 /> První telefon jej využívající byl Xiaomi Mi 8 v roce 2018.<ref>{{Citace elektronického periodika
 | titul = World’s first dual-frequency GNSS smartphone hits the market
 | periodikum = EGSA
 | datum vydání = 2018-06-04
 | datum přístupu = 2018-11-30
 | url = https://www.gsa.europa.eu/newsroom/news/world-s-first-dual-frequency-gnss-smartphone-hits-market
}}</ref>

=== Rušení signálu ===
Signál GPS družic může být rušen rádiovým provozem (mobilní sítě, rozhlasové vysílání), ale i záměrně v místě vojenských střetů. Stránka Flightradar24 nabízí přehlednou mapu, kde sběrem dat z mnoha letadel jsou zvýrazněna místa, kde je hlášeno více potíží s přesností signálu.<ref>{{Citace elektronického periodika
| příjmení = 
| titul = Live Flight Tracker - Real-Time Flight Tracker Map
| periodikum = Flightradar24
| url = https://www.flightradar24.com/data/gps-jamming
| jazyk = en
| datum přístupu = 2024-03-26
}}</ref>

== Určování polohy a času ==
{{Viz též|Globální družicový polohový systém}}

=== Vztažné soustavy ===
Pro charakteristiku Země se jako vztažné těleso využívá [[geoid]], který je ale pro matematický popis nevhodný. Proto používáme jeho [[aproximace|aproximaci]] prvního stupně – koule, nebo druhého stupně – [[elipsoid]]. Pro potřeby uživatelů GPS je nejčastěji užívaný geografický referenční systém [[World Geodetic System|WGS 84]], známý také pod kódem [[Geodetic Parameter Set|EPSG]]:4326, který se skládá z:
* [[geodetické datum|geodetického data]]: elipsoid s poloosami přibližně 6&nbsp;378&nbsp;km a 6&nbsp;356&nbsp;km s počátkem ve středu Země
* systému zeměpisných souřadnic (zeměpisná šířka a délka)

Pro výpočty se používá geocentrický referenční systém WGS 84 se shodným datem, ale s kartézskými souřadnicemi v systému [[ECEF]] (Earth-Centered, Earth-Fixed).

GPS čas je měřen na týdny (week) s maximem 1024, díky čemu dochází k jeho vynulování, což bylo naposledy pro [[7. duben]] [[2019]]. Další časová značka je pořadí podrámce v navigační zprávě, který nabývá hodnot s maximem 100&nbsp;800, dále slova podrámce a jeho datové bity, které mají délku 0,02&nbsp;s. Poslední podrobný časový otisk je samotný kód. C/A kód rozděluje čas po bitech dlouhých ~10<sup>−6</sup>&nbsp;s a P kód na ~10<sup>−7</sup>&nbsp;s. Porovnáním vzestupných a sestupných hran PRN kódů modulovaných na nosnou s frekvencí nosné vlny může moderní elektrotechnika změřit rozdíl až na tisíciny času bitu. Za předpokladu přesnosti 1 % bitu je to přibližně 10&nbsp;[[Sekunda#Nanosekunda|ns]] (10<sup>−8</sup>&nbsp;s) pro C/A kód a 1&nbsp;ns (10<sup>−9</sup>&nbsp;s) pro P(Y). Protože signál GPS se šíří rychlostí blízkou rychlosti světla, blíží se krok měření při 1 % délky bitu řádově ~3&nbsp;m u C/A kódu, u P(Y) ~0,3&nbsp;m.<ref>Uko, T.: [https://dip.felk.cvut.cz/browse/pdfcache/ukot1_2008dipl.pdf GPS navigace na FPGA] {{Wayback|url=https://dip.felk.cvut.cz/browse/pdfcache/ukot1_2008dipl.pdf |date=20131029202800 }} ČVUT Praha, 2008 dostupné on-line.</ref>

Rychlost světla je definována 299&nbsp;792&nbsp;458&nbsp;m/s.<ref>[http://www.navcen.uscg.gov/pubs/gps/sigspec/default.htm GPS SPS Signal Specification] {{Wayback|url=http://www.navcen.uscg.gov/pubs/gps/sigspec/default.htm |date=20070623140246 }} odstavec 2.5.1 Mathematical Constants</ref> Odeslaný signál má při přijetí zpoždění mezi 67&nbsp;ms při elevaci družice 90° a 86&nbsp;ms při elevaci 0°.

