? 1998, NAVI sp. z o.o., Wszystkie prawa zastrzeżone.

Wprowadzenie.

Na przestrzeni ostatnich 30 lat Globalny System Lokalizacyjny GPS wyewoluował od poziomu koncepcji do działającego systemu nawigacyjnego, składającego się z 27 satelitów obsługujących miliony użytkowników. Każdego roku, począwszy od roku 1997 produkuje się więcej niż milion odbiorników GPS. Szybko zwiększający się rynek GPS, włączając w to urządzenia i zastosowania, szacuje się na 8,5 mld. dolarów w roku 2000 i ponad 50 mld. dolarów w roku 2010.

Chociaż system sprawuje się nadzwyczaj dobrze, planuje się szereg ulepszeń, które mogą być zaimplementowane w nowej generacji satelitów zamiennych i generacjach następnych, co pozwoli uczynić system jeszcze bardziej wartościowym.

Pionierski wysiłek.

Amerykański Departament Obrony stworzył koncepcję i ogólny projekt GPS we wczesnych latach 70-tych, w ramach programu, w którym uczestniczyły wszystkie departamenty wojskowe. Początkowo nadzorowany przez grupę Pentagons Joint Navigation Satelite Executive Steering Group program miał na celu zaspokoić potrzebę lepszej nawigacji i lokalizacji w zastosowaniach wojskowych.

Członkowie grupy szybko zdali sobie sprawę z możliwości jakie daje ten system, elektronika oparta o połprzewodniki, nowe generacje komputerów i związane z nimi technologie. W 1973 roku, po wnikliwej analizie, opracowaniu koncepcji, analizie wymagań i zdefiniowaniu programu Departament Obrony zatwierdził projekt budowy systemu GPS.

Po zatwierdzeniu programu, Departament Obrony wyznaczył siły powietrzne USA (US Air Forces - USAF) jako organ wykonawczy wdrażający i zarządzający tworzonego systemu GPS, efektem czego było utworzenie przez USAF Biura Połączonego Programu GPS (Joint Programm Office - JPO) w ramach Organizacji Przestrzeni Kosmicznej i Systemów Rakietowych USAF (USAF Space and Missile Systems Organisation) w Los Angeles w Kalifornii. Od 1978 do 1985 roku JPO z powodzeniem wystrzeliło 10 eksperymentalnych satelitów Bloku I. Po zakończeniu testów Bloku I, demonstrujących możliwości systemu, Departament Obrony zatwierdził wdrożenie systemu operacyjnego, z pierwszym operacyjnym satelitą wystrzelonym na początku roku 1989.

Podstawowe sygnały GPS, których używamy dzisiaj i dla których miliony odbiorników zostały zaprojektowane i wyprodukowane, zostały wstępnie zdefiniowane we wczesnych latach siedemdziesiątych. Szczęśliwie, wstępnie opracowana i wdrożona przez GPS JPO specyfikacja sprawdziła się bardzo dobrze. Obecnie jednak wydaje się, że prawie wszyscy użytkownicy mogą odnieść korzyści z różnych zmian i dodatków do systemu.

Ewolucja systemu.

W 1985 roku Departament Obrony podpisał kontrakt z Rockwell Space Division na 28 satelitów, kosztujących około 1,2 mld. dolarów. GPS JPO rozpoczęło wystrzeliwanie pierwszych z satelitów Bloku II w lutym 1989 roku. Zmodyfikowane satelity Bloku II A posiadające dodatkową pamięć zostały wystrzelone po 9 satelicie Bloku II. W kwietniu 1995 roku GPS został określony jako w pełni funkcjonujący system w skład którego wchodził segment naziemny, konstelacja 24 pracujących satelitów GPS i różnorakie urządzenia użytkowników umożliwiające nawigację na całym świecie. Od tego czasu kosmiczny segment GPS pracuje bez przerwy, posiadając 24 do 27 pracujących satelitów. Nastąpił ogromny rozwój i zwiększenie produkcji urządzeń dla użytkowników, szczególnie sektora cywilnego. Satelity Bloku II i II A charakteryzują się ograniczonym czasem życia, nominalnie około 7 i pół roku, co pociąga za sobą konieczność wystrzeliwania satelitów zamiennych. Okresowa wymiana satelitów dostarcza idealnej sposobności do wdrażania nowych właściwości systemu. Ponieważ czas wdrażania nowej generacji satelitów jest długi, wynosi zazwyczaj 5-8 lat, a rozmieszczenie nowej konstelacji zabiera w przybliżeniu tyle samo czasu, wprowadzanie ulepszeń do systemu odbywa się powoli i stopniowo.

