Nawigacja satelitarna to rozbudowany system składający się z co najmniej 24 satelitów umieszczonych na orbitach
okołoziemskich, stacji naziemnych oraz odbiorników użytkowników.
Pierwsze badania dotyczące możliwości wykorzystania sygnałów wysyłanych przez satelity do określenia współrzędnych obiektów na ziemi, prowadzone były już w 1957 roku. O tego czasu powstało kilka systemów nawigacji satelitarnej oferujących coraz większą dokładność ustalania pozycji.
Aktualnie najbardziej popularny jest system
GPS. Początkowo miał być przeznaczony tylko na potrzeby wojskowe armii amerykańskiej. W niedługi czasie odkryto jego przydatność dla cywilnej gospodarki. Technologia zastrzeżona dla celów militarnych coraz szerzej wchodzi do zastosowań cywilnych.
Odbiorniki GPS stają się coraz tańsze, mają mniejsze wymiary i znoszone są sztuczne ograniczenia co do ich dokładności. Znajdują zastosowanie w prawie wszystkich dziedzinach życia. Najpopularniejsze są
samochodowe odbiorniki GPS z oprogramowaniem do nawigacji w nieznanym terenie. GPS ma zastosowanie w
turystyce, nadzorze i lokalizacji obiektów. Są też specjalistyczne zastosowania w geodezji, kartografii budownictwie i wielu innych dziedzinach.
Jak działa system GPS
System składa się z trzech zasadniczych segmentów: kosmiczny, kontroli i segmentu użytkownika. W skład najważniejszego segmentu kosmicznego wchodzą 24 satelity i co najmniej 5 rezerwowych. Rozmieszczone są na orbitach wokół ziemi na wysokości około 20162 km. Pozycje satelitów są tak dobrane, aby pokrywały swym zasięgiem całą powierzchnię ziemi. Do dokładnego pomiaru wymagane jest aby w każdym punkcie ziemi, można było odebrać sygnał z przynajmniej 4 satelitów.
Drugi segment stanowią stacje kontroli naziemnej, najważniejsza znajduje się w Bazie Sił Powietrznych USA Falcon w Springs i pomocnicze na Hawajach, Diego Garcia, w Ascestor i Kwajalein. Zadaniem stacji jest stała obserwacja satelitów, wyznaczanie ich efemerydy i parametrów zegarów.
Segment użytkownika to wszystkie rodzaje odbiorników, korzystających z danych systemu GPS. Są tu bardzo precyzyjne odbiorniki wojskowe i mniej dokładne cywilne. Użytkownicy cywilni muszą liczyć się z większym błędem pomiaru, a nawet z brakiem możliwości odbioru GPS w wybranych rejonach w przypadku zagrożenia bezpieczeństwa USA.
Sygnał wysyłany przez satelity składa się z dwóch częstotliwości L1 o długości fali nośnej 19 cm i sygnał L2 o długości fali 24 cm. Sygnał L1 modulowany jest kodem cyfrowym C/A zrozumiałym dla odbiorników cywilnych, a sygnał L2 kodem P przeznaczonym tylko dla wojska.
Do roku 2000 sygnał z L1 dla użytkowników cywilnych celowo miała zaniżoną dokładność. Wprowadzony był pseudolosowy błąd zwany: Selective Availability. Skutkiem tego błędu była zmniejszona dokładności pomiaru do 100 metrów. Ograniczenie to można było obejść obliczając średni wynik z sygnału przychodzącego z trzech lub więcej satelitów.
Znaczącą poprawę dokładności uzyskano wprowadzając różnicową metodę pomiarów. W systemie
DGPS występuje dodatkowo stacja bazowa. Jej połażenie jest dokładnie znane, więc odbiornik GPS może porównać swój wynik z tym otrzymanym ze stacji bazowej, wprowadzić korektę błędu wynikającą z odległości do stacji i podać. Otrzymany wynik mieści się w zakresie błędu 3 do 5 metrów. Jest to wynik zupełnie wystarczający do zastosowania w cywilnej nawigacji pojazdów.
Ponieważ odległość i współrzędne obiektów wyznaczane są na podstawie obliczeń czasu odbioru sygnału z satelitów, pomiar czasu odgrywa tu krytyczną rolę.
Decyzją administracji Clintona, 2 maja 2000r. zniesiono Selective Availability i system GPS jest dużo bardziej dokładny, bez konieczności stosowania DGPS. Korektę z lokalnych stacji różnicowych DGPS wykorzystuje sie już tylko w najbardziej precyzyjnych urządzeniach pomiarowych.
Na satelitach i w stacjach naziemnych stosuje się bardzo dokładny atomowy zegar czasu, a w odbiornikach mniej dokładny kwarcowy. Czas jest korygowany ze stacji naziemnych, a w odbiornikach użytkowników wyliczany z danych otrzymanych z satelitów.
