náhled|Ilustrace družice GPS na oběžné dráze bloku IIF (obrázek NASA). GPS (, hovorově džípíeska) je satelitní navigace vlastněná USA a provozovaná Vesmírnými silami Spojených států amerických. GPS umožňuje pomocí elektronického přijímače určit přesnou polohu na povrchu Země a nahrazuje tak starší metody založené na pozorování hvězd, Slunce, používání sextantu nebo triangulace. Označení GPS přešlo do obecné mluvy jako označení pro jakýkoliv elektronický systém zjišťování polohy, přestože existují další systémy (GLONASS, Galileo, BeiDou a další). Satelitní navigace je využívána v mnoha oborech lidské činnosti.
Historie náhled|Příprava startu rakety Delta II s družicí bloku IIA s označením „NAVSTAR 31“ v roce 1993 (fotografie NASA). Projekt GPS navazoval na předchozí satelitní navigaci Transit (1964–1996) a rozšířil ji především kvalitou, dostupností, přesností a službami. Původní název byl NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System), přičemž tento název nesou i družice, které systém GPS využívá ke své činnosti. Vývoj NAVSTAR GPS byl zahájen v roce 1973 sloučením dvou projektů určených pro určování polohy System 621B (USAF) a pro přesné určování času Timation (US Navy). Mezi léty 1974–1979 byly prováděny testy na pozemních stanicích a byl zkonstruován experimentální přijímač. Mezi lety 1978–1985 bylo vypouštěno 11 vývojových družic, které byly označeny jako Blok I. V roce 1979 byl původní návrh rozšířen z nedostačujících 18 na 24 družic. Od roku 1980 začalo vypouštění družic GPS společně se senzory pro detekci jaderných výbuchů a startů balistických raket jako výsledek dohod o zákazu jaderných testů mezi USA a SSSR.Rapant s. 171http://www.lib.cas.cz/space.40/1980/032A.HTM
Počátkem 80. let se projekt dostal do finančních problémů. V roce 1983, kdy sovětská stíhačka ve vzdušném prostoru SSSR sestřelila civilní dopravní letadlo Korean Air Flight 007 (KAL 007), přičemž všech 269 lidí na palubě zahynulo, oznámil americký prezident Ronald Reagan, že po dokončení bude GPS k dispozici i pro civilní účely.
V roce 1990 během války v Zálivu byla dočasně deaktivována selektivní dostupnost (SA) pro neautorizované uživatele, z důvodu nedostatku armádních přijímačů. Zapojena byla opět 1. července 1991. Selektivní dostupnost znamenala, že civilní přijímače určovaly přesnost polohy na Zemi jen na 100 metrů horizontálně a 156 metrů vertikálně.
Počáteční operační dostupnost (IOC) byla vyhlášena 8. prosince 1993, plná operační dostupnost pak 17. ledna 1994, kdy byla na orbitu umístěna kompletní sestava 24 družic.
Definitivní zrušení selektivní dostupnosti oznámil prezident Bill Clinton od 1. května 2000, což vedlo k prudkému komerčnímu rozvoji (navigace pro automobily, outdoorová hra geocaching). Od té doby je možné v civilním sektoru určit geografickou polohu přijímače nacházejícího se kdekoliv na Zemi nebo nad Zemí s přesností asi 5 metrů a také čas s přesností na jednotky nanosekund. Přesnost určení polohy bylo možné s použitím dalších metod zvýšit až na jednotky centimetrů, čehož využívaly komerční služby (např. zeměměřiči v geodézii). Pro civilní použití bylo stanoveno omezení, že navigace nefunguje výše než 18 km a nepohybuje se rychleji než 1852 km/h, což mělo zamezit zneužití pro balistické rakety (některé navigační čipy fungují i ve větší výšce za předpokladu, že není překročena maximální rychlost).
První družice bloku IIR-M podporující nový civilní signál označovaný L2C byla vypuštěna 25. září 2005.kowoma: History of NAVSTAR GPS 30. září 2008
V roce 2018 byl na trh uveden první čip, který umí využívat kromě signálu L1 též signál L5, což umožňuje určit pozici s přesností až na 30 cm.
Na rok 2023 bylo ohlášeno spuštění GPS III, která měla přinést trojnásobně lepší přesnost a vyšší spolehlivost. Měla být zdvojnásobena životnost družic na 15 let, přesnost měla narůst na 1 až 3 metry a měl být vysílán silnější signál L1C, používající stejnou frekvenci jako evropská síť Galileo, japonská QZSS a čínská BeiDou. V roce 2019 byly na orbitě již dva satelity (Vespucci, Magellan), v červnu 2020 měl být vypuštěn další.