III generacja - Blok II R. W 1989 roku Departament Obrony podpisał kontrakt z Lockheed-Martin Astro-Space na budowę 21 satelitów III generacji satelitów zamiennych, oznaczonej jako Blok II R (R-replenishement). W styczniu 1997 pierwszy z satelitów bloku II R został wystrzelony lecz nie osiągnął orbity z powodu defektu mocowania silnika rakiety Delta II. Późniejszy start, w lipcu 1997 zakończył się szczęśliwie i satelita wszedł do użytku w styczniu roku 1998. Kolejne wystrzelenie satelity Bloku II R miało miejsce w październiku roku 1999. Satelity Bloku II R będą umieszczane na orbicie do roku 2005. Z powodu długiego czasu wymaganego dla opracowania satelitów, Departament Obrony w 1996 roku podpisał kontrakt z Boening Space Division na budowę IV generacji przyszłościowych satelitów bloku II F (F-follow on). Budowa pierwszych 6 z 30 planowanych satelitów Bloku II F została już zdecydowana, podczas gdy status pozostałych 24 nie został jeszcze określony. W szczególności niezbędne jest określenie, jakie nowe możliwości operacyjne lub możliwości modernizacji zostaną dołączone.

Transmisja sygnału

Obecnie satelity GPS transmitują sygnał nawigacyjny na Ziemię w dwóch pasmach oznaczonych jako L1 oraz L2.

W pasmie L1 nadawany jest podstawowy sygnał fali nośnej GPS o częstotliwości 1575.42 MHz. Sygnał ten modulowany jest przy pomocy dwóch kodów pseudolosowych (pseudorandom noise - PRN): kodu C/A (coarse acquisition - akwizycji zgrubnej), taktowanego z prędkością 1.023 Mbit/s oraz kodu P/Y (precision - dokładny), taktowanego z prędkością 10.23 Mbit/s.

Sygnał nośnej GPS nadawanej w pasmie L2 ma częstotliwość 1227.6 MHz. Jest on modulowany przy pomocy kodu P/Y taktowanego z prędkością 10.23 Mbit/s. Odbiorniki GPS mogą używać go do korekcji opóźnienia jonosferycznego. Ponieważ prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w jonosferze w przybliżeniu jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu częstotliwości, to kombinacja pomiarów na częstotliwościach L1 i L2 pozwala w czasie rzeczywistym wyznaczać dodatkowe opóźnienie sygnału GPS, związane z oddziaływaniem fali elektromagnetycznej ze swobodnymi elektronami jonosfery.

Opóźnienie jonosferyczne, jeśli nie zostanie uwzględnione, ma znaczący wpływ na błąd wyznaczenia pozycji, którego amplituda z tego tylko powodu może być rzędu killkunastu metrów. Ponieważ sygnał nadawany w pasmie L2 jest używany przede wszystkim do korekcji opóźnienia jonosferycznego, jego poziom jest niższy o 6dB (1/4 mocy) w porównaniu z sygnałem nadawanym w pasmie L1.

Demodulacja kodu P/Y może odbywać się jedynie w odbiornikach użytkowników autoryzowanych przez Departament Obrony.

