Szanowni Pañstwo Z przyjemnoœci¹ oddajê w Pañstwa rêce pierwsz¹, publikacjê monograficzn¹ z cyklu Biblioteka Nawigacji, poœwiêcon¹ Satelitarnemu Systemowi GPS, tym samym zapocz¹tkowuj¹c seriê wybranych dzie³ z zakresu nawigacji. Zamierzeniem jej jest realizacja wydawnicza pozycji monograficznych oraz podrêcznikowych adresowanych do studentów wy szych uczelni technicznych, pracowników nauki oraz osób zajmuj¹cych siê zawodowo problematyk¹ nawigacji morskiej, l¹dowej i powietrznej. Szczególnego znaczenia nabieraj¹ tu, jeszcze niedawno nieistniej¹ce, a dziœ bardzo dynamicznie rozwijaj¹ce siê aplikacje l¹dowe urz¹dzeñ nawigacyjnych, które za spraw¹ coraz bardziej popularnych i ogólnospo³ecznie dostêpnych: odbiorników pozycjonowania, systemów orientacji oraz informacji przestrzennej bêd¹ stanowiæ ju wkrótce g³ówny nurt rozwoju tej dziedziny. ywiê nadziejê, e wysoki poziom merytoryczny, publikacyjny oraz edycyjny, stanie siê nieod³¹cznym atrybutem Biblioteki Nawigacji. Z powa aniem Cezary Specht Redaktor Serii Biblioteka Nawigacji 7
8
Spis treœci Od Autora... 15 ROZDZIA I Geneza... 19 1.1. Transit... 19 1.2. GPS... 23 1.2.1. Faza I weryfikacja koncepcji (1973-1979)... 26 1.2.2. Faza II rozwój do pe³nej skali (1979-1985)... 28 1.2.3. Faza III produkcja i rozwiniêcie (1985-1994)... 29 1.2.4. Faza IV dzia³anie rozwiniêtego systemu (1994- )... 31 ROZDZIA II Charakterystyka nawigacyjna... 32 2.1. GPS jako system radionawigacyjny... 32 2.2. Poziomy dostêpu do systemu... 33 2.3. Formy ograniczenia dostêpu do systemu... 35 2.3.1. Selektywna dostêpnoœæ... 36 2.3.2. Przeciwdzia³anie zak³óceniom celowym... 38 2.4.GPS jako system profesjonalnej nawigacji... 38 2.4.1. Charakterystyka serwisu... 38 2.4.2. Strefa dzia³ania... 39 2.4.3. Dostêpnoœæ... 41 2.4.3.1. Definicja dostêpnoœci... 41 2.4.3.2. Charakterystyki dostêpnoœci... 43 2.4.4. Niezawodnoœæ... 46 2.4.4.1. Definicja niezawodnoœci... 46 2.4.4.2. Charakterystyki niezawodnoœci... 47 2.4.5. Dok³adnoœæ okreœlenia pozycji... 48 2.4.5.1. Dok³adnoœæ przewidywana... 48 2.4.5.2. Dok³adnoœæ powtarzalna... 54 2.4.5.3. Dok³adnoœæ wzglêdna... 55 2.4.5.4. Dok³adnoœæ transferu czasu... 56 2.5. GPS jako system nawigacji komercyjnej... 58 2.6. Przeznaczenie i potencjalne aplikacje... 59 2.7. Serwis informacyjny systemu... 63 9
ROZDZIA III Architektura... 65 3.1. Budowa... 65 3.2. Segment kontrolny... 66 3.2.1. G³ówna stacja kontrolna... 68 3.2.2. Stacje monitoruj¹ce... 68 3.2.3. Radiowe systemy nadawcze... 70 3.3. Segment kosmiczny... 70 3.3.1. Konstelacja... 70 3.3.2. Rakieta noœna i koszty... 74 3.3.3. Satelity... 75 3.4. Segment u ytkownika... 78 ROZDZIA IV Wyznaczanie wspó³rzêdnych *... 79 4.1. Zasady pomiaru odleg³oœci w satelitarnym systemie stadiometrycznym... 79 4.1.1. Sfera jako powierzchnia pozycyjna... 80 4.1.2. Ogólna zasada wyznaczania wspó³rzêdnych pozycji... 82 4.1.3. Pseudoodleg³oœæ i jej pomiar... 85 4.1.3.1. Pseudooleg³oœæ... 85 4.1.3.2. B³¹d zegara satelity... 88 4.1.3.3. Metody pomiaru pseudoodleg³oœci... 