Kaj je globalni sistem pozicioniranja? Razumevanje GPS

Globalni sistem za določanje položaja ali GPS je globalni navigacijski satelitski sistem (GNSS), ki zagotavlja sistem za določanje položaja, navigacijo in merjenje časa (PNT). Razvilo ga je obrambno ministrstvo ZDA (ZDA DoD) v zgodnjih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja. Obstajajo še drugi satelitski navigacijski sistemi, kot so ruski GLONASS, evropski Galileo in kitajski BeiDou, vendar sta globalni sistem za določanje položaja (GPS) in ruski globalni satelitski navigacijski sistem (GLONASS) edini popolnoma delujoči satelitski sistem Navigacijski sistem s 1970 satelitskimi ozvezdji in 32 satelitskimi ozvezdji. Pred razvojem GPS tehnologije sta glavna pomoč pri navigaciji (v morju, na kopnem ali v vodi) zemljevidi in kompas. Z uvedbo GPS -ja sta navigacija in določanje lokacije postala zelo enostavna z natančnostjo položaja dva metra ali manj. Zgodovina na spletu Pregled strukture GPSGps Segmenti Segment prostora Kontrolni segment Segment uporabnika Načelo delovanja GPS Določanje lokacije satelitov Določanje razdalje med sateliti in sprejemnikom GPS Položaj Sprejemnik v 2-D ravnini Položaj sprejemnika v 3D vesolju Vrste sprejemnikov GPS Uporaba globalnega sistema za določanje položaja (GPS) Zgodovina GPS-a Pred razvojem GPS-a so zemeljski navigacijski sistemi, kot je LORAN (Long Range Navigation) v ZDA in Decca Navigator System iz Združenega kraljestva so glavne tehnologije za navigacijo. Obe tehniki temeljita na radijskih valovih in doseg je bil omejen na nekaj sto kilometrov. (DoT) je skupaj z nekaterimi drugimi organizacijami začel razvijati satelitski navigacijski sistem z namenom zagotavljanja visoke natančnosti, vremensko neodvisnega delovanja in globalne pokritosti.Ta program se je razvil v Navigacijski satelitni časovni razpored in globalni sistem določanja položaja (NAVSTAR Global Positioning System). Ta sistem je bil najprej razvit kot vojaški sistem za izpolnjevanje potreb vojske ZDA. ZDA Vojska je uporabljala NAVSTAR za navigacijo, pa tudi za ciljanje orožja in sisteme za navajanje raket. Možnost, da bi sovražniki uporabljali ta navigacijski sistem proti Združenim državam, je glavni razlog, zakaj civilistom ni bil omogočen dostop do njega. Prvi satelit NAVSTAR je bil izstreljen leta 1978, do leta 1994 pa je bila v orbito postavljena celotna konstelacija 24 satelitov. leta 1996 v ZDA Vlada je prepoznala pomen GPS -a za civiliste in razglasila sistem z dvojno rabo, ki omogoča dostop tako vojakom kot civilistom. Pregled strukture GPS Osnovna tehnika satelitskega navigacijskega sistema Global Positioning System (GPS) je merjenje razdalj med sprejemnikom in Nekaj ​​satelitov, ki jih opazujemo hkrati. Položaji teh satelitov so že znani in zato z merjenjem razdalje med štirimi od teh satelitov in sprejemnikom tri koordinate položaja sprejemnika GPS, tj. zemljepisno širino, dolžino in nadmorsko višino. Ker je spremembo položaja sprejemnika mogoče zelo natančno določiti, je mogoče določiti tudi hitrost sprejemnika. Segmenti GPS Struktura tega kompleksnega globalnega sistema za določanje položaja je razdeljena na tri glavne segmente: Vesoljski segment, Nadzorni segment in Uporabniški Segment. Pri tem nadzorni in vesoljski segment razvijajo, upravljajo in vzdržujejo letalske sile ZDA. Naslednja slika prikazuje tri segmente sistema GPS.Space Segment Vesoljski segment (SS) GPS je sestavljen iz ozvezdja 24 satelitov, ki krožijo okoli Zemlje po