Globalny System Pozycjonowania składa się z trzech powiązanych ze sobą zespołów:

1. segmentu kosmicznego - satelitów okrążających Ziemię,
2. segmentu kontroli - stacji kontrolujących i monitorujących prowadzonych przez Departament Obrony USA (U. S. Department of Defense - DOD),
3. segmentu użytkownika - odbiorników GPS, będących w posiadaniu osób prywatnych, instytucji, firm i wojska.

Segment kosmiczny składa się z układu 24 aktywnych satelitów, okrążających Ziemię w ciągu 12 godzin.

Na każdej z sześciu orbit konstelacji znajdują się cztery satelity na wysokości ponad 20 000 km nad powierzchnią Ziemi. Orbity są rozmieszczone wokół całej Ziemi i nachylone do powierzchni równika pod kątem 55°.

Każdy satelita transmituje dwa rodzaje sygnałów: L1 (1575.42 MHz) i L2 (1227.60 MHz). Sygnał L1 jest przetwarzany dwoma pseudo-przypadkowymi sygnałami zagłuszającymi: chronionym kodem P i kodem C/A (Coarse Aquisition - pseudolosowa sekwencja bitów, która powtarza się cyklicznie co 1 ms). Sygnał L2 zawiera jedynie kod P. Każdy satelita wysyła inny sygnał, co ułatwia odbiornikom rozpoznanie, z którego satelity pochodzi dany sygnał.

(GPS-PL 2003)

        Zasada działania systemu opiera się na pomiarze odległości pomiędzy satelitą, który porusza się po ściśle wyznaczonej orbicie a odbiornikiem. Znana odległość od satelity lokuje odbiornik na sferze o promieniu równym zmierzonej odległości. Znana odległość od dwóch satelitów lokuje odbiornik na okręgu będącym przecięciem dwóch sfer. Kiedy odbiornik zmierzy odległość od trzech satelitów, istnieją tylko dwa punkty, w których może się on znajdować. Jeden z tych punktów można wykluczyć jako znajdujący się zbyt wysoko lub poruszający się zbyt szybko i w ten sposób wyznaczyć swoją pozycję. Należy tylko poznać odległość od satelitów emitujących bardzo słabe sygnały (o mocy zbliżonej do szumu tła), i to z centymetrową dokładnością. Dokonuje się tego poprzez pomiar opóźnienia sygnału odebranego z poszczególnych satelitów. Odbiornik GPS dysponuje tylko własnym zegarem kwarcowym. Wyznaczanie godziny z dokładnością do nanosekund odbywa się poprzez odbieranie sygnału nie od trzech, a od czterech satelitów. Można wówczas wyliczyć zarówno rzeczywisty czas, jak i położenie.

        Opisana metoda pomiaru daje błąd poniżej 10 metrów. Dokładność taką mogły uzyskać tylko amerykańskie odbiorniki wojskowe. Odbiorniki cywilne wówczas musiały zadowolić się kodem C/A, w którym sygnał czasu był umyślnie zakłócany poprzez Departament Obrony USA. Stąd też spadek dokładności do ok. 50-100 metrów. Zakłócenia wprowadzone sztucznie do systemu nazywają się SA (Selective Availability) i sprawiają, że każdy samodzielny odbiornik GPS, pozostawiony w bezruchu, będzie stopniowo wykazywał zmiany pozycji w promieniu do 100 metrów. Od 1 maja 2000 roku sytuacja ta zmieniła się, Departament Obrony USA zaprzestał wprowadzania błędu do GPS i obecnie dokładność pozycji wynosi do 10 m. Zmiany te dotyczą całego świata, z wyjątkiem niektórych regionów, na których toczy się wojna lub jest niestabilna sytuacja polityczna.
         Pomiary bez użycia technologii różnicowej są obarczone dużym błędem. Wielkość błędu jest trudno przewidywalna; również technologie uśredniania stają się w miarę skuteczne (5-7 metrów) dopiero przy bardzo długich czasach obserwacji. Dokładność standardowa jest wystarczająca tylko do nawigacji, dlatego wymyślono metodę obejścia problemu zakłócania sygnału. Metodą tą jest pomiar względny DGPS (Differential GPS). Zasada jest prosta: jeżeli ustawi się odbiornik GPS w ustalonym punkcie, to na skutek zakłócenia sygnału pozycja przez niego wyznaczona będzie się ciągle zmieniać. Jeżeli obliczymy różnicę pomiędzy zmierzoną przez odbiornik pozycją, a pozycją rzeczywistą odbiornika to otrzymamy tzw. wektor błędu. Otrzymane w ten sposób informacje, tzw. dane korekcyjne, odejmuje się od danych odbieranych przez GPS-y dokonujące pomiarów w terenie. Uzyskana w ten sposób pozycja jest tym dokładniejsza, im bliżej znajdują się baza korekcyjna i odbiornik dokonujący pomiarów.