Modernizacja GPS

Sygnały i separacja sygnałów. Początkowo, myśląc o modernizacji, wojskowi twórcy systemu GPS chcieli oddzielić wojskowe częstotliwości GPS od częstotliwości przeznaczonych dla zastosowań cywilnych. Miało to zapobiec wzajemnym interferencjom i oddziaływaniu sygnałów, jak również zapewnić najlepsze ich dopasowanie do potrzeb każdej z tych grup użytkowników. Jednakże okazało się, iż brak jest nowego dostępnego pasma, które spełniałoby wymagania stawiane przez użytkowników wojskowych. Z tego powodu sygnały wojskowe pozostaną w obecnych 24-MHz'owych pasmach zatwierdzonych przez Międzynarodową Unię Telekomunikacyjną (International Telecommunication Union - ITU), dla L1 1563.42 - 1587.42 MHz i 1215.6 - 1239.6 MHz dla L2.

Ustalenia dotyczące L2 i L5. Wydana w 1996 roku Dyrektywa dla Prezydenta (Presidential Decision Directive - PDD) stanowi, iż pasma częstotliwości zarówno L1 jak i L2, będą dostępne dla zastosowań cywilnych oraz, że dla zastosowań cywilnych dostarczany będzie odrębny, trzeci sygnał. Chociaż pasma częstotliwości L1 i L2 mogą satysfakcjonować większość cywilnych użytkowników, to jednak użycie pasma L2 wiąże się z pewnymi ograniczeniami w zastosowaniach związanych z zagrożeniem życia. Federalna Agencja Lotnictwa (Federal Aviation Administration - FAA) sprzeciwia się użyciu pasma L2 w zastosowaniach lotniczych związanych z bezpieczeństwem, ponieważ ITU przyznało to pasmo służbom radiolokacyjnym wykorzystującym radary o wysokiej mocy. W paśmie tym mogą występować nieakceptowalne poziomy zakłóceń. Agencja zażądała wyznaczenia częstotliwości GPS dla zastosowań lotniczych w pasmie Lotniczych Służb Nawigacyjnych (Aeronautical Radionavigation Services - ARNS), które położone jest bezpośrednio poniżej pasma GPS L2.

Kiedy Departament Transportu i Departament Obrony oraz inne agencje zakończyły intensywne poszukiwania nowych częstotliwości, wiceprezydent Al Gore oświadczył 25 stycznia 1999 r., że miejscem dla nowej (trzeciej) częstotliwości, będzie pasmo ARNS. To pasmo, początkowe oznaczane jako L3c, a obecnie jako L5, rozłożone jest wokół częstotliwości 1176.45 MHz i powinno spełniać wymagania związane z bezpieczeństwem ruchu lotniczego.

Zanim pasmo L5 będzie mogło być wykorzystane, Międzynarodowa Unia Telekomunikacyjna musi zmienić przeznaczenie tego pasma, które obecnie przewidziane jest dla transmisji Ziemia - Powietrze na pasmo przeznaczone dla transmisji Satelita - Ziemia. Przy spodziewanym poparciu międzynarodowej społeczności lotniczej zmiana klasyfikacji tego pasma powinna mieć miejsce podczas Światowej Konferencji Radiowej 2000, (World Radio Conference - WRC).

Nowe i obecne sygnały GPS. Aby zachować kompatybilność z używanym obecnie sprzętem nadal dostępny będzie kod C/A na nośnej L1 i kod P/Y na nośnych L1 i L2. Dostępność tych kodów będzie niezbędna dopóki nie zostaną wystrzelone zmodernizowane satelity GPS, transmitujące nowe sygnały dla użytkowników cywilnych i militarnych, jak również dopóki nie zostaną wyprodukowane nowe urządzenia, wykorzystujące zmodernizowane sygnały. Może to zająć 10-25 lat.