približno krožnih orbitah. Sateliti so postavljeni v šest orbitalnih ravnin, vsaka orbitalna ravnina pa je sestavljena iz štirih satelitov. Nagib orbitalnih ravnin in pozicioniranje satelitov je urejeno na posebne načine, tako da je najmanj šest satelitov vedno v vidnem polju s katere koli lokacije na Zemlji. Sateliti so nameščeni v srednji zemeljski orbiti (MEO) na nadmorski višini približno 20,000 KM. Da bi povečali odvečnost in izboljšali natančnost, se je skupno število satelitov GPS v ozvezdju povečalo na 32, od tega deluje 31 satelitov. in sledilne postaje. Primarna naloga nadzornega segmenta je spremljanje položaja satelitov GPS in njihovo vzdrževanje v ustreznih orbitah s pomočjo ukazov za manevriranje. Poleg tega nadzorni sistem določa in vzdržuje celovitost sistema na krovu, atmosferske razmere, podatke iz atomskih ur Nadzorni segment GPS je spet razdeljen na štiri podsisteme: novo glavno nadzorno postajo (NMCS), nadomestno glavno nadzorno postajo (AMCS), štiri zemeljske antene (GA) in svetovno mrežo nadzornih postaj (MS). Osrednje nadzorno vozlišče za satelitsko konstelacijo GPS je glavna nadzorna postaja (MSC). Nahaja se v letalski bazi Schriever v Koloradu in deluje 24 × 7. Glavne odgovornosti glavne nadzorne postaje so: vzdrževanje satelita, spremljanje tovora, sinhronizacija atomskih ur, satelitsko manevriranje, upravljanje zmogljivosti signala GPS, nalaganje podatkov o navigacijskih sporočilih, odkrivanje Napake signalizacije GPS in odzivanje na te napake. Obstaja več nadzornih postaj (MS), vendar jih je šest pomembnih. Nahajajo se na Havajih, v Colorado Springsu, na otoku Ascension, Diego Garcia, Kwajalein in Cape Canaveral. Te nadzorne postaje stalno spremljajo položaj satelitov, podatki pa se pošiljajo na glavno nadzorno postajo za nadaljnjo analizo. Za prenos podatkov na satelite so na voljo štiri zemeljske antene (GA), kot so otok Ascension, Cape Canaveral, Diego Garcia in Kwajalein. Te antene se uporabljajo za povezavo podatkov do satelitov, podatki pa so lahko podobni popravku ure, telemetrijskim ukazom in navigacijskim sporočilom. Segment uporabnika Uporabniški segment sistema GPS sestavljajo končni uporabniki tehnologije, kot so civilisti in vojska, za navigacijo, natančno ali standardno. pozicioniranje in časovni razpored. Na splošno mora biti uporabnik za dostop do storitev GPS opremljen s sprejemniki GPS, kot so samostojni moduli GPS, mobilnimi telefoni, ki podpirajo GPS, in namenskimi konzolami GPS. S temi sprejemniki GPS lahko civilni uporabniki poznajo standardni položaj, natančen čas in hitrost, medtem ko jih vojska uporablja za natančno določanje položaja, vodenje izstrelkov, navigacijo itd. Načelo delovanja GPS S pomočjo sprejemnikov GPS lahko izračunamo položaj predmeta kjer koli na Zemlji, bodisi v dvodimenzionalnem ali tridimenzionalnem prostoru . Za to sprejemniki GPS uporabljajo matematično metodo, imenovano Trilateration, metodo, s katero je mogoče določiti položaj predmeta z merjenjem razdalje med objektom in nekaj drugimi objekti z že znanimi položaji. Če želite ugotoviti lokacijo sprejemnika, mora sprejemniški modul vedeti naslednje dve stvari: • lokacijo satelitov v vesolju in • razdaljo med sateliti in sprejemnikom GPS določanje lokacije satelitov za določitev lokacije satelitov Sprejemniki GPS uporabljajo dve vrsti podatkov, ki jih prenašajo sateliti GPS: podatke almanaha in podatke efemeride. Sateliti GPS nenehno prenašajo svoj približni položaj. Ti podatki se imenujejo