Zaraz po włączeniu odbiornika GPS konieczna jest jeszcze synchronizacja z zegarami satelitów (ustalenie dokładnego czasu), stąd konieczność odbioru sygnału nie z trzech lecz z czterech satelitów (dla ustalenia czterech niewiadomych - trzy współrzędne przestrzenne i czas - konieczne są cztery informacje).

Odbiorniki PPS odbierają dodatkowo drugi sygnał P - na innej częstotliwości. Pozwala to na obliczenie poprawki i zniwelowanie błędu pomiaru wynikającego z zaburzeń sygnałów radiowych w jonosferze (podstawowa przyczyna błędów pomiaru).

Metody pomiaru pseudoodległości

Metoda kodowa polega na pomiarze kodu C/A i P na jednej lub dwóch częstotliwościach L₁ i L₂. W tym samym czasie satelita wysyła, a odbiornik generuje taki sam kod. Korelacja (pomiar przesunięcia) obu kodów daje czas Δt przebiegu sygnału od satelity do odbiornika GPS (d = c · Δt). Dokładność tej metody jest rzędu pojedynczych metrów. Występuje duży błąd niesynchronizacji zegarów satelity (nadajnika) i odbiornika. Pomiar kodowy do 4 satelitów wykonywany w jednym momencie daje już możność wyznaczenia pozycji punktów, współrzędne punktów mogą być obliczone na każdą epokę niezależnie. Metoda ma zastosowanie kinematyczne (w nawigacji), gdzie współrzędne punktu zmieniają się z epoki na epokę (metoda fazowa nie daje takich możliwości, gdyż występuje wtedy więcej niewiadomych).

Metoda fazowa polega na pomiarze różnicowym faz na jednej lub dwóch częstotliwościach L₁ i L₂. Jest to pomiar fazy sygnału przychodzącego φ.

d = Nλ + λφ

gdzie:

d - pseudoodległość,

N - całkowita liczba pełnych długości fal mieszczących się w odległości satelita - Ziemia,

λ - długość fali, na której pracuje,

φ - pomierzona faza sygnału przychodzącego.

Metoda fazowa jest dokładniejsza, dokładność rzędu kilku milimetrów, lecz posiada ona pewne wady, takie jak np. konieczność wyznaczenia nieoznaczoności fazy N (nazywane inicjalizacją odbiornika). Dopiero przy pomiarze do 4 satelitów, dopiero dla 3 epok możliwe jest rozwiązanie (wyznaczenie pozycji) 12 obserwacji (12 długości do satelitów) i 10 niewiadomych. Niemożliwe są zastosowania kinematyczne, chyba że niewiadome nieoznaczoności fazy zostaną wyznaczone na początku pomiaru na podstawie metod statycznych i nie wystąpią utraty cykli. Jeśli zostanie utracona łączność z satelitą to na nowo musimy inicjalizować instrument (tzn. wyznaczać N). Niezbędne są szybkie metody inicjalizacji (np. On-The-Fly).

Rys. Satelita GPS

W celu zmniejszenia dokładności odbiorników SPS, do sygnału C/A wprowadzane były zaburzenia określane mianem Selective Availability (SA). Odbiorniki PPS potrafiły niwelować zakłócenia SA. Zaburzenia te zostały jednak wyłączone 1 maja 2000 roku i pozostały wyłączone po 11 września 2001 roku. Poza tym, na błąd pozycji i czasu podawanych przez odbiorniki GPS wpływ mają :

• opóźnienie jonosferyczne - zaburzenia w prędkości rozchodzenia się sygnałów z satelit w jonosferze (błąd około 7 m),
• opóźnienie troposferyczne - analogiczne zjawisko w troposferze wywołane zmianami wilgotności, temperatury i ciśnienia powietrza (± 0.5 m),
• błąd efemeryd - różnice między teoretyczną a rzeczywistą pozycją satelitów (± 2.5 m),
• niedokładności zegara satelitów (± 2 m),
• odbiór sygnałów odbitych, docierających do odbiornika innymi drogami niż bezpośrednio od satelity (± 1 m),
• błędy odbiornika - szumy zakłócające transmisję, niedokładności procedur obliczeniowych w oprogramowaniu (± 1 m).