88 4.1.3.3.1. Pomiary kodowe... 89 4.1.3.3.1.1. Istota pomiaru kodowego... 89 4.1.3.3.1.2. Wyznaczenie wspó³rzêdnych pozycji w pomiarach kodowych... 90 4.1.3.3.2. Pomiary fazowe... 95 4.1.3.3.2.1. Istota pomiaru fazowego... 95 4.1.3.3.2.2. Pseudoodleg³oœæ w pomiarach fazowych... 97 4.1.3.3.2.3. Wyznaczenie wspó³rzêdnych pozycji w pomiarach fazowych... 99 4.2. Dok³adnoœæ okreœlania pozycji... 102 4.2.1. B³¹d œredni a wspó³czynniki geometryczne... 102 4.2.2. Wspó³czynniki geometryczne w GPS... 104 4.2.3. Minimalizacja wartoœci DOP... 109 4.3. Planowanie pomiarów... 115 4.4. Zastosowanie filtru Kalmana... 121 ROZDZIA V B³êdy pomiarów *... 125 5.1. ród³a b³êdów pomiarów... 125 5.2. Jonosfera w pomiarach GPS... 126 5.2.1. Jonosfera... 126 5.2.2. Prêdkoœæ fazowa i grupowa sygna³ów... 127 5.2.3. Refrakcja jonosferyczna... 131 5.2.4. OpóŸnienie jonosferyczne... 132 5.2.5. Algorytm Klobuchar a... 134 5.2.6. Pomiary dwuczêstotliwoœciowe... 136 5.3. Troposfera w pomiarach GPS... 136 5.3.1. Troposfera... 136 5.3.2. Refrakcja troposferyczna... 137 5.3.3. Model Hopfield... 138 5.3.4. Model Saastamoinen... 140 5.4. Wielodrogowoœæ (wielodro noœæ) sygna³ów GPS... 141 10
ROZDZIA VI Ruchy satelity w ziemskim polu grawitacyjnym *... 144 6.1. Si³y zachowawcze i perturbacyjne... 144 6.2. Niezak³ócony ruch SSZ... 146 6.2.1. Si³a ciê koœci... 146 6.2.2. Elementy orbity... 147 6.2.3. Prawa Keplera... 149 6.2.3.1. Pierwsze prawo... 150 6.2.3.2. Drugie prawo... 153 6.2.3.3. Trzecie prawo... 155 6.3. Obliczanie wspó³rzêdnych po³o enia satelity... 156 ROZDZIA VII Struktura sygna³u **... 159 7.1. Komponenty sygna³u... 159 7.1.1. Czêstotliwoœci noœne... 161 7.1.1.1. Czêstotliwoœæ noœna L1... 164 7.1.1.2. Czêstotliwoœæ noœna L2... 165 7.1.2. Kody pseudoprzypadkowe... 165 7.1.2.1. Istota i wybrane w³aœciwoœci... 165 7.1.2.2. Kody Gold a... 168 7.1.2.3. Kod pseudoprzypadkowy C/A... 168 7.1.2.4. Kod pseudoprzypdkowy P... 172 7.2. Korelacyjna metoda pomiaru odleg³oœci... 176 7.3. Transmisja radiowa z widmem rozproszonym... 179 7.3.1. Techniki dostêpu do kana³u radiowego... 179 7.3.2. Szerokoœæ pasma transmisji... 180 7.3.3. Rozpraszanie widma... 181 7.3.4. Odbiór sygna³ów... 184 7.3.4.1. Akwizycja... 184 7.3.4.2. Œledzenie... 186 7.4. Sygna³ jako element bezpieczeñstwa... 190 7.5. Odpornoœæ na zak³ócenia... 191 ROZDZIA VIII Depesza nawigacyjna **... 194 8.1. Przeznaczenie depeszy... 194 8.2. Format... 195 8.3. Kontrola poprawnoœci danych... 197 8.4. Struktura... 199 8.4.1. S³owa: TLM i HOW... 199 8.4.2. Podramka 1... 201 8.4.3. Podramki: 2 i 3... 205 8.4.4. Podramki: 4 i 5... 207 ROZDZIA IX Systemy ró nicowe */**... 215 9.1. Geneza systemu DGPS... 215 9.2. Zasady dzia³ania systemu DGPS... 218 9.2.1. Istota metody ró nicowej... 218 9.2.2. Model matematyczny pomiary kodowe... 219 9.2.3. Model matematyczny pomiary fazowe... 222 9.3. Metody DGPS... 223 9.4. DGPS a Selektywna Dostêpnoœæ... 226 11
