+ Global Positioning System (GPS) 250px|Artystyczna wizja satelity GPS bloku II-F na orbicie Państwo Stany Zjednoczone Rodzaj globalny system nawigacji satelitarnej (GNSS), wojskowy i cywilny Właściciel Departament Obrony Stanów Zjednoczonych (rząd USA) Operator Siły Kosmiczne Stanów Zjednoczonych Zasięg globalny Konstelacja bazowa 24 satelity w 6 płaszczyznach orbitalnych (utrzymywane co najmniej 24 operacyjne przez 95% czasu) Orbita Średnia orbita okołoziemska (MEO), ok. 20 200 km Pierwszy start 22 lutego 1978 (Block I, SVN 1) Pełna konstelacja początek 1995 Strona internetowa gps.gov mały|Morski przenośny odbiornik GPS w kokpicie jachtu (GPS; pierwotnie znany jako NAVSTAR GPS) – amerykański globalny system nawigacji satelitarnej opracowany przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych i utrzymywany przez Siły Kosmiczne Stanów Zjednoczonych. System pozwala odbiornikom znajdującym się na Ziemi lub w jej pobliżu wyznaczać położenie, nawigować i uzyskiwać dokładny czas. Jest jednym z systemów GNSS i nie należy go utożsamiać z ogólnym pojęciem nawigacji satelitarnej.
System składa się z trzech segmentów: kosmicznego, naziemnego i użytkownika. Segment kosmiczny tworzy konstelacja satelitów orbitujących wokół Ziemi na średniej orbicie okołoziemskiej, segment naziemny obejmuje stacje kontrolne i monitorujące, a segment użytkownika stanowią odbiorniki wykorzystujące sygnał do wyznaczania pozycji, prędkości i czasu. Działanie polega na pomiarze czasu dotarcia sygnału radiowego z satelitów do odbiornika. Depesza nawigacyjna zawiera m.in. efemerydy, dane almanachu, poprawki zegara i informacje o stanie systemu. Odbiornik wykorzystuje te dane do wyznaczenia własnej pozycji – zwykle w układzie odniesienia WGS 84 – oraz czasu GPS.
Program GPS uruchomiono w 1973 roku, a pełną zdolność operacyjną ogłoszono w 1995 roku. Wyłączenie w 2000 roku celowego pogarszania dokładności sygnału cywilnego przyspieszyło upowszechnienie precyzyjnej nawigacji cywilnej. System jest stale modernizowany przez wprowadzanie nowych sygnałów cywilnych i wojskowych oraz kolejnych generacji satelitów.
GPS pozostaje systemem kontrolowanym przez rząd Stanów Zjednoczonych, ale jego podstawowe usługi są publicznie dostępne dla użytkowników cywilnych i komercyjnych posiadających odpowiedni odbiornik. Przepisy federalne USA nakazują świadczenie cywilnej usługi GPS na całym świecie, w sposób ciągły i bez bezpośrednich opłat od użytkowników. Za bieżącą eksploatację i utrzymanie systemu odpowiadają Siły Kosmiczne Stanów Zjednoczonych, a koordynacja cywilno-wojskowa pozostaje częścią polityki PNT rządu federalnego USA.
Historia i rozwój mały|Satelita GPS prezentowany w San Diego Air & Space Museum Początki systemu NAVSTAR GPS () sięgają lat 70. XX wieku. Program uruchomiono w Stanach Zjednoczonych w 1973 roku jako odpowiedź na ograniczenia wcześniejszych systemów nawigacyjnych. Według ekspozycji Smithsonian National Air and Space Museum przy tworzeniu GPS połączono technologie rozwijane wcześniej równolegle w programach Transit i TIMATION marynarki wojennej, 621B sił powietrznych oraz SECOR armii. Podczas spotkania w 1973 roku utworzono Defense Navigation Satellite System, później przemianowany na NAVSTAR GPS. Według Smithsonian pierwsza nawigacja satelitarna narodziła się z odwrócenia problemu śledzenia Sputnika na podstawie dopplerowskiego przesunięcia częstotliwości. Z położenia stacji można było wyznaczać orbitę satelity, a z sygnału satelity o znanej orbicie można było wyznaczać położenie użytkownika. Pomysł ten stał się podstawą systemu Transit dla okrętów podwodnych i nawodnych marynarki USA. W praktyce okręty podwodne używały sygnałów Transit do okresowego korygowania nawigacji inercyjnej, a po latach GPS zastąpił w tej roli zarówno Transit, jak i LORAN. Doświadczenia zebrane podczas tworzenia i użytkowania systemu Transit, a zwłaszcza satelitów serii TIMATION, które potwierdziły możliwość precyzyjnej synchronizacji czasu za pomocą systemów satelitarnych, umożliwiły Departamentowi Obrony USA stworzenie systemu nawigacji satelitarnej znacznie doskonalszego od poprzednika. Smithsonian wskazuje, że w programie TIMATION Naval Research Laboratory badało działanie zegarów atomowych w przestrzeni kosmicznej, a wystrzelony w 1977 roku satelita NTS-2 z dwoma cezowymi zegarami atomowymi pomógł wykazać możliwość nawigacji satelitarnej opartej na precyzyjnym czasie. Nowy system projektowano jako globalną, pasywną usługę wyznaczania położenia i czasu. Odbiornik miał ustalać swoje położenie w czasie rzeczywistym bez nadawania własnego sygnału, a sam system – obsługiwać nieograniczoną liczbę użytkowników, zapewniać wysoką dokładność wojskową, odporność na zakłócenia oraz synchronizację czasu rzędu mikrosekundy.