Drugi sygnał (P) o niższej częstotliwości pozwala odbiornikom PPS zniwelować opóźnienia jonosferyczne, które są różne dla różnych częstotliwości. Dzięki temu precyzja odbiorników tych jest większa. Sygnał P jest czasem zakodowywany w tzw. sygnał Y, co ma uniemożliwić fałszywe nadawanie go przez osoby niepowołane.

Do maja 2000 r. system SPS podawał pozycję z dokładnością (w 95 % przypadków) do 100 metrów - w praktyce było to 20-40 metrów - w przypadku pomiarów w dwóch wymiarach. Dla pomiarów w trzech wymiarach dokładność wynosiła 160 metrów. Pomiar czasu miał dokładność 340 nanosekund. Dla systemu PPS te wartości wynosiły odpowiednio: 10 metrów, 30 metrów i 100 nanosekund. Obecnie, odbiorniki cywilne śledzą większą liczbę satelitów (zazwyczaj nawet 12) i przy braku zakłóceń SA błąd pomiaru jest nie większy niż 15 metrów. Dodatkowo, dostępne obecnie odbiorniki GPS często korzystają z poprawek różnicowych systemów WAAS/EGNOS, co dodatkowo zwiększa dokładność do 3-5 metrów. Dokładne wartości błędów pomiarów zależą od parametrów odbiornika.

System Navstar jest cały czas modernizowany. Planowana jest rozbudowa naziemnego segmentu kontrolnego o back-up'ową główną stację kontrolną, dodatkowe stacje monitorujące i zwiększenie częstotliwości wysyłania poprawek do satelitów. Wystrzeliwywane są satelity nowszych generacji (ostatnio satelita IIR-M w sierpniu 2005 roku). Przewiduje się też wprowadzenie sygnału cywilnego na częstotliwości L2 oraz trzeciego sygnału GPS na częstotliwości L5 = 1176.45 MHz.

Mając 3 satelity sztuczne Ziemi można bardzo dokładnie wyznaczyć położenie na Ziemi. Najbardziej dokładne z dokładnością do 3mm. Takimi precyzyjnymi przyrządami obserwuje się ruch płyt kontynentalnych. System GPS składa się z trzech komponentów:

• segment kosmiczny
• segment kontroli
• segment użytkowników

Segment kosmiczny

---

Segment kosmiczny składa się z około 30 satelitów umieszczonych na orbitach kołowych o nachyleniu 55° lub 63° względem płaszczyzny równika na wysokości 20183 km. Obieg Ziemi przez satelitę trwa 11h 58min. 30 satelity są stale czynne a około 2 jest zachowanych w razie awarii. Segment kontroli składa się 5 stacji kontrolnych zlokalizowanych w pobliżu równika. Główna Stacja Nadzoru jest zlokalizowana w Bazie Sił Powietrznych USA Falcon w Springs (Colorado), a pozostałe stacje pomocnicze na Hawajach, w Ascestor, Diego Garcia i Kwajalein. Stacje kontroli gromadzą dane na temat współrzędnych satelitarnych i ich orbit. Na satelitach są urządzenia umożliwiające przekazywanie danych o orbitach. Te sekcje także należą do segmentu kontroli.

Układ odniesienia WGS-84 przyjęty w 84 r. Wyznaczano elipsoidę, na której każdy punkt ma określone położenie (x,y,z). Wyznaczone współrzędne (x,y,z) w układzie tym są następnie przeliczane do układu geodezyjnego obowiązującego w danych kraju, zatem po przeliczeniu otrzymujemy następujące współrzędne: szerokość geograficzna, wysokość punktu nad powierzchnia elipsoidy – h. długość geodezyjna – L. Współrzędne te są dalej przekształcane do układu płaskiego, przy czym wysokość h zamieniamy na wysokość normalna mierzona od powierzchni morza po uwzględnieniu odchyłki miedzy geoidą, a elipsoidą.