12 9.5. Formatowanie poprawek DGPS... 227 9.6. Wymagania ogólne DGPS... 229 9.7. Wymagania techniczne DGPS... 230 9.8. Elementy Systemu DGPS... 231 9.8.1. Stacja referencyjna... 233 9.8.2. Zespó³ nadawczy stacji referencyjnej... 235 9.8.3. Stacja kontrolna... 240 9.8.4. Stacja monitoruj¹ca... 242 9.8.5. Odbiornik u ytkownika... 245 9.8.5.1. Odbiornik MSK... 246 9.8.5.2. Odbiorniki zintegrowane... 249 9.9. Polski system DGPS... 250 9.9.1. Geneza systemu... 250 9.9.2. Wyposa enie techniczne... 252 9.10. System DGPS innych pañstw... 253 9.11. Standard transmisji telemetrycznej RTCM S.C. 104... 254 9.11.1. Za³o enia standardu... 254 9.11.2. Rodzaje depesz... 255 9.11.2.1. Nag³ówek... 256 9.11.2.2. Depesza nr 1... 258 9.11.2.3. Depesza nr 2... 261 9.11.2.4. Depesza nr 3... 262 9.11.2.5. Depesza nr 5... 263 9.11.2.6. Depesza nr 6... 264 9.11.2.7. Depesza nr 7... 264 9.11.2.8. Depesza nr 8... 266 9.11.2.9. Depesza nr 15... 267 9.11.2.10. Depesza nr 16... 268 9.11.2.11. Depesze nr 18-21... 268 9.11.2.11.1. Depesza nr 18... 269 9.11.2.11.2. Depesza nr 19... 270 9.11.2.11.3. Depesza nr 20... 273 9.11.2.11.4. Depesza nr 21... 273 9.12. Wyznaczanie charakterystyk niezawodnoœciowych transmisji ró nicowych GPS... 274 9.12.1. Struktura niezawodnoœciowa systemów DGPS... 275 9.12.2. Stany pracy systemu DGPS... 277 9.12.2.1. Stany zdatnoœci i niezdatnoœci transmisji binarnej... 278 9.12.2.2. Stany zdatnoœci i niezdatnoœci transmisji depeszy RTCM... 280 9.12.2.3. Stany zdatnoœci i niezdatnoœci transmisji ró nicowej GPS... 281 9.12.3. Model dostêpnoœci... 283 9.12.3.1. Depesza RTCM nr 1... 283 9.12.3.2. Depesza RTCM 9-3... 286 9.12.3.2.1. Transmisja korekt PRC dla: 4, 5 lub 6 satelitów... 287 9.12.3.2.2. Transmisja korekt PRC dla: 7, 8 lub 9 satelitów... 288 9.12.3.2.3. Transmisja korekt PRC dla: 10, 11 lub 12 satelitów... 291 9.12.4. Model niezawodnoœci i ci¹g³oœci... 295
ROZDZIA X Odbiorniki... 300 10.1. Ogólne wymagania... 301 10.2. Podzia³ i klasyfikacja... 302 10.3. Budowa techniczna... 304 10.3.1. Instalacja... 306 10.3.2. Typy i rodzaje... 308 10.3.2.1. Odbiorniki ci¹g³ego œledzenia... 308 10.3.2.2. Odbiorniki sekwencyjne... 311 10.3.2.3. Odbiorniki multipleksyjne... 312 10.3.2.4. Odbiorniki hybrydowe... 313 10.4. Obs³uga odbiorników... 313 10.4.1. Ogólna struktura funkcjonalna... 313 10.4.2. Menu startowe... 315 10.4.3. Menu œledzenia systemu... 321 10.4.4. Menu nawigatora... 321 10.4.5. Alarmy... 327 10.4.6. Menu interfejsów... 331 10.4.7. Standard NMEA... 332 10.4.8. Format komunikatów NMEA... 337 10.5. Symulatory GPS... 339 10.5.1. Oprogramowanie... 341 10.5.2. Generator scenariuszy... 341 10.5.3. Uzupe³niaj¹ce mo liwoœci generatora scenariuszy... 343 10.5.4. Program wykonawczy... 343 ROZDZIA XI Wybrane zastosowania geodezyjne *... 345 11.1. Techniki pomiarów... 345 11.2. Ró nicowe pomiary fazowe... 348 11.2.1. Pojedyncza ró nica odleg³oœci... 349 11.2.2. Podwójna ró nica odleg³oœci... 351 11.2.3. Potrójna ró nica odleg³oœci... 352 11.3. Nieoznaczonoœæ pomiarów... 353 11.4. Techniki pomiarów fazowych... 357 11.4.1. Pomiary statyczne... 357 11.4.2. Pomiary kinematyczne... 