W opracowaniach historycznych do głównych twórców GPS zalicza się między innymi Rogera L. Eastona z Naval Research Laboratory, Ivana A. Gettinga z The Aerospace Corporation oraz Bradforda Parkinsona, który jako oficer Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych kierował wspólnym biurem programu GPS. Osobno podkreśla się też znaczenie prac Gladys West nad geodezyjnym modelem Ziemi wykorzystywanym przy precyzyjnym wyznaczaniu orbit satelitów. BBC opisywało jej pracę nad przetwarzaniem danych satelitarnych jako istotny wkład w matematyczne podstawy GPS.
Pierwszego satelitę testowego Block I, SVN 1, wystrzelono 22 lutego 1978 roku, a kolejne satelity tej serii trafiały na orbitę do 1985 roku. Po katastrofie promu Challenger planowane starty satelitów operacyjnych Block II przeniesiono z wahadłowca na rakiety Delta II. Pełną zdolność operacyjną ogłoszono 17 lipca 1995 roku, po zbudowaniu konstelacji zapewniającej globalne, całodobowe pokrycie.
Decyzję o udostępnieniu GPS użytkownikom cywilnym przyspieszono po zestrzeleniu samolotu Korean Air 007 w 1983 roku. Biały Dom zapowiedział wtedy, że po uruchomieniu systemu będzie gotów udostępnić go lotnictwu cywilnemu. Przyjęta w 1996 roku amerykańska polityka w sprawie GPS potwierdziła ciągłe i bezpłatne udostępnianie standardowej usługi cywilnej na całym świecie oraz zapowiedziała wyłączenie Selective Availability w ciągu dekady. Mechanizm SA, celowo pogarszający dokładność cywilnego sygnału, wyłączono 1 maja 2000 roku, co przyspieszyło upowszechnienie precyzyjnej nawigacji cywilnej.
Kolejne etapy rozwoju obejmowały modernizację sygnałów i segmentu naziemnego. W latach 90. i 2000. zapowiadano wprowadzanie nowych sygnałów cywilnych, w tym L2C i L5, a późniejsze generacje satelitów Block IIR-M, Block IIF, GPS III i GPS IIIF wiązano z większą dokładnością, odpornością oraz interoperacyjnością z innymi systemami GNSS. Osobnym etapem była przebudowa infrastruktury naziemnej, obejmująca m.in. Architecture Evolution Plan oraz system OCX, który planowano, ale w 2026 roku anulowano.
Segment kosmiczny frame|Ilustracja konfiguracji satelitów operacyjnych GPS wraz z wirującą Ziemią. Opis wskazuje liczbę satelitów widocznych z wybranego punktu na Ziemi System satelitów Konstelację zaprojektowano tak, aby przy niezasłoniętym niebie użytkownik miał dostęp do sygnałów co najmniej czterech satelitów w dowolnym punkcie globu. Lokalna zabudowa, ukształtowanie terenu i zakłócenia radiowe mogą tę dostępność ograniczyć. Satelity krążą po orbitach na wysokości około 20 183 km nad powierzchnią Ziemi. Jest to orbita niższa od geostacjonarnej. FAA opisuje GPS jako system radionawigacyjny złożony z konstelacji satelitów nadających sygnały nawigacyjne oraz sieci stacji naziemnych i stacji kontroli satelitów używanych do monitorowania i sterowania systemem. Użytkownik otrzymuje z niego informacje o położeniu, prędkości i czasie w dowolnym miejscu świata oraz w każdych warunkach pogodowych. Według przeglądu NAVCEN pomiary pseudoodległości wykonane jednocześnie z co najmniej czterech satelitów pozwalają odbiornikowi wyznaczyć trzy współrzędne położenia oraz poprawkę zegara względem czasu GPS. Prędkość oblicza się osobno, m.in. na podstawie zmian pomiarów lub przesunięcia Dopplera. Dostępne w serwisie dane operacyjne obejmują m.in. komunikaty statusowe, precyzyjne efemerydy i almanachy satelitów.