Sygnały emitowane przez satelity systemu GPS.
Satelity emitują sygnały na 2 częstotliwościach. Sygnał L1 ma falę nośną o dł. 19cm a sygnał L2 24 cm. Są one odbierane przez anteny odbiorników naziemnych, przy czym są one modulowane odpowiednimi kodami binarnymi (0,1). I tak sygnał L1 modulowany jest kodem C/A, tzn. ze jest to sygnał dla użytku cywilnego. Drugi, P , jest przeznaczony dla wojska. Obydwie częstotliwości są modulowane ponadto kodem zawierającym pakiet informacji dotyczących parametrów orbity satelity i poprawki zegara satelity efemerydy pozostałych aktywnych satelitów oraz innych informacji umożliwiających pracę odbiornika i urządzeń satelity. Zadaniem kodów P i C/A jest identyfikacja satelitów.

Zasada działania odbiornika GPS: głównym zadaniem odbiornika jest pomiar odległości co najmniej 4 satelitów przy wykorzystaniu L1 i L2. Są to odbiorniki wielokanałowe umożliwiające jednoczesną rejestrację sygnałów pochodzenia nawet od 12 satelitów. Każdy odbiornik ma antenę, która ustawiona jest nad ustalonym punktem, którego współrzędne chcemy określić. Odbiera ona sygnały od wszystkich dostępnych satelitów i po wstępnym wzmocnieniu transmituje je do sekcji częstotliwości radiowych odbiornika. Mikroprocesor kontroluje operacje odbiornika i proces przetwarzania sygnału i dekodując informację nałożoną na fale, identyfikuje satelity, oblicza współrzędne obserwatora, jego prędkość i kurs oraz zapisuje dane w swojej pamięci. Zgromadzone informacje są następnie transmitowane do komputera i dzięki odpowiedniemu urządzeniu dokonuje odpowiednich obliczeń. Satelity muszą być ponad 15° od horyzontu. Dwie techniki pomiaru odległości od satelitów:

1. mierzymy pseudo odległości: odbiera się sygnał kodowy, replika kodu jest generowana w odbiorniku, następnie te dwa sygnały są porównywane
2. polega na pomiarze fazy częstotliwości fali nośnej. Wymaga zrekonstruowania odbiorników fali oraz porównania fazy zrekonstruowanej tali z fazą fali nośnej, która została odebrana. Rezultatem tego jest dokładne określenie fragmentu długości nośnej L1 lub L2. Inicjalizacja odbiornika uruchamianie żeby było zdolne do działania. Trzeba zliczyć fale, ile ich było. a końcową b Precyzyjnie się odmierza. Techniki satelitarne GPS stosowane w geodezji: Do tworzenia map potrzebne są dwa odbiorniki jeden na punkcie odniesienia, drugi na punkcie w terenie. który nas interesuje

Metody te, zostały dokładniej opisane powyżej.

Segment kontroli

---

W jego skład wchodzi:

• 5 bezzałogowych stacji śledzących, które stale mierzą pseudodległości, fazy nośne i gromadzą depesze nawigacyjne satelitów,

Obecnie dodano 6 stacji NIMA, planuje się dodanie dalszych 6. W rezultacie wszystkie satelity będą widzialne przez nie mniej niż dwie stacje śledzące co pozwoli zwiększyć dokładność kontrolowania parametrów pracy systemu

• stacja główna analizująca stan techniczny satelitów i decydująca o koniecznych korektach,
• 3 stacje korygujące przesyłające dane aktualizujące pamięć satelitów i inne komendy dotyczące ich funkcjonowania.