360 11.5. Systemy GPS Total Station... 361 ROZDZIA XII EGNOS I GALILEO... 366 12.1. System EGNOS... 366 12.1.1. Geneza, przeznaczenie i serwisy... 366 12.1.2. Budowa... 368 12.1.2.1. Segment kosmiczny... 368 12.1.2.2. Segment naziemny... 370 12.1.2.2.1. MCC Centra Sterowania... 370 12.1.2.2.2. RIAS Stacje Monitorowania Odleg³oœci i Wiarygodnoœci... 372 12.1.2.2.3. NLES Nawigacyjne Stacje L¹dowe... 373 12.1.2.2.4. EWAN Sieæ Telekomunikacyjna Systemu... 374 12.1.2.3. Segment u ytkownika... 374 12.1.3. Sygna³y... 375 13
12.2. System GALILEO... 376 12.2.1. Geneza... 376 12.2.2. Za³o enie i plan realizacji... 378 12.2.2.1. Faza definicji... 380 12.2.2.2. Faza rozwiniêcia i testowania... 381 12.2.2.3. Fazy uruchomienia i pracy... 382 12.2.3. Serwisy... 382 12.2.4. Sygna³y... 386 12.2.5. Architektura... 388 12.2.5.1. Segment kosmiczny... 390 12.2.5.2. Segment naziemny... 393 12.2.6. Przysz³oœæ Systemu... 395 S³ownik podstawowych terminów GPS... 397 Bibliografia... 405 14
Od Autora... kilka s³ów o nawigacji na pocz¹tku XXI wieku Gdybyœmy w kilku s³owach zamierzali odpowiedzieæ na pytanie czym jest wspó³czesna nawigacja, szybko okaza³oby siê, e to raczej problem na opas³e tomy, bowiem tu, nawet najdoskonalszy zamys³ lapidarnoœci ³amie siê o wagê zagadnienia. Zatem owych kilka s³ów przyjmijmy jako historycznie ju widziane wprowadzenie do dalszej czêœci ksi¹ ki. Jedno natomiast nie ulega w¹tpliwoœci owo zagadnienie nie istnieje w oderwaniu od Globalnego Systemu Pozycyjnego. GPS to swego rodzaju synonim nawigacji XXI wieku i czasów, w których yjemy. Obecnie z pewn¹ nostalgi¹ spogl¹damy na inne techniki nawigacyjne, wypierane przez ogromne mo liwoœci ró norodnych aplikacji GPS. Klasyczn¹ nawigacjê zdeterminowan¹ map¹, szczegó³owo ustalonymi i czêsto d³ugotrwa³ymi procedurami pomiarowymi, skomplikowanymi wzorami matematycznymi i podobno sztuk¹, mamy ju za sob¹. Sprawczyni¹ tego stanu jest równie nawigacja satelitarna. Dziêki tak nowoczesnej technologii trud uzyskania odpowiedzi na odwieczne pytanie nawigatora o wspó³rzêdne pozycji dziœ jest w zasadzie zniwelowany, a odpowiedÿ mo e zostaæ udzielona niemal wszêdzie i o ka dym czasie. Jednak zaskakiwaæ mo e charakter i pêd owej wiedzy nawigatorów. Otó, przy tak dynamicznym rozwoju cywilizacyjnym mamy do czynienia z zaawansowanymi technicznie metodami wykorzystywanymi w nawigacji, przy ich jednoczesnym mno eniu siê. Niestety czêsto odbywa siê to kosztem szczegó³owego rozumienia poszczególnych zagadnieñ, co w konsekwencji skutkuje pewn¹ powierzchownoœci¹. Jako dziedzina dzia³alnoœci ludzkiej nawigacja staje siê powoli procesem przetwarzania i selekcji docieraj¹cej informacji. Cech¹ jej jest malej¹cy poziom kontroli przebiegu poszczególnych podprocesów, nie mówi¹c ju o ich weryfikacji. Informacja podawana nawigatorowi-operatorowi systemu jest syntez¹ wyjœæ przetwarzanych procesów, wymagaj¹ca jednoczeœnie szybkiej i poprawnej oceny. Co prawda rozbudowane systemy nawigacyjne wykorzystuj¹ wiele procedur sprawdzaj¹cych