Obecne plany przewidują w przyszłości dostarczanie cywilnym użytkownikom kodu C/A na L1 oraz w miarę możliwości transmisję kodu C/A z nowych satelitów na L2. Dla kodów nadawanych w pasmie L5 przewiduje się większą prędkość przesyłu i zwiększoną długość sekwencji w stosunku do obecnego kodu C/A. Dla kodów przesyłanych na L5 proponuje się prędkość przesyłu 10.23 Mbit/s przy długości sekwencji wynoszącej 10 230 bitów. W porównaniu z kodem C/A, dłuższa, o wyższej prędkości przesyłu sekwencja kodu zwiększa dokładność wyznaczania odległości, oferuje większy stosunek sygnału do szumu, charakteryzuje się lepszymi własnościami funkcji korelacji i korelacji wzajemnej oraz zmniejszonym wpływem wielotorowości przy akceptowalnych czasach akwizycji.

Dla pełnego wykorzystania pasma L5, w pasmie tym transmitowane będą dwa sygnały będące w kwadraturze (przesunięte wzajemnie w fazie o 90 stopni; takie sygnały, mimo iż nadawane na tej samej częstotliwości, mogą być przez odbiornik widziane w pewnym stopniu jako odrębne i niezależne), z których jeden nie będzie modulowany danymi. Sygnał pozbawiony danych poprawi dokładność śledzenia fazy i umożliwi bardziej precyzyjne pomiary fazy nośnej. Nadawane obecnie na L1 i L2 sygnały z kodem P/Y posiadają dobre własności ale z powodu ekstremalnie długiej sekwencji bitów (1013), ich akwizycja jest bardzo trudna bez jakiejkolwiek wiedzy o aktualnej fazie kodu. Akwizycja kodu P/Y wymaga odebrania krótkiej sekwencji (1ms) kodu C/A w pasmie L1. Wiadomość przesyłana przy użyciu kodu C/A zawiera informacje o aktualnej fazie w słowie hand-over, co umożliwia synchronizację z kodem P/Y. Wojskowi sądzą, że w przyszłości bardzo ważną rzeczą będzie możliwość odbioru sygnałów zabezpieczonych bez potrzeby odbierania uprzednio kodów C/A, używanych również przez cywilnych użytkowników. Wymaga to transmisji zestawu nowych kodów wojskowych, nazywanych kodami M.

Ustalenia dotyczące kodów M. Początkowo Departament Obrony planował umieszczenie swoich nowych sygnałów (kody M) pośrodku pasm L1 i L2, podobnie do obecnego ułożenia kodów P/Y. Dla zminimalizowania oddziaływania z sygnałami cywilnymi moc sygnałów wojskowych w centralnej części pasma powinna być obniżona. Cywilni użytkownicy zaproponowali użycie par podobnie kodowanych sygnałów, rozłożonych symetrycznie względem częstotliwości środkowej w pasmach L1 i L2. Wykazano, iż te rozdzielone sygnały posiadają doskonałe własności, porównywalne z aktualnymi wojskowymi sygnałami P/Y i mogą być łatwo zaimplementowane.

Departament Obrony przeprowadził własne badania tych sygnałów i wygląda na to, że wybrał tę strukturę sygnału dla własnego użytku zarówno dla L1 jak i L2. Mimo iż prac jeszcze nie zakończono, bardzo prawdopodobne jest, iż kody M nadawane będą z prędkością 3-8 Mbit/s przy użyciu dwóch częstotliwości nośnych, odległych o 6-9 MHz od częstotliwości środkowych pasm L1 i L2. JPO GPS rozważa obecnie alternatywne struktury sygnału wojskowego i podejmie ostateczną decyzję.

Zagadnienia bezpieczeństwa i SA. Zgodnie z Dyrektywą dla Prezydenta z roku 1996, prezydent powinien przejrzeć postanowienia dotyczące implementacji SA po roku 2000. Stwierdza ona również, iż system SA powinien zostać wyłączony nie później niż w roku 2006. Równocześnie sprawą modernizacji GPS, analizą potrzeby i efektywności SA zajmowało się wiele cywilnych i wojskowych komitetów. Duża część z tych ciał doszła do wniosku, że SA jest nieefektywne i łatwo można wykluczyć jego wpływ (np. przy użyciu technik różnicowych) oraz, że jego kontynuacja jest kosztowna, zwłaszcza dla użytkowników cywilnych. Kilka z tych grup rekomendowało natychmiastowe wyłączenie SA.