== Přesnost měření ==
Přesnost výpočtu polohy přijímače podléhá vlivům, které vnáší do výpočtu chyby a jsou náhodné veličiny. Velikost chyby popisujeme statistickým parametrem ''efektivní hodnota chyby'' (RMS, Root Mean Square), což je odmocnina z průměru kvadrátu chyby <math>RMS=\sqrt{\sum_{i=1}^n \frac{chyba^2}{n}}=E(X^2)</math>.
Přesnost výpočtu polohy kódového měření ovlivňují zejména:

{| class="wikitable" style="margin: .5em .5em .5em .5em;"
|+ Dílčí parametry RMS<ref>[http://edu-observatory.org/gps/gps_accuracy.html GPS Errors & Estimating Your Receiver's Accuracy] {{Wayback|url=http://edu-observatory.org/gps/gps_accuracy.html |date=20160310132600 }}. Samuel J. Wormley. [[26. únor]] [[2007]]</ref> 
|-
!Příčina !! Velikost RMS při GDOP=1
|-
| Efemeridy družic || ± 2,1&nbsp;m
|-
| Družicové hodiny || ± 2,1&nbsp;m
|-
| Ionosférická refrakce || ± 4,0&nbsp;m
|-
| Troposférické refrakce || ± 0,7&nbsp;m
|-
| Vícecestné šíření signálu || ± 1,4&nbsp;m
|-
| Přijímač || ± 0,5&nbsp;m
|}

=== Efemeridy ===
[[Efemeridy]] jsou [[Predikce|predikované]] polohy družic na oběžných drahách. Protože se pohybují po téměř kruhových, mírně elipsovitých drahách velkou rychlostí a ve velké vzdálenosti od Země, jsou jejich dráhy stabilní a dobře matematicky popsatelné. Přesto se vlivem kolísání tíhových sil Země, Slunce a Měsíce a sluneční jaderné aktivity jejich dráha mírně mění.<ref>Kostelecký J.: přednesy Vyšší geodézie 1 [https://web.archive.org/web/20100216014545/http://gama.fsv.cvut.cz/~k152/navody/VYG1/VYG1(03).pdf Pohyb družic GNSS v reálném silovém poli]. FSV ČVUT. [[19. září]] [[2007]]</ref> Předpoklad vývoje trajektorie je popsán v navigační zprávě.

=== Družicové hodiny a relativistické efekty ===
[[Soubor:Orbit times.png|náhled|vpravo|200px|Graf vlivu relativistických efektů na čas v blízkosti gravitačního pole Země a při rychlosti obvyklých u umělých družic Země.]]

Družice obsahují atomové hodiny s rubidiovým nebo cesiovým oscilátorem. Jsou velmi stabilní, ale pro výpočet je třeba přesných a synchronních hodin na všech družicích i na Zemi.

Podle [[Einsteinův princip relativity|Einsteinova principu relativity]] je [[vlastní čas]] hodin družice NAVSTAR GPS na orbitu nutno korigovat na [[souřadnicový čas]] vztažený k Zemi jako inerciálnímu referenčnímu systému těmito efekty<ref>Tom Van Flandern: [http://www.metaresearch.org/cosmology/gps-relativity.asp What the GPS Tells Us about Relativity] {{Wayback|url=http://www.metaresearch.org/cosmology/gps-relativity.asp |date=20080527182049 }} Univ. of Maryland & Meta Research, [[listopad]] [[1999]]</ref><ref>Wagner V.: [http://www.osel.cz/index.php?clanek=3225&akce=show2 Přesnost atomových hodin, GPS a teorie relativity] [[19. leden]] [[2008]]</ref>:
* pohybová rychlost družice ([[Speciální teorie relativity]]): hodiny se zpomalují o −5×10<sup>−9</sup>&nbsp;% vůči pozemským
* rozdílné gravitační potenciály ([[Obecná teorie relativity]]) ve značné vzdálenosti nad Zemí, protože intenzita gravitačního pole klesá s druhou mocninou vzdálenosti (pro orbit družic 16×): hodiny se zrychlují +50×10<sup>−9</sup>&nbsp;%