czy wrêcz wspomagaj¹cych decyzjê, jednak obecnie nie jest to jeszcze podejœcie kompleksowe i nie zabezpiecza przed b³êdnymi diagnozami. Jednym z niezbêdnych i w ogólnym mniemaniu bezb³êdnych oraz niezawodnych cudów techniki naszych czasów jest system GPS, którego wykorzystanie we wspó³czesnej nawigacji staje siê wrêcz kultowe. W³asne doœwiadczenie pozwala zauwa yæ, e zaledwie kilka lat temu niezbêdn¹ wiedz¹ umo liwiaj¹c¹ przejœcie morzem z Gdyni do Œwinoujœcia by³a nieskomplikowana umiejêtnoœæ odró nienia lewej i prawej rêki kojarzonych odpowiednio z l¹dem i morzem. Natomiast dziœ wystarczy byæ zorientowanym gdzie znajduje siê odbiornik GPS. A powa nie mówi¹c ci¹g³oœæ i precyzja otrzymywanej z odbiornika pozycji przewartoœciowa³a wiele aspektów wspó³czesnej nawigacji. Przy wieloœci funkcji prostego odbiornika, da³a nowe mo liwoœci bie ¹cego obrazowania sytuacji nawigacyjnej na wszelkich odmianach morskich i l¹dowych map elektronicznych, pocz¹wszy od prostych ploterów, poprzez Elektroniczne Mapy Nawigacyjne (ang.: Electronic Navigational Chart ENC) po Geodezyjne Systemy 15
Cezary Specht System GPS Informacyjne (GIS). W nawigacji morskiej i lotniczej po³¹czenie bie ¹cej pozycji, mapy oraz danych o sytuacji kolizyjnej, dostêpnych dziêki nowoczesnym radarom z mo liwoœci¹ automatycznego œledzenia celów (ARPA) zintegrowa³o nawigacyjny proces sterowania ruchem obiektu, nadaj¹c mu wspó³czesny wymiar. Dotychczas niedostrzegana nawigacja l¹dowa sta³a siê niew¹tpliwie najszybciej rozwijaj¹c¹ siê dziedzin¹ wykorzystuj¹c¹ szeroki wachlarz komercyjnych i profesjonalnych mo liwoœci systemu GPS. Mimo, i systemy nawigacyjne, ³¹cz¹ce wektorow¹ mapê elektroniczn¹, pozycjonowanie satelitarne oraz samochodowe mierniki prêdkoœci i kierunku, montowane s¹ jedynie w modelach samochodów najwy szej klasy jutro mo emy spodziewaæ siê takich rozwi¹zañ w pojazdach dla ka dego w ramach ich standardowego wyposa enia. Pokusiæ siê mo na o stwierdzenie, e czas systemu GPS dopiero nadchodzi, bior¹c pod uwagê nieprzebran¹ liczbê potencjalnych u ytkowników l¹dowych i ich automobili, z których ka dy bêdzie posiada³ odbiornik satelitarny. Celowym staje siê postawienie nastêpuj¹cego pytania: có zadecydowa³o o takiej popularnoœci systemu GPS? Wydaje siê, e czynników takich jest wiele, z których zasadniczym (pozatechnicznym) jest niespotykana w dotychczasowych systemach radionawigacyjnych prostota obs³ugi odbiorników oraz czytelny, ju dla czwartoklasisty, system prezentacji geograficznych wspó³rzêdnych pozycji. Gdyby przyj¹æ, e jedynym zadaniem odbiornika nawigacyjnego jest okreœlanie wspó³rzêdnych pozycji, mo na by œmia³o stwierdziæ, e jego obs³uga siêgnê³a maksimum swej prostoty pod³¹cz i dzia³a. Paradoksalnie w przypadku GPS zaawansowanie techniczne systemu równie siêgnê³o optimum, lecz swej z³o onoœci. Magiczne plug and play znane ju kilkuletnim mi³oœnikom komputerów przechodzi na wszelkie dziedziny ycia ludzkiego, w tym tak e na systemy pozycyjne, z których GPS jest tego najlepszym przyk³adem. Z