Nové tisíciletí vsadilo ma moderní orientaci pomocí soustavy navigačních družic. Jak tato metoda vznikla, co umí a kam povede?
Touhou dávných mořeplavců a všech cestovatelů bylo co nejpřesnější stanovení polohy v neznámých krajinách. Po staletí s nadějí vzhlíželi k obloze a jejich spásou byla astronomická navigace. V současnosti se stejnou důvěrou hledají odpověď na obrazovce kapesního počítače, protože se už definitivně prosadilo užívání družicové navigace.
První roky – první kroky
S malou nadsázkou lze říci, že úžasná metoda má své kořeny u nás. Na počátku všeho totiž stál český astronom dr. Bohumil Šternberk, který počátkem 60. let studoval slabé pípání prvního sovětského Sputniku a pokusil se jako první na světě využít družicových signálů pro přesné určení polohy družice vysoko nad námi.
Princip je jednoduchý! Přibližující se radiový (rádiový?) signál má poněkud jinou, vyšší frekvenci než signál vzdalující se družice. Poprvé ho poprvé popsal roku 1842 Christian Doppler, v oné době profesor pražské polytechniky. A právě na tomto jevu je založena družicová navigační síť.
K dnešní družicové navigaci však zbývala ještě dlouhá cesta technického vývoje. U zrodu jejích první generace stály především zájmy amerického námořnictva, které roku 1960 vyslalo na oběžnou dráhu první experimentální navigační družice TRANSIT. Jejich cílem bylo určování polohy vojenských plavidel a letadel. Až po čtyřech letech byl systém uvolněn i pro civilní použití, kde po dlouhá léta sloužil hlavně majitelům jachet.
Jak daleko je k družici?
Zhruba stokilogramové družice měly tvar koule o průměru necelého metru, energii dodávaly sluneční fotočlánky, rozmístěné v pásu kolem družice. Vyhodnocení probíhalo na principu znalosti polohy družice a přesného měření frekvence přijímaných signálů. Přístrojové vybavení tvořila především dvojice vysoce stabilních oscilátorů, které ovládaly frekvence čtyř vysílačů o výkonu 100 až 200 mW.
Hlavní navigační aparatura byla doplněna několika dalšími detektory a geodetickým experimentem SECOR (Sequential Collation of Range), určeným k přesnému měření vzdálenosti mezi pozemními stanicemi a družicí.
Úspěšná éra družic této generace skončila satelitem Transit 23, který startoval roku 1988. Celý systém pak fungoval až do konce roku 1996, kdy byl vypojen.
30 let GPS
Ač se to nezdá, globální polohový systém NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System) má za sebou již více než 30 let postupného vývoje. Jeho experimentální fáze začala roku 1978.
Postupně byla vybudována pozemní řídicí střediska, doplňoval se počet družic – až do roku 2004 nesly označení Navstar (Navigation Signal Timing And Ranging), a rozběhl se vývoj uživatelských zařízení. V prosinci 1993 pak bylo poprvé dosaženo trojrozměrného zaměřování.
V současné době jsou na oběžné dráze již družice třetí generace, čtvrtá je letos naplánována k vypuštění a pátá se právě teď projektuje. Plány zatím sahají zhruba do roku 2030, kdy by měly dosluhovat družice zatím poslední verze tzv. Bloku III, které se na obloze začnou objevovat kolem roku 2020.
Technologie GPS byla zpočátku využívána jen vojensky, ale v 80. letech 20. století rozhodla americká vláda o částečném a od května 2000 úplném využití pro civilní účely. V té době došlo k mohutnému rozšíření technologie GPS do všech oblastí lidské činnosti.
Dvakrát za den…
Kosmickou část GPS tvoří družice na šesti kruhových drahách se sklonem 55° k rovině rovníku, pohybujíci se rychlostí 11 300 km/h (pětinásobek rychlosti letounu JAS-39 Gripen) ve výšce 20 200 km nad Zemí. Za jeden den každá z nich dvakrát oběhne kolem Země (jeden oběh trvá 11 h 58 min). Na každé ze šesti drah je umístěno 5 družic, z nichž jedna (pozice č. 5) je vždy záložní. Pracuje tedy jen 24 družic.
Nejmodernější verzi družic GPS, které nyní krouží nad našimi hlavami, představují Bloky IIR o hmotnosti přes 2000 kg, kterých bylo vyrobeno 13 a jejichž životnost je plánována na nejméně 10 let. Jsou schopny dlouhodobého samostatného provozu bez zásahu z pozemního řídicího střediska. Družice Bloku IIR spolu dokáží komunikovat, sledovat svoje pozice a korigovat své dráhy.
Tříose stabilizovaná družice Navstar Block IIR má tvar hranolu o rozměrech 1,5 x 2 x 2 m se dvěma panely slunečních baterií o rozpětí 12 m, dodávajícími 1,4 kW elektrické energie. Družice dokáže určit polohu sledovaných vojenských objektů s přesností ±6 m, civilní sektor pracuje s přesností ±9 m.
Srdcem každé družice jsou velmi přesné atomové hodiny. Na palubě jsou nejméně troje, dříve i s cesiovým, nyní pouze rubidiovým oscilátorem. Zajišťují frekvenční stabilitu vysílaného signálu.
K čemu je to dobré?
V současnosti se s GPS setkáváme v běžném životě stále častěji. Navigační systémy automobilů, přístroje určené pro turisty, mořeplavce nebo amatérské letce, přístroje PDA (osobní digitální asistent) s integrovaným GPS přijímačem, popřípadě samostatné GPS moduly, jsou jen několika málo příklady, jak dnes běžný uživatel může využít globální polohový systém.