Když oba efekty zkombinujeme je výsledkem +45,5×10<sup>−9</sup>&nbsp;% oproti pozemským hodinám ±0&nbsp;%. Řešení tohoto efektu je hardwarové nastavení základní frekvence na 10,229&nbsp;999&nbsp;995&nbsp;43&nbsp;MHz místo očekávaných a pozemských 10,230&nbsp;000&nbsp;000&nbsp;00&nbsp;MHz.
Další variabilní korekce je v&nbsp;navigační zprávě o hodnotách řádově v desítkách nanosekund (1&nbsp;ns = 10<sup>−9&nbsp;</sup>s), protože výška orbitu družice je proměnná, rozložení gravitace není konstantní a samotné hodiny vykazují odchylku.

=== Ionosférická a troposférická refrakce ===
[[Soubor:Map20070212_090000.gif|náhled|vpravo|Ukázka modelu ionosférické refrakce z 12. února 2007 9:00, [https://web.archive.org/web/20080509075930/http://iono.jpl.nasa.gov/latest_rti_global.html aktuální vizualizace modelu]. (JPL [[NASA]])]]
Radiový signál vysílaný z družice se ve vzdálenosti 500-20&nbsp;200&nbsp;km od povrchu šíří téměř [[Vakuum|vakuem]].
[[Ionosféra]], která se nachází v rozmezí 50–500&nbsp;km nad povrchem země, obsahuje množství volných elektronů a iontů, které způsobují refrakci (lom) rádiového signálu, tedy jeho delší dráhu a zpoždění. Stav ionosféry ovlivňuje aktuální i cyklická (11 let) aktivita slunce, globální meteorologické vlivy, roční období, fáze dne. V přijímačích je [[Implementace|implementován]] základní model, který tyto změny zohledňuje a navigační zpráva obsahuje vstupní parametry pro jeho výpočet. S výhodu lze modelovat pomocí kulových funkcí, klíčovou hodnotou v modelu je pak TEC (Total Electronic Content)<ref name="geodkostel2">Kostelecký J.: přednesy Vyšší geodézie 1 [http://gama.fsv.cvut.cz/~k152/navody/VYG1/VYG1(02).pdf Princip zpracování měření GPS]{{Nedostupný zdroj}}. FSV ČVUT. [[19. září]] [[2007]]</ref>.
Analýzou signálu na různých kmitočtech (L1, L2) lze tuto chybu eliminovat, protože změna rychlosti rádiového signálu ionosférou je frekvenčně závislá.

Obdobný vliv má [[troposféra]], která se nachází od 0–15&nbsp;km. Její stav ovlivňují především lokální meteorologické vlivy, jako je teplota, tlak, vlhkost. Její možnost predikce je pro globální systém minimální a eliminuje se diferenčními systémy nebo lokálními modely.

=== Vícecestné šíření signálu a přijímač ===
Pokud je anténa přijímače částečně zastíněna nebo jsou v blízkosti odrazivé materiály, je možné, že přijímá také signály odražené, a tedy opožděné. Velikost této chyby je závislá na vlastnostech okolí a míře zastínění. V profesionálních aparaturách ji lze eliminovat vhodně polarizovanou anténou, protože signál původně polarizovaný pravotočivě [[Polarizace (elektrodynamika)|RHCP]] po odrazu mění polarizaci na levotočivý [[Polarizace (elektrodynamika)|LHCP]]<ref name="geodkostel2" />.
Další technikou je nastavení elevační masky na oblast, odkud není možný příjem signálu, nebo filtrace ''Narrow correlator spacing''.

Konstrukce přijímače dříve výrazně ovlivňovala měření díky malému počtu kanálů, snížené přesnosti u 8bitových procesorů, malé citlivosti na vstupu. Dnes má vliv především metodika výpočtu, kdy jsou do algoritmu vnášeny předpoklady podle způsobu využití přijímače (doprava, letectví, turistika) a vlastnosti antény, její konstrukce a umístění.