drugiej jednak strony, prawie absolutna niezawodnoœæ i pewnoœæ tego systemu powoduje, e wskazania odbiorników, dla czêœci nawigatorów staj¹ siê podstaw¹ do okreœlania niemierzonych bezpoœrednio przez odbiornik parametrów: kursu, prêdkoœci czy weryfikacji innych, niejednokrotnie bardziej precyzyjnych nawigacyjnych przyrz¹dów pomiarowych. Ta niepokoj¹ca praktyka wynika po czêœci z wygodnictwa, ale tak e z braku podstawowej wiedzy o tym systemie oraz wszechpanuj¹cej opinii o jego doskona³oœci. Wspomniany dysonans pog³êbia wieloœæ funkcji i operacji, które oferuje swemu u ytkownikowi wspó³czesny odbiornik, czyni¹c go czarn¹ skrzynk¹ do odczytywania ró nych wielkoœci otrzymywanych wed³ug nie do koñca jasnych, dla przeciêtnego u ytkownika, procedur. Przy tak ogromnej popularnoœci wiedza o GPS nie nale y do zagadnieñ prostych. Zasadniczymi jej dzia³ami s¹: telekomunikacja, informatyka, automatyka, nawigacja, geodezja, astronomia, przy uwzglêdnieniu ich niezmiernie wysokiego poziomu merytorycznego. Ju samo ich wymienienie przyprawia o zawrót g³owy. St¹d te przyswojenie tych danych wymaga wszechstronnego rozeznania technicznego, a nawet mo na zaryzykowaæ twierdzenie, i jest tematyk¹ wysoce z³o on¹ i trudn¹. Podejmuj¹c monograficzn¹ próbê prezentacji systemu GPS, wielokrotnie zastanawia³em siê nad jej stron¹ metodyczn¹ oraz ogóln¹ form¹ i koncepcj¹. Generalnym zamys³em publikacji by³a próba po³¹czenia potrzeb szerokiej grupy u ytkowników GPS (których zawi³e rozwa ania teoretyczne zniechêcaj¹ do dalszej lektury) z wysokimi wymaganiami stawianymi zawodowym nawigatorom, zarówno morskim, lotniczym czy l¹dowym. Nie ukrywam, i ambicjonalnym zamierzeniem autora by³o zawarcie w niej równie treœci nie publikowanych dotychczas w polskiej literaturze rozwa aj¹cych zagadnienia szczegó³owe. Dotycz¹ one zasadniczo problemów technicznych (czêsto traktowanych pobie nie) oraz teleinformatycznych praktycznie pomijanych w publikacjach zwartych. Odzwierciedleniem powy ej wspomnianych celów jest struktura ksi¹ ki. Jej rozdzia³y zosta³y podzielone wg. z³o onoœci rozwa anej problematyki i odpowiadaj¹cych jej grup u ytkowników. Przy tytu³ach wybranych bardziej z³o onych czêœci, za pomoc¹ gwiazdek, oznaczono ich potencjalnych adresatów, gdzie: 16
Od Autora Rozdzia³y nieoznaczone gwiazdk¹ przeznaczone s¹ dla praktyków nawigacji zarówno zawodowo jak i amatorsko z ni¹ zwi¹zanych. W sferze profesjonalnej dotycz¹ oficerów wachtowych statków handlowych, okrêtów Marynarki Wojennej i Stra y Granicznej, statków rybackich, pilotów statków powietrznych jak równie szerokiej rzeszy eglarzy profesjonalnych. Natomiast z amatorskiej strony nie sposób zapominaæ o wielbicielach wszelkiego rodzaju sportów i aktywnoœci ludzkiej, w których istnieje element nawigacji takich jak turystyka, baloniarstwo, lotniarstwo, czy nawet dziœ tak modny surveying, rozumianych w kategoriach zbli onych do harcersko-wojskowych. Czêœci opatrzone znakiem (*), stanowi¹ce rozwiniêcie teoretyczne zagadnieñ praktycznych, zaadresowano