W odległości kilkunastu kilometrów od bazy można dokonywać pomiarów geodezyjnych (dokładności centymetrowe); do pozostałych zastosowań wystarczy baza umieszczona w promieniu paruset kilometrów (dokładność kilku metrów).

         System GPS nie posiada żadnych ograniczeń prędkości i wysokości, lecz zgodnie wymogami USA komercyjne odbiorniki mogą pracować jedynie poniżej prędkości 1665 km/h i poniżej wysokości 18 km. Nie produkowane już modele starszego typu (np. GPS 40, GPS 45) miały ograniczenie do prędkości 166,5 km/h. Z chwilą wprowadzenia do produkcji 12-kanałowych odbiorników to ograniczenie zostało zniesione.

(Perfect s.c. 2000)


         Czasami może zdarzyć się, że wartości wysokości podawane przez odbiornik GPS różnią się tak bardzo od siebie. Sytuacja taka może być efektem geometrii satelitów, z których korzysta odbiornik. W celu uzyskania najbardziej dokładnej wysokości i lokalizacji, należy używać satelitów zlokalizowanych jak najdalej od siebie (ale niezbyt nisko położonych nad horyzontem) i jednego dokładnie nad głową.

Z reguły satelity występują częściej bliżej linii horyzontu, jak również odbiornik częściej wybiera satelity bliższe horyzontu w celu uzyskania bardziej dokładnej pozycji poziomej, na tym bowiem zależy większości użytkowników odbiorników nawigacyjnych. Dlatego też błąd w obliczaniu wysokości jest większy, zazwyczaj 1.5 razy w stosunku do błędu poziomego. Powoduje to duże różnice wartości wysokości w danym punkcie.

(GPS-PL 2003)


Nawigacja - WAAS / EGNOS

         System występuje w trzech kompatybilnych ze sobą wersjach regionalnych: WAAS (Wide Area Augmentation System) w Ameryce, EGNOS (Euro Geostationary Navigation Overlay Service) w Europie oraz japoński MSAS (Multi-Functional Satellite Augmentation System) w Azji. Mnogość nazw jest skutkiem zarządzania każdego z systemów przez odrębne instytucje. W Polsce często używa się zamiennie obu tych nazw. WAAS, EGNOS i MSAS są też niekiedy wspólnie określane jako SBAS (Satellite-Based Augmentation Systems).
         System z założenia nie działa samodzielnie, lecz jest uzupełnieniem systemu GPS. Pozwala na zmniejszenie błędu pomiaru pozycji z 10 m do poniżej 3 metrów w odbiornikach przystosowanych do odbioru sygnału WAAS. Składa się z naziemnych stacji referencyjnych, które przesyłają poprawki do dwóch satelitów geostacjonarnych EGNOS. Za pośrednictwem tych satelitów, sygnał trafia do odbiorników GPS pozwalając na skorygowanie pomiaru dokonanego na podstawie danych z satelitów GPS. EGNOS jest obecnie w fazie wdrażania, przeprowadzane są testy, dlatego dostępność sygnału jest okresowa, mimo że satelity WAAS mogą być stale widoczne na ekranie odbiornika.

• <3 m: dokładność odbiornika odbierającego sygnał WAAS/EGNOS.
• 3-5 m: taki przedział dokładności jest możliwy przy zastosowaniu odbiornika do odbioru sygnału korekcji różnicowej DGPS.
• 10 m: taką dokładność w praktyce osiągają odbiorniki korzystające z sygnału GPS bez SA.
• 100 m: to dokładność z jaką odbiorniki określały pozycję do 2 maja 2000 r. kiedy to wyłączono sygnał ograniczający dostęp (SA) do pełnej dokładności.

         Europejska Agencja Kosmiczna (ESA - European Space Agency) administrująca systemem EGNOS poinformowała, że sygnał od 1 kwietnia 2003 jest dostępny w sposób ciągły.

(Perfect s.c. 2003)


Centymetrowa dokładność?

         Bardzo dokładne pomiary GPS przeprowadza się przy użyciu innych odbiorników określanych mianem "systemów kartograficznych / geodezyjnych". Systemy te używają obydwu częstotliwości oraz skorygowanych danych, uzyskanych poprzez porównanie pomiarów z odbiornika ruchomego i pomiarów z odbiornika stacjonarnego o znanej lokalizacji. Mogą one również dokonywać uśredniania pozycji co pewien okres czasu. Uśrednianie to pozwala raczej określić bardzo dokładnie różnice w pomiarze pozycji pomiędzy odbiornikiem ruchomym i stacjonarnym, niż absolutną pozycję obydwu odbiorników.

(GPS-PL 2003)