Většímu rozšíření používání GPS u nás v poslední době velmi pomohlo zejména vytvoření digitálních map určených pro použití v mobilních přístrojích, vybavených barevnými displeji.
Satelitní navigace pomáhá zemědělcům k vyšší produktivitě a účinnosti stávajících metod obdělávání půdy. Poskytuje lokální data o pozemcích a je možné z ní vyčíst například zamoření polí plevelem nebo onemocnění pěstovaných kultur.
Satelitní navigace umožňuje vyhodnocovat přesné informace o přírodních jevech, které probíhají na velkých plochách. Tímto způsobem je možné předpovídat rychlost postupu lesních požárů, vzdušných vírů a jiných nebezpečných jevů a chránit tak životy i majetek na dotčených územích.
Ať je den či noc…
Rovněž hustý letecký provoz si už bez znalosti přesné polohy těžko představíme. Navigační systémy letadel pomáhají při řízení téměř všech jejich manévrů. Absolutní výhodou systému GPS je kontrola polohy letadel nad oceánem, která by jinak nebyla z pozemních vysílačů možná. Velkou výhodou je i možnost využití systému v jakýchkoliv povětrnostních podmínkách bez ohledu na to, zda je den či noc.
V neposlední řadě se zmiňme o samotných letech v kosmickém prostoru kolem Země. Systémy, navazující na GPS, se začaly využívat pro stanovení přesné polohy družic na oběžné dráze, které se s využitím speciálních algoritmů budou již brzy schopny navádět automaticky. Tím se usnadní provoz pozemních řídících středisek. Rakety a kosmické lodě budoucnosti budou schopny startovat, pracovat na oběžné dráze a poté se vrátit na Zemi pod neustálým řízením a kontrolou satelitním navigačním systémem.
Co bude zítra a pozítří?
Další vývoj navigačních systémů se bude zřejmě ubírat především cestou komerční poptávky. Žádoucí je ještě vyšší přesnost, jdoucí do desítek centimetrů, a lze očekávat, že jí bude dosaženo. Rozhodující bude zřejmě možnost integrování jednotlivých uživatelských systémů služeb do jednoho zařízení.
Principiálně je to možné již dnes! Prozatím je to jen otázka rozměrů a nákladnosti, to vše se ale nesporně během desetiletí změní. Nebude-li nám ovšem vadit, že s každým dalším pasivním využitím roste i možnost cizí kontroly nad námi a naším konáním….
Sputnikový systém
Principiálně podobný globální systém jako USA budovali i v Rusku. První experimentální družice systému GLONASS (Globalnaja Navigacionnaja Sputnikovaja Sistema) startovala již roku 1982. Prozatím poslední trojice satelitů byla na dráhy uvedena koncem roku 2005. Systém tvoří 24 družic na kruhových drahách ve výšce 19 200 km ve třech oběžných rovinách se sklonem 65°, po nichž se pohybují na 12tihodinových drahách.
Tříose stabilizovaná družice typu Uragan (typové označení 11F654) o hmotnosti 1400 kg má tvar válce o průměru 2,3 m se 2 panely fotovoltaických baterií o rozpětí 7,2 m a ploše 17,5 m2, dodávajících 1,6 kW elektrické energie. Na povrchu jsou umístěny laserové koutové odražeče pro přesné měření dráhy z pozemních stanic.
Navigační vysílače umožňují určení horizontálních souřadnic civilních letadel a námořních lodí s chybou ±57 až 70 m, výšky s chybou ±70 m, rychlosti s chybou ±0,15 m/s a času s chybou ±1 µs. V speciálním režimu může dosahovat vyšší přesnosti kolem ±20 m.
Hlavní pozemní řídicí středisko je u města Golicyno, v Moskevské oblasti.
Předchozí generace družic
První generace družic systému GPS (tzv. Blok I) představovala deset družic Rockwell International o hmotnosti přes 1000 kg, vynesených do vesmíru v letech 1978 až 1985 na dráhy se sklonem 63° k rovníku. Plánovaná životnost byla 4,5 roku, ale většina družic spolehlivě sloužila více než dvojnásobek této doby. Poslední Blok I byl vyřazen z aktivní služby v listopadu 1995.
Druhou generaci tvořilo devět družic Blok II, vypuštěných v letech 1989 a 1990. Měly zlepšené odstínění před kosmickým zářením, oběžnou dráhu se sklonem 55° k rovině rovníku a byly prvními družicemi GPS, vybavenými detektory jaderných explozí. Navíc dokázaly fungovat dva týdny bez nutnosti korekcí pozemním řídicím střediskem.
Dalším typem byly družice Blok IIA v letech 1990 až 1997, schopné samostatně pracovat bez nutnosti zásahů z pozemního řídícího střediska po dobu 180 dní, ovšem za cenu snížené přesnosti určení polohy. Některé měly na palubě i laserový odražeč, který umožňil přesné zaměření polohy družice pomocí laserového paprsku vyslaného ze Země.
Kdo řídí GPS?
Řízení GPS tvoří soustava pěti monitorovacích stanic, tří pozemních vysílačů povelů a hlavního řídicího střediska.
Monitorovací stanice jsou rozmístěny rovnoměrně podél rovníku: na Havajských ostrovech, na atolu Kwajalein na Marshallových ostrovech v západním Tichomoří, na ostrově Ascension ve středním Atlantiku, na ostrově Diego Garcia uprostřed Indického oceánu a v Colorado Springs v USA. Pozemní vysílače jsou umístěny na ostrovech Ascension, Diego Garcia a na atolu Kwajalein.
Hlavní pozemní stanice se nachází na základně Falcon AFB v Coloradu, hlavní řídicí středisko sídlí na Schrieverově letecké základně v Colorado Springs v Coloradu a celý systém je řízen z ředitelství Navstar na letecké základně v Los Angeles.