Segment kosmiczny obejmuje bazową konstelację 24 satelitów rozmieszczonych w sześciu równomiernie rozłożonych płaszczyznach orbitalnych, ale w praktyce od lat utrzymywanych jest więcej aktywnych satelitów, aby poprawić pokrycie i zwiększyć nadmiarowość konstelacji. Płaszczyzny orbit są nachylone pod kątem 55° do płaszczyzny równika, a w każdej z sześciu płaszczyzn, oznaczanych literami od A do F, wyznaczono cztery nominalne pozycje (sloty) satelitów. Odstępy między slotami w obrębie płaszczyzny są nierówne, co zwiększa odporność konstelacji na awarie pojedynczych satelitów. Według oficjalnych informacji GPS.gov Stany Zjednoczone zobowiązują się utrzymywać dostępność co najmniej 24 satelitów operacyjnych przez 95% czasu, a rozszerzona konstelacja obejmuje także satelity nadmiarowe, które pomagają utrzymać pokrycie podczas obsługi lub wycofywania jednostek bazowych. Bieżąca liczba satelitów operacyjnych się zmienia, dlatego należy ją sprawdzać w datowanych komunikatach lub zestawieniach NAVCEN/USSF. Aktualny obraz obsadzenia płaszczyzn i slotów orbitalnych publikuje Navigation Center Straży Przybrzeżnej USA. Satelity GPS krążą po średniej orbicie okołoziemskiej na wysokości około 20 200 km, a każdy z nich obiega Ziemię dwa razy na dobę gwiazdową. Wynikający z tego okres powtarzania geometrii konstelacji, nieco krótszy od doby słonecznej, ma znaczenie m.in. dla analizy błędów wielodrogowości. Według zwyczajowo przyjmowanej reguły geometria konstelacji powtarza się co dobę o 4 minuty (240 s) wcześniej, czyli w przybliżeniu po upływie doby gwiazdowej, krótszej od słonecznej o 235,9 sekundy. Pomiary pokazały jednak, że rzeczywisty okres powtarzania położeń topocentrycznych jest średnio o 247 s krótszy od doby, różni się między satelitami konstelacji i na wysokich szerokościach geograficznych zmienia się w ciągu doby nawet o 2,5 sekundy.
Utrzymanie rozbudowanej konstelacji satelitów jest kosztowne i wymaga regularnego zastępowania jednostek, które zakończyły pracę lub utraciły pełną sprawność. Smithsonian podkreśla, że działanie systemu nawigacji satelitarnej wymaga całodobowego monitorowania stanu satelitów, okresowego zastępowania starszych jednostek oraz wielu rozwiązań zapasowych zapewniających ciągłość pracy. GAO ostrzegał w 2009 roku, że opóźnienia w rozwoju satelitów GPS IIIA mogłyby zwiększyć ryzyko spadku liczby dostępnych satelitów poniżej poziomu usługi deklarowanego przez rząd USA, a taki ubytek mógłby mieć daleko idące skutki dla użytkowników GPS. Mimo to system został nieodpłatnie udostępniony do zastosowań cywilnych, co miało duże znaczenie gospodarcze, zwłaszcza dla Stanów Zjednoczonych. Według wydanej przez NASA historii gospodarki kosmicznej w 2006 roku odbiorniki GPS kosztowały już mniej niż 100 dolarów i montowano je w wielu produktach. Zastosowania komercyjne obejmowały m.in. nawigację samochodową i morską, geodezję, lokalizowanie osób i zwierząt, telefony komórkowe oraz rekreację. Szeroki wpływ GPS na technikę, gospodarkę i życie codzienne omawiają też opracowania popularnonaukowe. Na każdym satelicie zainstalowana jest aparatura NUDET (), przeznaczona do natychmiastowego wykrywania wybuchów nuklearnych na Ziemi. Według opisu Sił Kosmicznych USA satelity GPS przekazują w tym celu także amerykańskim systemom wojskowym dane z wykrywania detonacji jądrowych. Według Sandia National Laboratories satelity GPS przenoszą zestaw czujników, które mogą wykrywać wybuchy jądrowe w atmosferze lub przestrzeni kosmicznej i wyznaczać ich położenie metodą triangulacji. Sandia dostarcza m.in. czujniki optyczne i impulsu elektromagnetycznego oraz procesory, a Los Alamos National Laboratory detektory promieniowania rentgenowskiego i cząstek.
Generacje satelitów GPS mały|Satelita GPS III (Block IIIA) – najnowsza generacja satelitów systemu