Na provoz GPS byla mezi lety 2006–2008 ročně vynakládána částka přibližně 600 až 900 milionů amerických dolarů z rozpočtu USA.Page FY 2008 Presidential Budget Request for National Security Space Activities , květen 2007.
Princip funkce Družice satelitní navigace vysílají přesný čas. Součástí signálu jsou i aktuální poziční informace o tom, kde se právě která družice nachází. Protože je každá družice na jiném místě oběžné dráhy, lze ze všech vzdáleností od družic, ze kterých je signál přijímán, vypočítat místo, kde se nachází přijímač. Ve skutečnosti není přijímač snadno schopen určit vzdálenost od jednotlivých družic, ale může velmi přesně určit odchylky v přijímaných časových signálech od různých družic. K odchylkám dochází tím, že jsou družice od přijímače různě daleko a rychlost šíření rádiového signálu je konečná (rychlost světla). Z těchto odchylek může přijímač výpočtem dovozovat vzdálenost od družic. Zároveň platí, že čím více signálů z různých družic přijímač přijímá, tím přesnějšího výsledku dosáhne (k určení polohy stačí čtyři družice, další pozici jen dále zpřesňují). K dalšímu upřesňování pozice přijímače dochází započtením Dopplerova jevu, teorie relativity nebo korekcí změřených pozemními stanicemi se známou polohou.
Struktura systému Celý systém GPS lze rozdělit do 3 segmentů: kosmický řídicí uživatelský
Kosmický segment + Počet družicGPS Constelation Status. NAVSTAR Navigation Center 9. duben 2008Doug Louden: Navstar GPS Constellation Status 23. květen 2006Matthew Smitham: 10. září 2014[Current and Future Satellite Generations http://www.gps.gov/systems/gps/space/ ]GPS III 9 and 10 procured, targeting 2022 launch October 3, 2016 Blok (životnost#) Období Vypuštěno Aktivní Signály&I1978–198510+1✝0 1+2II (7,5)1989–199090 1+2IIA (7,5)1990–1996190 1+2IIR (10)1997–200412+1✝6 1+2IIR-M (8,5)2005–200987 2+4IIF (15) 2010–20161211 3+4IIIA (15) 2018–20267+3$7 4+4IIIF 2026–20340+22v0 Celkem77 +2✝ +3$ +21v31v Výhled, plán. ✝ Ztracena při startu nebo selhalo oživení.$ V přípravě.# Plánovaná životnost v letech.& Vysílané civilní + vojenské signály.(Poslední změna: 21. února 2025) náhled|Schema změn poloh družic a jejich viditelnosti z konkrétního místa na Zemi Kosmický segment byl projektován na 24 družic, ale nyní je využíván až na mezní počet 32. Protože v datovém rámci je pro číslo satelitu určeno jen 5 bitů (25 = 32), bude třeba pro další navyšování počtu změnit strukturu dat.
Družice obíhají ve výšce 20 350 km nad povrchem Země na 6 kruhových drahách se sklonem 55°. Dráhy jsou vzájemně posunuty o 60° a na každé dráze jsou původně 4 pravidelně, nyní 5-6 nepravidelně, rozmístěné pozice pro družice. Družice váží asi 1,8 tuny a na střední oběžné dráze (MEO, Medium Earth Orbit) se pohybuje rychlostí 3,8 km/s, s dobou oběhu kolem Země 11 h 58 min (polovina siderického dne).
Klíčové části družic NAVSTAR jsou: 3 až 4 velmi přesné (10−13 s) atomové hodiny s rubidiovým dříve také s cesiovým oscilátorem 12 antén RHCP pro vysílání rádiových kódů v pásmu L (2 000–1 000 MHz)NavtechGPS: GNSS Facts antény pro komunikaci s pozemními kontrolními stanicemi v pásmu S (2 204,4 MHz) antény pro vzájemnou komunikaci družic v pásmu UHF (česky označováno UKV) optické, rentgenové a pulzní-elektromagnetické detektory odhalující starty balistických raket a jaderné výbuchy (IONDS) solární panely a baterie jako zdroj energie
Na dvou exemplářích družic PRN 35, 36 bloku IIR vypuštěných v letech 1993 a 1994 byla testována odrazová pole pro měření polohy družice laserovými měřidly (SLR) projektu NASA ILRS (International Laser Ranging Service).NASA/ILRS: GLONASS-95 Satellite Information Konstrukce zrcadla vážila asi 10 kg o úhlopříčce půdorysného obdélníku 20 cm a byla tvořena 32 dílčími buňkami.Beutler G.: [GPS and GNSS from the International Geosciences Perspective http://pnt.gov/advisory/2008-03/beutler.pdf ]; ILRS str. 17–22 V některém z bloků III bude opět tato technologie využita.