podatki almanaha, ki se ob premiku satelita po orbiti občasno posodabljajo. Te podatke sprejme sprejemnik GPS in jih shrani v pomnilnik. S pomočjo podatkov Almanaha lahko sprejemnik GPS določi orbite satelitov in tudi, kje naj bi bili sateliti. Pogojev v vesolju ni mogoče predvideti in obstaja velika verjetnost, da bodo sateliti odstopili od njihova dejanska pot. Glavna nadzorna postaja (MCS) skupaj z namenskimi nadzornimi postajami (MS) spremlja pot satelitov skupaj z drugimi informacijami, kot so nadmorska višina, hitrost, orbita in lokacija. pošljejo na satelite, tako da ostanejo v natančnem položaju. Ti orbitalni podatki, ki jih MCS pošlje satelitu, se imenujejo Ephemeris Data. Satelit po prejemu teh podatkov popravi svoj položaj in jih tudi pošlje sprejemniku GPS. S pomočjo obeh podatkov, tj. Almanac in Ephemeris, GPS sprejemnik lahko ves čas natančno pozna položaj satelitov. Določanje razdalje med sateliti in sprejemnikom GPS Za merjenje razdalje med sprejemnikom GPS in sateliti ima čas pomembno vlogo. Formula za izračun razdalje satelita od sprejemnika GPS je podana spodaj: Razdalja = hitrost svetlobe x tranzitni čas satelitskega signala Tu je tranzitni čas čas, ki ga porabi satelitski signal (signal v obliki radijskih valov, ki ga satelit pošlje sprejemniku GPS), da doseže sprejemnik. Hitrost svetlobe je konstantna vrednost in je enaka C = 3 x 108 m/s. Za izračun časa moramo najprej razumeti signal, ki ga pošlje satelit. Transkodirani signal, ki ga prenaša satelit, se imenuje psevdo naključni šum (PRN). Ko satelit generira to kodo in začne oddajati, sprejemnik GPS prav tako začne ustvarjati isto kodo in jih poskuša sinhronizirati. Sprejemnik GPS nato izračuna količino zakasnitve, ki jo mora sprejeti sprejemnik, preden se sinhronizira s satelitskim prenosom. Ko je lokacija satelitov in njihova oddaljenost od sprejemnika GPS znana, lahko ugotovite položaj sprejemnika GPS v 2D vesolju ali 3D vesolju z naslednjo metodo. da bi našli položaj predmeta ali sprejemnika GPS v 2 -dimenzionalnem prostoru, tj letalo XY, vse kar moramo najti je razdalja med sprejemnikom GPS in dvema satelitoma. Naj bosta D1 in D2 razdalja sprejemnika od satelita 1 oziroma satelita 2. Zdaj s sateliti v središču in polmerom D1 in D2 narišite dva kroga okoli njiju na ravnini XY. Slikovni prikaz tega primera je prikazan na naslednji sliki.Na zgornji sliki je jasno, da se sprejemnik GPS lahko nahaja na kateri koli od dveh točk, kjer se križata dva kroga. Če je območje nad sateliti izključeno, lahko določimo položaj sprejemnika GPS na presečišču krogov pod sateliti. Podatki o razdalji dveh satelitov zadostujejo za določitev položaja sprejemnika GPS v 2-D ali XY ravnino. Toda resnični svet je 3 -dimenzionalni prostor in določiti moramo 3 -dimenzionalni položaj sprejemnika GPS, tj. njeno zemljepisno širino, dolžino in nadmorsko višino. Videli bomo postopek po korakih za določitev tridimenzionalne lokacije sprejemnika GPS. Položaj sprejemnika v 3D vesolju Predpostavimo, da so lokacije satelitov glede na sprejemnik GPS že znane. Če je satelit 1 na razdalji D1 od sprejemnika, je jasno, da je položaj sprejemnika lahko kjer koli na površini krogle, ki je oblikovana s satelitom 1 v središču in D1 kot polmerom. drugi satelit (Satelit 2) iz sprejemnika je D2, potem je lahko položaj sprejemnika omejen na krog, ki ga tvori presek dveh krogel s polmeroma D1 in D2 s sateliti 1 oziroma 2 v središčih. , lahko položaj sprejemnika GPS zožite do točke na križišču. Če k obstoječim dvema satelitoma dodamo še tretji satelit (Satelit 3) z razdaljo D3 od sprejemnika GPS, je lokacija sprejemnika omejena na presečišče treh sfer, tj. V situacijah v realnem času dvoumnost sprejemnika GPS, ki se nahaja na enem od obeh položajev, ni izvedljiva. To je mogoče rešiti z uvedbo četrtega satelita (Satelit 4) z razdaljo D4 od sprejemnika.