Usunięcie SA i dostarczanie drugiej (i trzeciej) cywilnej częstotliwości może podwyższyć dokładność cywilnych odbiorników GPS do poziomu 5-10 metrów. Dodatkowo pozwoli to na zredukowanie ilości danych przesyłanych dla potrzeb serwisów różnicowych ponieważ poprawki będą mogły być przesyłane z mniejszą częstotliwością.

Bezpieczeństwo sygnałów wojskowych. Obecnie użytkownicy wojskowi używają sygnałów C/A ale ich system technik bezpieczeństwa usuwa efeky SA. Departament Obrony zabezpieczając kod P do postaci kodu Y, nie tylko ogranicza dostęp do wojskowych i innych autoryzowanych użytkowników ale zapewnia także zabezpieczenie kodu P przy pomocy systemu AS (Anti-Spoof) przed użyciem lub zakłóceniem przez przeciwnika. Nowe kody M będą również zabezpieczone. Charakteryzują się one lepszą jakością niż kody P/Y i są dostępne bezpośrednio.

Wojskowi planują obecnie pozostawienie sygnałów P/Y dopóki nowe sygnały kodu M nie będą powszechnie dostępne. Przejście użytkowników wojskowych z kodów C/A i P/Y na kody M zostanie zakończone około roku 2020 jeśli satelity bloku IIR i IIF będą modernizowane w obecnym tempie.

Zwiększenie liczby satelitów

Dla cywilnych zastosowań, związanych z bezpieczeństwem i zagrożeniem życia ilość dostępnych satelitów jest często niewystarczająca. W warunkach ograniczenia horyzontu, jak np. na terenach miejskich, ilość obserwowanych satelitów jest zredukowana. Z tych powodów liczne społeczności pragną zwiększenia konstelacji GPS o 6-12 satelitów do całkowitej liczby 30-36. Obecnie jednak wysoki koszt umieszczenia ładunku na orbicie wyklucza poważne rozważania nad znaczącym zwiększeniem konstelacji GPS. Wzmocnienie systemu GPS w postaci np. LAAS, WAAS i DGPS jest alternatywą dla rozszerzenia konstelacji poprzez zapewnienie dostępności dodatkowych sygnałów, jak również poprawek różnicowych i poprawek jonosferycznych wymaganych w zastosowaniach morskich i lotniczych

Więcej mocy. Zmodernizowane satelity GPS będą dostarczać cywilnym użytkownikom kod C/A w pasmie L2. Poziom mocy będzie porównywalny z poziomem mocy kodu C/A nadawanego w pasmie L1 (-160dBw). Moc sygnału nadawanego w pasmie L2, poprzednio używanego wyłącznie dla korekcji opóźnienia jonosferycznego wzrośnie czterokrotnie (6dB). Nowy sygnał nadawany na częstotliwości L5 będzie wymagał poziomu mocy o około 6dB większego niż moc sygnału C/A nadawanego w pasmie L1 dla skompensowania wyższego poziomu zakłóceń i szumów. Z uwagi na wymagania bezpieczeństwa, koszty i dokładność wielu użytkowników domaga się obecnie zwiększenia mocy wszystkich cywilnych sygnałów o 3-6dB. Sygnały wojskowe w pasmie L1 i L2 będą transmitowane z mocą 3-6 dB większą niż dotychczas. To wymaganie jednak prawdopodobnie spowoduje wykorzystanie całej dostępnej mocy zmodernizowanej satelitów, stawiając pod znakiem zapytania ewentualne zwiększenie mocy sygnałów cywilnych.