=== Geometrické rozmístění družic ===
Chybu měření výrazně ovlivňuje rozmístění družic na [[Polokoule|hemisféře]] a obecně se nazývá '''DOP''' (Dilution of Precision, rozptyl přesnosti). Souhrnný GDOP z intervalu 1-50 nabývá v našich zeměpisných šířkách a nadmořských výškách hodnot 1-4 a je zastoupen dílčími DOP:
* Horizontální – HDOP
* Vertikální – VDOP
* Prostorový – PDOP <math>PDOP=\sqrt{HDOP^2 + VDOP^2}</math>
* Časový – TDOP
* Geometrický – GDOP <math>GDOP=\sqrt{TDOP^2 + HDOP^2 + VDOP^2}</math>

Zatímco hodnota HDOP se mění se zeměpisnou polohou jen málo, mění se hodnota VDOP se zeměpisnou šířkou. V zeměpisné šířce ±&nbsp;56° dosahuje svého minima a s dalším zvyšováním zeměpisné šířky pak výrazně roste. Tento nárůst chyby ve vyšších zeměpisných šířkách je způsoben tím, že po překročení zeměpisné šířky, která je rovna [[Sklon dráhy|inklinaci]] dráhy, již družice nedosahují [[Zenit|nadhlavníku]] a kulminují ve stále nižších [[Výška (astronomie)|elevacích]]. Třídimenzionální chyba určení polohy prakticky sleduje průběh dominantní chyby výšky.

V českých zemích lze očekávat průměrné hodnoty PDOP&nbsp;=&nbsp;1,9, přičemž min(PDOP)&nbsp;=&nbsp;1,35 a max(PDOP)&nbsp;=&nbsp;3,6<ref name="almanachtest" />.

=== Selektivní dostupnost (Selective Availability) ===
Od [[25. březen|25. března]] [[1990]]<ref>[http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/gps_survey/chap2/243saas.htm How good is GPS?] {{Wayback|url=http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/gps_survey/chap2/243saas.htm |date=20080405235957 }}Chris Rizos, SNAP-UNSW. 1999</ref> byla do C/A kódu radiového signálu zanášena umělá chyba. Toto opatření pod názvem '''Selective Availability''' (SA) mělo zabránit zneužití, např. možnosti navádět [[balistická raketa|balistické rakety]], pomocí nepřesných efemerid a časových značek.
SA způsobovalo chybu 45&nbsp;m horizontálně (95% RMS).<ref>[http://www.ngs.noaa.gov/FGCS/info/sans_SA/ Removal of GPS Selective Availability] {{Wayback|url=http://www.ngs.noaa.gov/FGCS/info/sans_SA/ |date=20080501043731 }} The Federal Geographic Data Committee.</ref><ref>[http://pnt.gov/public/sa/ Selective Availability] National Executive Committee for Space-Based PNT.</ref> Tuto chybu bylo možno výrazně potlačit [[Diferenciální GPS|diferenčním měřením]] nebo dlouhodobým statickým měřením.

Protože USA vyvinuly systém, jak lokálně rušit signál GPS, bylo SA [[1. květen|1. května]] [[2000]] zrušeno a přesnost kódového měření polohy se tak zvýšila na první desítku metrů.<ref>[http://www.ngs.noaa.gov/FGCS/info/sans_SA/compare/ERLA.htm Comparison of Positions With and Without Selective Availability] {{Wayback|url=http://www.ngs.noaa.gov/FGCS/info/sans_SA/compare/ERLA.htm |date=20080429203906 }} National Geodetic Survey, NOAA. [[3. květen]] [[2000]]</ref> Toto lokální rušení družicového signálu GPS pozemním vysílačem bylo použito např. při cvičení NATO v roce 2011 a 2015 ve Skotsku.<ref>[http://www.bbc.com/news/uk-scotland-highlands-islands-34413696 GPS to be jammed in Scotland during Nato war games], BBC News 2.10.2015</ref> Nějaký typ znepřesnění signálu bylo v roce 2016 pozorováno také v Moskvě v okolí Kremlu.<ref>{{Citace elektronického periodika |titul=Archivovaná kopie |url=https://www.yahoo.com/news/russians-seek-answers-central-moscow-gps-anomaly-091145932.html |datum přístupu=2016-11-02 |url archivu=https://web.archive.org/web/20161104020032/https://www.yahoo.com/news/russians-seek-answers-central-moscow-gps-anomaly-091145932.html |datum archivace=2016-11-04 |nedostupné=ano }}</ref>

