Satelit

Sistem GPS menggunakan kumpulan sekurang-kurang 24 satelit aktif di orbit bulatan pertengahan. Kumpulan ini mempunyai tiga satelit simpanan, sekiranya ada yang rosak. Setiap satelit mengelilingi Bumi dua kali tepat setiap hari pada altutud 20,200 km. Orbit ini dijajarkan supaya sekurang-kurang empat satelit terletak dalam garis penglihatan (LoS) dari mana-mana tempat di Bumi. Terdapat empat satelit dalam setiap daripada enam satah orbit. Setiap orbit dicondongkan 55 darjah daripada satah khatulistiwa, dan jarak hamal nod naikan berbeza 60 darjah.

Jalan penerbangan satelit ini diukur oleh lima stesen monitor di seluruh dunia (Hawaii, Kwajalein, Pulau Ascension, Diego Garcia, Colorado Springs). Stesen utama Kem Tentera Udara Schriever akan memproses cerapan ini dan menghantar sebarang pengemaskinian melalui stesen di Pulau Ascension, Diego Garcia dan Kwajalein. Kemaskini tersebut menyelaraskan jam atom setiap satelit sehingga 1 mikrosaat, dan juga membetulkan efemeris model orbit dalaman satelit supaya sepadan dengan pemerhatian satelit tersebut dari darat.

Setiap satelit berulangkali memancarkan waktu tepat mengikut jam atomnya bersama-sama dengan paket data. Data tersebut mengandungi unsur berorbit kedudukan jitu satelit, mesej status satelit, dan almanak anggaran kedudukan setiap satelit aktif lain. Almanak ini mebolehkan penerima GPS menggunakan data daripada isyarat satelit yang paling kuat untuk mencari satelit lain.

Penerima

Penerima GPS mengira kedudukan sekarangnya (latitud, longitud, altitud) dan masa tepat, menggunakan proses penigasegian. Ini melibatkan pengukuran jarak kepada sekurang-kurangnya empat satelit dengan membandingkan penghantaran isyarat masa berkod (kod PRN) satelit. Penerima mengira orbit setiap satelit berasaskan maklumat yang terdapat dalam isyarat radio, dan mengukur jarak ke setiap satelit, dipanggil julat semu, daripada kelambatan masa isyarat dihantar sehingga diterima.

Untuk mengukur kelambatan tersebut, satelit itu berulang kali menghantar jujukan pseudorawak sepanjang 1,023 bit; penerima akan mengira jujukan yang sama daripada satu nombor benih yang diketahui, dan menganjaknya sehingga kedua-dua jujukan sepadan. Setiap satelit menggunakan jujukan yang berlainan, yang membolehkan mereka berkongsi frekuensi radio yang sama, menggunakan capaian pemultipleks pembahagian kod (CDMA), sementara membolehkan penerima mengenal pasti setiap satelit.

Apabila kedudukan dan jarak setiap satelit diketahui, penerima sepatutnya secara teori berada di persimpangan empat sfera khayalan, satu disekeliling setiap satelit, dengan jejari bersamaan kelambatan masa antara satelit dan penerima dikali dengan laju isyarat radio. Pada praktiknya, pengiraan GPS adalah lebih runit kerana beberapa sebab. Satu kerumitan ialah penerima GPS tidak mempunyai jam atom, jadi waktu jitu isyarat diterima tidak diketahui. Mujurlah jam penerima yang sederhana itu boleh memberikan perbandingan tepat masa isyarat satelit berbeza. Penerima dapat menentukan dengan tepat bila isyarat diterima dengan melaraskan jam dalamannya (dan oleh itu jejari sfera) supaya semua sfera itu bertembung berhampiran satu titik.

Salah satu masalah terbesar ketepatan GPS ialah keadaan atmosfera yang berubah akan menukar kelajuan isyarat GPS semasa melalui ionosfera. Kesan ini dikurangkan jika satelit berada tepat di atas dan bertambah apabila mengampiri ufuk, kerana isyarat satelit harus merambat melalui "ketebalan" ionosfera yang lebih apabila sudut bertambah. Apabila kedudukan kasar diketahui, satu model matematik dalaman boleh digunakan untuk menganggar dan membetulkan ralat.