Główna stacja nadzoru w Falcon AFB w Colorado, nieformalnie to Schriever Air Force Base, zlokalizowane 20 km na południe od Colorado Springs. źródło: www.kowoma.de

Segment użytkownika

---

Ze względów technicznych dokładność obliczania wysokości nad poziomem morza jest około 3 razy mniejsza niż długości i szerokości geograficznej. Wynika to z geometrii wcięcia przestrzennego wykorzystanego do wyznaczenia pozycji. Jakość wyznaczenia pozycji określają parametry rozmycia precyzji DOP (Dilution Of Precision).

Odbiorniki GPS wyposażono w wiele funkcji. Między innymi:

• określenie współrzędnych według różnych układów odniesienia (standardowo WGS-84)
• rejestrowanie śladu
• nawigacja "do punktu" oraz "po trasie"
• track back (czyli powrót do miejsca wyjścia "tą samą trasą"
• pomiar odległości
• wyznaczenie powierzchni (np działki)
• obliczanie wschodów i zachodów słońca oraz pór księżyca

a w bardziej rozbudowanych odbiornikach:

• wyświetlanie map i nawigacja na mapach warstwowych
• komunikacja przez port szeregowy (RS232/USB) i bluetooth z innym sprzętem elektronicznym (PC, PPC, Palm, elektroniczna mapa morska ECDIS)
• autorouting (wyznaczanie automatycznej trasy "po drogach")

Wersje przeznaczone do eksploatacji na statkach posiadają bardzo rozbudowane możliwości nawigacyjne. Wersje lądowe mogą być wyposażone w cyfrowe (takie urządzenia są czasami instalowane w mapy terenusamochodach) oraz lekkie odbiorniki przenośne zasilane bateriami lub akumulatorami. Niektóre odbiorniki pozwalają na określanie pozycji z innych systemów, jak GLONASS, czy Loran C.

Dynamicznie rozwija się segment odbiorników GPS do tzw. palmtopów / PDA. Dzięki niskiej cenie i możliwości wyboru oprogramowania, które najlepiej spełnia oczekiwania użytkownika, jest to alternatywne rozwiązanie dla urządzeń typu wszystko-w-jednym. Dostępne opcje pozwalają na podłączenie odbiornika na kablu, na karcie rozszerzeń (CF lub SD) lub bezprzewodowo (bluetooth). Popularne stają się również palmtopy / PDA z wbudowanym odbiornikiem GPS. Dostępny jest bardzo szeroki wybór oprogramowania zarówno do nawigacji samochodowej (np. Automapa, Navigo), morskiej jak i specjalistyczne programy (np. do pomiaru powierzchni).

Coraz częściej GPS stosuje się w telefonach komórkowych. Do tego celu wystarczy odbiornik GPS z bluetooth i kompatybilny telefon. Również na telefony powstało wiele aplikacji obsługujących GPS. Np. TOMTOM mobile, NaviExpert, Nokia Maps.

Odbiorniki multi-channel i multi-plexing 

Dla jednoczesnego odbioru sygnału z kilku satelitów lub sygnału o dwóch częstotliwościach z jednego satelity, stosuje się odbiorniki dwóch rodzajów:

• multi-chanel (wielokanałowy) - odbiorniki te składają się z określonej liczby niezależnych kanałów i każdy z nich jest przystosowany do odbierania i przetwarzania sygnałów z jednego satelity. Procesy odbioru i przetwarzania sygnałów są prowadzone w takim wielokanałowym odbiorniku jednocześnie. Obserwacje mogą być wykonywane z częstotliwością sekundową.

• multi plexing - odbiorniki te składają się z jednego lub wielu kanałów, z których każdy może odbierać poszczególne sygnały z satelitów. Obserwacje wykonywane są z częstotliwością milisekundową. Najlepszą jakość sygnału mają odbiorniki typu multichanel correlation type. Odbiorniki squaring type kwadratują zarówno sygnały jak i szumy.