do studentów uczelni politechnicznych (posiadaj¹cych szczególne predyspozycje techniczne) takich jak: Uczelni Morskich, Lotniczych, jak i wybranych Wydzia³ów Politechnik oraz innych. Najmniejsz¹ liczbê potencjalnych czytelników zak³adaj¹ podrozdzia³y dwugwiazdkowe (**) rozwa aj¹ce zagadnienia szczegó³owe, którymi przeciêtny u ytkownik najczêœciej nie jest zainteresowany, lecz ich treœci mog¹ stanowiæ uzupe³nienie prac kwalifikacyjnych. Uk³ad ksi¹ ki Rozdzia³ I: Geneza jest poœwiêcony aspektowi historycznemu realizacji projektu Navstar-GPS. Czytelnik znajdzie tu rys historyczny powstania systemu GPS, pocz¹wszy od pierwszych satelitów Timation, a skoñczywszy na roku 2000, w którym system zacz¹³ pracowaæ (bez adnych celowych ograniczeñ) w pe³ni swych technicznych mo liwoœci. Czêœæ ta ma charakter dokumentalistyczny, stanowi¹cy historyczne uzupe³nienie nastêpuj¹cych po niej rozdzia³ów typowo technicznych. Rozdzia³ II: Charakterystyka nawigacyjna definiuje podstawowe pojêcia z zakresu nawigacji niezbêdne czytelnikowi w dalszej lekturze oraz charakteryzuje podstawowe cechy eksploatacyjne systemu GPS, takie jak dok³adnoœæ okreœlenia pozycji, dostêpnoœæ, niezawodnoœæ i strefê dzia³ania. Jego z pozoru dyskusyjne po³o enie w strukturze publikacji wynika z koniecznoœci wstêpnego opisu systemu z punktu widzenia ogólnych cech eksploatacyjnych. S¹ one oparte o opublikowane przez Departament Obrony USA wybrane standardy dotycz¹ce GPS stanowi¹ce formê swoistej gwarancji dla u ytkownika. Rozdzia³ III: Architektura stanowi wprowadzenie do teorii systemu. Obejmuje on swym zakresem strukturê funkcjonaln¹ segmentów, relacje miêdzy nimi oraz zakres dzia³ania. Szczegó³owo scharakteryzowano tu segment kontrolny odpowiadaj¹cy za nieprzerwan¹ pracê systemu. Rozdzia³ IV: Wyznaczanie wspó³rzêdnych to klucz do zrozumienia istoty dzia³ania GPS. Czytelnik znajdzie w nim opis metody pomiaru odleg³oœci pocz¹tkowo pozbawiony z³o onych formu³ matematycznych. Bardziej wymagaj¹cy odbiorca w czêœci tej znajdzie modele matematyczne wyznaczenia wspó³rzêdnych pozycji oraz rozwiniêt¹ analizê relacji geometrycznych w systemie. Jako ostatni element zaprezentowano zagadnienia filtracji kalmanowskiej odnosz¹cej siê do pomiarów GPS. Rozdzia³ V: B³êdy pomiarów obejmuje analizê Ÿróde³ oraz przyczyn wystêpowania b³êdów w pomiarach GPS. Poddano w nim ocenie zarówno czynniki propagacyjne jak i uwarunkowania techniczne. Rozdzia³ VI: Ruch satelity w ziemskim polu grawitacyjnym opisuje podstawy teoretyczne ruchu satelity GPS w ziemskim polu grawitacyjnym. Prawa ruchu planet Keplera oraz wyznaczanie po³o enia satelity na orbicie stanowi¹ treœæ tej czêœci. 17
