Segmenti sistema

V sistemih satelitske navigacije sateliti v vesolju predstavljajo referenčne točke z znanim položajem. Sateliti oddajajo šibke signale, ki jih sprejemajo sprejemniki na Zemlji, le-ti pa nato s pomočjo merjenja razdalj do satelitov izračunajo svoj položaj. Da sistem pravilno deluje, so potrebne številne kontrolne postaje na zemlji ter kontrolni center, ki redno komunicira s sateliti.

Torej, celoten sistem sestavljajo trije segmenti. Vesoljski segment, kontrolni segment in uporabniški segment. Danese se pogosto omenja še čertri segment - zemeljski segment. To so omrežja stalno delujočih postaj GNSS, ki zagotavljajo realizacije globalnih, regionalnih in državnih koordinatnih sistemov in/ali zagotavljajo korekcijske podatke (popravke), ki jih uporabniški segment potrebuje za določitev položaja z višjo natančnostjo.

Vesoljski segment

V primeru GPS sestavlja vesoljski segment nominalno 24 satelitov (ang. Space Vehicle, SV), ki so razporejeni v 6 orbitalnih ravnin. Sateliti v posamezni orbiti niso razporejeni enakomerno, pač pa tako, da zagotavljajo optimalno pokritost Zemlje. Orbitalne ravnine so glede na ekvator nagnjene za 55°. Sateliti GPS tako na višini približno 20.200 km dvakrat dnevno obkrožijo Zemljo. Bolj natančno, za en obhod podrebujejo en zvezdni dan, to je 11 ur in 58 minut.

V orbito izstreljujejo tudi nove satelite, ki nadomeščajo stare ali okvarjene. Novi sateliti imajo na krovu še natančnejše in bolj stabilne ure, močnejše oddajnike, ki zagotavljajo višjo jakost signala, oddajajo nove signale (na primer L5) z novimi merskimi kodami (L2C, L1C, M) ter izpopolnjena navigacijska sporočila (CNAV), ki vsebujejo še natančnejše podatke - vse z namenom, zagotoviti še večjo razpoložljivost, višjo natančnost in večjo avtonomijo sistema. Ker številni sateliti presegajo svojo predvideno življensko dobo, konstelacijo v času pisanja sestavlja kar 31 satelitov. Dodatni sateliti zagotavljajo nadštevilnost, posledica pa je večja razpoložljivost, zaradi ugodnejše razporeditve pa tudi višja natančnost določitve položaja.

Vesoljski segment sistema GLONASS prav tako sestavlja nominalno 24 satelitov, ki pa so razporejeni v 3 orbitalne ravnine z inklinacijo 65°. Zaradi tega iz gledišča uporabnika na Zemlji ti sateliti sežejo tudi višje proti severnemu polu. Po 8 satelitov je enakomerno razporejeno po orbitah na višini približno 19.100 km. Takšna razporeditev omogoča boljšo pokritost območij z večjo geografsko širino. Sateliti GLONASS obkrožijo Zemljo v 11 urah in 15 minutah.

Kontrolni segment

Kontrolni segment GPS sestavlja globalno omrežje centrov in postaj, ki sledijo satelite GPS, neprestano nadzorujejo in analizirajo njihove signale ter pošiljajo ukaze in podatke konstelaciji satelitov.

Tretnutno kontrolni segment sestavlja glavna kontrolna postaja (ang. Master Control Station, MCS) v letalski bazi Schriever (Schriever AFB) v Colorado Springsu, rezervna glavna kontrolna postaja Vandenberg AFB v Kaliforniji, 12 upravljalnih in nadzornih anten ter 16 opazovalnih postaj.

Kontrolna postaja

Glavna kontrolna postaja upravlja in nadzira konstelacijo satelitov - pripravlja in namešča navigacijska sporočila ter zagotavlja pravilnost in natančnost delovanja satelitov. Iz opazovalnih postaj dobi navigacijske podatke, iz njih izračuna natančne položaje satelitov ter jih namesti na satelite, ki jih potem vključijo v svoja navigacijska sporočila. Glavna postaja ugotavlja tudi stanje posameznih satelitov ter jih v primeru izpadov prerazporeja za zagotavljanje optimalne konstelacije.

Glavna kontrolna postaja upravlja s 16 opazovalnimi postajami, ki so razporejene po celi Zemlji. Na njih so nameščeni zmogljivi sprejemniki GPS, ki zajemajo opazovanja kode in faze nosilnih signalov, navigacijska sporočila ter atmosferske podatke. Zemeljske antene se uporabljajo za pošiljanje ukazov in podatkov na satelite.

Signali GNSS

Sateliti GPS oddajajo signale na dveh nosilnih valovanjih - L1 in L2, sateliti generacije Block IIF pa tudi L5 (tretji civilni signal). Nosilna valovanja skupaj z informacijami, nanešenimi nanje, predstavljajo satelitski signal. Nosilna valovanja so tako sredstva za prenos informacij od satelitov do sprejemnika.

Frekvence nosilnih valovanj, načini tvorjenja merskih kod in vrste modulacij so pri vseh satelitskih navigacijskih sistemih izbrane zelo domiselno. Poleg velike količine podatkov, ki jih morajo prenašati, morajo biti tudi čim bolj neobčutljivi za vplive zemeljske atmosfere, ki predstavljajo pomemben vir pogreškov opazovanj. Vse frekvence v primeru GPS izhajajo iz fundamentalne frekvence 10.23 MHz. Tako je na primer frekvenca nosilnega valovanja L1 154-kratnik fundamentalne frekvence, 1575.42 MHz, L2 pa 120-kratnik, to je 1227.60 MHz.

Na vsako nosilno valovanje je nanešenih več binarnih kod. Pri tem se uporablja binarna fazna modulacija (ang. Binary Phase Shift Keying, BPSK). Tak način modulacije skupaj z izbiro psevdo-naključnih (ang. Pseudo-random Noise, PRN) merskih kod (na primer C/A, P) razširi močnostni spekter signala preko širokega pasu frekvenc. To pa omogoča, da si vsi sateliti delijo isti frekvenčni pas, oziroma t.i. kodni sodostop (ang. Code Division Multiple Access, CDMA). Hkrati pa lahko zaradi posebnih križno- in avto-korelacijskih lastnosti merskih kod sprejemnik na zemlji dekodira navigacijska sporočila in rekonstruira nosilni signal tudi, če je le ta pod nivojem termičnega šuma.

Vsak satelit GPS ima nameščeno svojo PRN kodo in svoj del zelo dolge P-kode. Ponavljajoče zaporedje teh dveh merskih kod se uporablja za določitev časa potovanja signala od satelita do sprejemnika. Navigacijsko sporočilo pa vsebuje še podatke o stanju satelita, podatke o satelitovi uri in efemeride (podatke o orbiti), iz katerih sprejemnik lahko izračuna položaj satelita, ter almanah - podatke o celotni floti satelitov.

Enak koncept kodnega sodostopa uporabljata tudi Galileo in Compass, GLONASS pa uporablja frekvenčni sodostop, kjer vsi sateliti oddajajo isto PRN kodo, vendar na nosilnih valovanjih različnih frekvenc.