=== Sagnacovo zakřivení ===
Při sledování družic musíme také kompenzovat [[Sagnacův efekt]]. Časový referenční rámec je definován pro [[Inerciální vztažná soustava|inerciální]] systém ECEF (Earth-centered, Earth-fixed), ale ve skutečnosti se jedná o rotační systém [[World Geodetic System|WGS 84]] (obvodová rychlost Země na rovníku 0,465&nbsp;km/s). Přepočet se provádí [[Lorentzova transformace|Lorentzovou transformací]] a výsledné korekce mají kladné hodnoty pro družice na východní a záporné na západní nebeské hemisféře a pohybují se ve stovkách nanosekund (~desítky metrů v pozici).<ref>Ashby, Neil [http://www.ipgp.jussieu.fr/~tarantola/Files/Professional/GPS/Neil_Ashby_Relativity_GPS.pdf Relativity and GPS]. [[Physics Today]], [[květen]] [[2002]].</ref>

=== Zpřesňující metody ===
Pro zpřesnění stávajícího přesnosti GPS jsou používány různé (komerční) systémy založené na geostacionárních satelitech a&nbsp;pozemních stanicích, o kterých je známa jejich poloha a které tuto porovnávají s&nbsp;polohou vypočtenou pomocí signálu GPS. Rozdíl je k dispozici jako korekce (a zpřesnění) pro poblíž naměřené pozice. Mezi tyto systémy patří například [[Wide Area Augmentation System|WAAS]], [[European Geostationary Navigation Overlay Service|EGNOS]], [[Diferenciální GPS|DGPS]] a [[Quasi-Zenith Satellite System|QZSS]].<ref>[http://www.zive.cz/bleskovky/japonsko-buduje-navigacni-system-s-presnosti-1-cm/sc-4-a-173440/default.aspx Japonsko buduje navigační systém s přesností 1 cm]</ref>

== Odkazy ==

=== Reference ===
<references />

=== Literatura ===
* Rapant, P.: [https://web.archive.org/web/20121101214738/http://gis.vsb.cz/dokumenty/dns-gps/at_download/file Družicové polohové systémy]. VŠB-TU Ostrava, 2002. 200 str. {{ISBN|80-248-0124-8}}. dostupné on-line.
* Dana, P. H.: [https://web.archive.org/web/20050823013233/http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps.html Global Positioning System Overview]. Texas, 2000. dostupné on-line {{en}}
* Koukl J.: [https://web.archive.org/web/20090207203800/http://www.beruna.cz/rs/index.php?archiv&tema=11 Společné zpracování měření totální stanicí a GPS] výtah DP na blogu. ČVUT [[1999]]

=== Související články ===
* [[Degree Confluence Project]]
* [[Diferenciální GPS]]
* [[Trilaterace]]
* [[Galileo (navigační systém)|Galileo]]
* [[Geocaching]]
* [[Satelitní navigace]]
* [[GLONASS]]
* [[Navigační systémy pro osoby se zrakovým postižením využívající GPS]]
* [[OpenStreetMap]]
* [[Rádiové signály GPS]]

=== Externí odkazy ===
* {{commonscat}}
* {{Commons|Global Positioning System}}
* [http://czepos.cuzk.cz/ CZEPOS] Česká síť referenčních stanic [[Globální družicový polohový systém|GNSS]]
* [http://www.epncb.oma.be/ EUREF] Evropská síť referenčních stanic GNSS
* [http://gps.afspc.af.mil/gpsoc/documents/GPS_Signal_Spec.pdf GPS SPS Performance Standard]{{Nedostupný zdroj}} — Oficiální specifikace Standardní polohové služby (SPS). {{en}}
* [http://gps.afspc.af.mil/gpsoc/documents/PPS_PS_Signed_Final_23_Feb_07.pdf GPS PPS Performance Standard] {{Wayback|url=http://gps.afspc.af.mil/gpsoc/documents/PPS_PS_Signed_Final_23_Feb_07.pdf |date=20091224204720 }} — Oficiální specifikace Přesné polohové služby (PPS). {{en}}

{{Globální družicové polohové systémy}}
{{Geografie}}

{{Dobrý článek}}

{{Autoritní data}}
{{Portály|Kosmonautika|Geografie}}

[[Kategorie:GPS| ]]
[[Kategorie:Družicové polohové systémy]]
[[Kategorie:Satelitní konstelace]]
[[Kategorie:Anglické zkratky]]