Cezary Specht System GPS Rozdzia³ VII: Struktura sygna³u nale y do doœæ z³o onych zagadnieñ zwi¹zanych z transmisj¹ sygna³ów satelitarnych. Scharakteryzowano tu metody generowania kodów pseudoprzypadkowych GPS, rozpraszania widma sygna³u GPS, jak równie korelacyjn¹ metodê pomiaru pseudoodleg³oœci w systemie. Rozdzia³ VIII: Depesza nawigacyjna to szczegó³owy opis danych transmitowanych w depeszy satelitarnej GPS. Nie ulega w¹tpliwoœci, e przeciêtny u ytkownik GPS treœciami tej czêœci nie bêdzie zainteresowany, jednak e zaprezentowana tu informacja mo e byæ uzupe³nieniem wiedzy specjalistycznej. Rozdzia³ IX: Systemy ró nicowe opisuje podstawy teoretyczne, metody oraz techniki wykorzystania systemu GPS w wersji ró nicowej. Szczególn¹ uwagê poœwiêcono morskim systemom DGPS powszechnie wykorzystywanych na akwenach morskich RP. Zaprezentowano tu równie przegl¹d technik ró nicowych GPS wykorzystuj¹cych telemetriê satelitarn¹, do których nale ¹ m.in. EGNOS. W jednym z podrozdzia³ów zaprezentowano autorsk¹ metodê wyznaczania dostêpnoœci, niezawodnoœci i ci¹g³oœci transmisji ró nicowej GPS. Rozdzia³ X: Odbiorniki skierowany jest do szerokiej rzeszy nieprofesjonalnych u ytkowników. Czytelnik mo e w nim znaleÿæ szereg praktycznych informacji dotycz¹cych monta u, wykorzystania czy obs³ugi morskich, lotniczych oraz l¹dowych odbiorników GPS. Ten rozdzia³ mo e okazaæ siê równie pomocnym w wyjaœnieniu wielu terminów i funkcji, które pojawiaj¹ siê na wyœwietlaczach typowych odbiorników GPS. Rozdzia³ XI: Wybrane zastosowania geodezyjne to czêœæ adresowana do konkretnej grupy zawodowej, która poza nawigatorami stanowi drug¹ w zakresie liczebnoœci spo³ecznoœæ zawodowo wykorzystuj¹c¹ system GPS. Teoriê pomiarów fazowych, techniki pomiarów, metody ich planowania i wykonywania, opisano w niniejszym rozdziale. Rozdzia³ XII: Egnos i Galileo stanowi¹cy ostatni¹ czêœæ ksi¹ ki odnosi siê do koncepcji oraz realizacji zwi¹zanych z tworzeniem europejskiego systemu nawigacji satelitarnej Galileo. System ten - ju w 2008 roku - bêdzie struktur¹ konkurencyjn¹ w stosunku do GPS. Mimo, i przedstawiane treœci obejmuj¹ zagadnienia rozwa ane w procesach dydaktycznych wielu uczelni, jak równie by³y tematem publikacji, to niektóre z nich nie zosta³y jeszcze w pe³ni uœciœlone w zakresie terminologicznym. St¹d te istotne sformu³owania zwi¹zane z nazewnictwem i terminologi¹ GPS zawieraj¹ obcojêzyczne odpowiedniki, w celu unikniêcia niezrozumia³oœci w tym wzglêdzie. Jednoczeœnie, na koñcu ksi¹ ki zasadnym by³o umieszczenie s³ownika terminologicznego zwi¹zanego z systemem GPS. Podziêkowania W tym miejscu sk³adam serdeczne podziêkowania osobom, które przyczyni³y siê do powstania ksi¹ ki. Na pierwszym miejscu chcia³bym gor¹co podziêkowaæ moim studentom, których dociekliwoœæ i otwarte spojrzenie wp³ynê³o na jej kszta³t. Szczególne s³owa kierujê równie do osób, które czytaj¹c poszczególne rozdzia³y wnios³y do nich nowe myœli, ocenia³y i sugerowa³y stosowne zmiany. Nale ¹ siê one przede wszystkim Pañstwu: Annie i Aleksandrowi Nowak, których uwagi zarówno merytorycznej jak i jêzykowej treœci niezmiernie wysoko ceniê. Pañstwa sugestie, oceny i pogl¹dy dotycz¹ce odbioru niniejszej publikacji proszê kierowaæ na poni szy adres. Zostan¹ one uwzglêdnione w kolejnym wydaniu. Za wszelkie uwagi i opinie serdecznie dziêkujê. Autor Gdañsk, grudzieñ 2006 18