V České republice je nejčetnější viditelnost 8 družic (medián), minimum pak 6, maximum 12 družic, při elevační masce 10° v roce 2008.Analýza četnosti výskytu družic GPS a GLONASS Trimble's Planning Software 17. duben 2008
Družice jsou několikrát do roka, obvykle plánovaně, odstaveny pro údržbu atomových hodin a korekci dráhy družice. Údržba trvá přibližně 12-24 hodin. Průměrná životnost družice je asi 10 let, obměna kosmického segmentu trvá přibližně 20 let.
Pro popis stavu kosmického segmentu jsou definovány dva stavy implementace: plná operační schopnost (FOC, Full Operational Capability) – označení stavu, kdy je nejméně 24 družic plně funkčních, podporující novou technologii. Poprvé byl vyhlášen 17. července 1995 po vypuštění a zprovoznění 24 družic Bloku II a IIA. částečná operační schopnost (IOC, Initial Operational Capability) – označení stavu, kdy je nejméně 18 družic plně funkčních, podporující novou technologii. Poprvé byl vyhlášen 8. prosince 1993 po vypuštění a zprovoznění 18 družic Bloku I, II a IIA.
V roce 2008 byly uzavřeny kontrakty mezi US Air Force a firmou Lockheed Martin na vývoj a výrobu 16 družic bloku IIIA v ceně 1,5 miliard USDGlen Gibbons: Lockheed Martin Wins GPS IIIA Contract in Inside GNSS, 15. květen 2008 na roky 2014–2019 a v roce 2010 na 12 družic bloku IIIB v ceně 3 miliard USD.Glen Gibbons: Lockheed Martin Team Completes Requirements Review for GPS IIIB Program in Inside GNSS, 22. červen 2010
Řídicí a kontrolní segment náhled|Operátorka řídicího střediska na letecké základně Schriever monitorující stav kosmického segmentu (fotografie USAF)
Segment se skládá z několika částí: velitelství – Navstar Headquarters na letecké základně Los Angeles v Kalifornii v USA. řídicí středisko (MSC, Master Control Station), na Schrieverově letecké základně USAF v Colorado Springs, 2nd Space Operations Sq. Záložní řídicí středisko (BMCS, Backup Master Control Station) umístěné v Gaithersburg (Maryland, USA) přebírá cvičně 4× do roka řízení systému, v nouzi je připravena do 24 hodin. 3 povelové stanice (Ground Antenna), které jsou umístěny na základnách USAF: Kwajalein, Diego Garcia, Ascension Island případně i Cape Canaveral. 18 monitorovacích stanic (Monitor Stations), které jsou umístěny na základnách USAF: Havaj, Colorado Springs, Cape Canaveral, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein a dále stanice spravující NGA: Fairbanks (Aljaška), Papeete (Tahiti), Washington DC (USA), Quito (Ekvádor), Buenos Aires (Argentina), Hermitage (Anglie), Pretoria (Jižní Afrika), Manama (Bahrajn), Osan (Jižní Korea), Adelaide (Austrálie) a Wellington (Nový Zéland).:Tom Creel, Arthur J. Dorsey, Philip J. Mendicki and col. New, Improved GPS GPS World 1. březen 2006
Řídicí a kontrolní segment monitoruje kosmický segment, zasílá povely družicím, provádí jejich manévry a údržbu atomových hodin. Výsledek jejich monitoringu je zveřejňován v navigační zprávě každé družice a jejich platnost je řádově několik hodin:Navigační systém GPS . Petr Šíma. 27. březen 2003 data pro model ionosférické refrakce predikce dráhy družice, tzv. efemerid korekce atomových hodin přibližné pozice ostatních družic a jejich zdravotní stav
Řídicí a kontrolní segment komunikuje s uživateli také prostřednictvím zpráv GPS NANU (Notice Advisory to NAVSTAR Users), kde zveřejňuje plánované odstávky družic, jejich stažení a uvedení do provozu nebo i zpětně informace o nezdravé družici.