Disebabkan kelambatan ionosfera menjejaskan kelajuan gelombang radio mengikut frekuensi, jalur frekuensi kedua (L2) digunakan untuk membantu menghapuskan ralat ini. Sesetengah penerima tentera dan tujuan-pengukuran yang mahal boleh membandingkan perbezaan antara frekuensi L1 dan L2 untuk mengukur lambatan atmosfera dan membetulkan dengan tepat.

Isyarat GPS juga boleh terjejas akibat isu berbilang laluan, di mana isyarat radio dipantulkan oleh persekitaran - bangunan, dinding ngarai, tanah keras dan lain-lain. Kelambatan ini akan mengurangkan kejituan. Pelbagai teknik penerima, contohnya "langkauan pengkorelasi sempit", telah dimajukan mengurangkan ralat ini. Untuk lambatan berbilang laluan yang lama, penerima boleh mengenal isyarat tersebut dan menolaknya. Untuk lambatan yang singkat yang dipantul tanah, antena khas boleh digunakan. Ralat ini lebih sukar disaring kerana ia hanya lambat sedikit daripada isyarat yang diterima terus, sukar dibezakan daripada naik turun biasa yang disebabkan oleh lambatan atmosfera.

Banyak penerima GPS boleh menghantar data kedudukan ke PC ataupun peranti lain menggunakan protokol NMEA 0183. Yang terbaru ialah NMEA 2000. Kedua-duanya tidak percuma, dimiliki oleh National Marine Electronics Association (NMEA) di AS. Namun begitu, terdapat alat sumber terbuka seperti gpsd yang boleh membaca protokol NMEA tanpa melanggar undang-undang hak harta intelektual.

Frekuensi

Terdapat beberapa frekuensi dalam spektrum elektromagnet GPS:

• L1 (1575.42 MHz):
  Membawa kod kasar-pemerolehan (coarse-acquisition) (C/A) yang boleh digunakan umum serta kod ketepatan (precision) P(Y) rahsia.
• L2 (1227.60 MHz):
  Biasanya cuma membawa kod P(Y). Kunci penyulitan kod ini dikawal ketat oleh kerajaan AS dan biasanya hanya diberikan kepada tentera. Kunci ini ditukar setiap hari. Bagaimanapun, beberapa pembuat penerima GPS atasan memajukan teknik menggunakan isyarat ini walaupun tanpa kunci (cara yang berbelit-belit) untuk menambahkan kejituan dan mengurangkan ralat lambatan ionosfera. Akibatnya, satelit IIR-M moden kini turut memancarkan isyarat awam yang disisipkan kepada isyarat ketenteraan pada L1 dan L2.
• L3 (1381.05 MHz):
  Membawa isyarat untuk fungsi lain GPS iaitu mengesan pelancaran peluru berpandu/roket (tambahan kepada satelit ketenteraan) dan letupan nuklear.
• L4 (1841.40 MHz):
  Dalam kajian untuk pembetulan ionosfera tambahan.
• L5 (1176.45 MHz):
  Dicadangkan untuk isyarat keselamatan jiwa (SoL). Frekuensi ini terletak dalam julat yang dilindungi antarabangsa untuk pandu arah penerbangan, menjanjikan tiada atau sedikit sahaja gangguan dalam semua keadaan. Satelit Blok IIF yang boleh menyediakan isyarat ini dijadualkan dilancarkan pada 2009.[1]

GPS dan kerelatifan

Jam pada satelit dipengaruhi oleh kerelatifan khas dan am, yang menyebabkan mereka menjadi lebih laju sedikit daripada jam di permukaan Bumi. Perbezaannnya adalah sekitar 38 mikrosaat setiap hari. Sebagai penyelesaian, piawai frekuensi di atas satelit diperlahankan sedikit daripada yang sepatutnya di Bumi, iaitu pada 10.22999999543 MHz berbanding 10.23 MHz.[2] Pengimbangan ini merupakan tunjuk cara praktikal teori kerelatifan dalam sistem dunia-sebenar; ia berfungsi betul-betul seperti yang diramalkan dalam teori, tertakhluk kepada kejituan ukuran.