Četrti satelit bo lahko določil lokacijo sprejemnika GPS z dveh možnih lokacij, ki sta bili prej določeni s samo tremi sateliti. V realnem času so za določitev natančne lokacije predmeta potrebni najmanj 4 sateliti. Praktično sistem GPS deluje tako, da je vsaj 6 satelitov vedno vidnih predmetu (sprejemniku GPS) kjer koli na Zemlji. sprejemnikov GPS GPS uporabljajo tako civilisti kot vojska. Zato lahko vrste sprejemnikov GPS uvrstimo med civilne sprejemnike GPS in vojaške sprejemnike GPS. Standardni način razvrščanja pa temelji na vrsti kode, ki jo sprejemnik lahko zazna. V bistvu obstajata dve vrsti kod, ki jih prenaša satelit GPS: koda grobe pridobitve (koda C/A) in koda P. Potrošniške sprejemne enote GPS lahko zaznajo samo kodo C/A. Ta koda ni natančna, zato se civilni sistem pozicioniranja imenuje Standard Positioning Service (SPS). P - koda, po drugi strani pa jo uporablja vojska in je zelo natančna koda. Sistem za določanje položaja, ki ga uporablja vojska, se imenuje storitev natančnega pozicioniranja (PPS). Sprejemnike GPS lahko razvrstimo glede na sposobnost dekodiranja teh signalov. Drug način razvrščanja komercialno dostopnih sprejemnikov GPS temelji na sposobnosti sprejemanja signalov. S to metodo lahko sprejemnike GPS razdelimo na: enojne - sprejemnike s frekvenčno kodo, enojne - nosilce frekvence - sprejemnike zglajenih kod, enojne - sprejemnike s frekvenčno kodo in sprejemnike, dvojne - sprejemnike frekvenc, uporabe globalnega sistema za določanje položaja (GPS) GPS je postal bistveni del globalne infrastrukture, podobno kot internet. GPS je bil ključni element pri razvoju široke palete aplikacij, ki se širijo na različne vidike sodobnega življenja. Povečanje obsežne proizvodnje in miniaturizacija komponent je znižalo ceno sprejemnikov GPS. Spodaj je omenjen majhen seznam aplikacij, kjer ima GPS pomembno vlogo. Sodobno kmetijstvo je s pomočjo GPS -a povečalo proizvodnjo. Kmetje uporabljajo tehnologijo GPS skupaj s sodobnimi elektronskimi napravami za natančne informacije o površini polja, povprečnem donosu, porabi goriva, prevoženi razdalji itd. Na področju avtomobilov se avtomatizirana vodena vozila najpogosteje uporabljajo v industrijskih ali potrošniških aplikacijah. GPS omogoča ta vozila pri navigaciji in pozicioniranju. Civili uporabljajo GPS sprejemnike za navigacijo. Sprejemnik GPS je lahko namenski modul ali vgrajen modul za mobilne telefone in ročne ure. Zelo so v pomoč pri trekingu, potovanjih, vožnji itd. Dodatne funkcije vključujejo natančen čas in hitrost vozila. Nujne službe, kot sta požar in reševalna vozila, imajo koristi od natančnega določanja lokacije nesreče z GPS -om in se lahko pravočasno odzovejo. Vojska uporablja visoko natančne sprejemnike GPS za navigacijo, sledenje ciljem, izstrelke sistemi vodenja itd. Obstaja še veliko drugih aplikacij, kjer se uporablja GPS ali pa se v prihodnje še vedno uporablja. Povezane objave: Brezžična komunikacija: Uvod, vrste in aplikacije Multiplekser in demultiplekser Zakaj vaš internet ne prekinja povezav? Osnove vgrajenega programa C Kaj so senzorji MEMS?

Pustite sporočilo 

Seznam sporočilo