Čo je to globálny systém určovania polohy? Pochopenie GPS

Global Positioning System alebo GPS je globálny navigačný satelitný systém (GNSS), ktorý poskytuje lokalizáciu, navigáciu a systém načasovania (PNT). Bol vyvinutý Ministerstvom obrany USA (USA DoD) na začiatku sedemdesiatych rokov minulého storočia. Existujú aj ďalšie satelitné navigačné systémy, ako je ruský GLONASS, európsky Galileo a čínsky BeiDou, ale globálny polohový systém USA (GPS) a ruský globálny navigačný satelitný systém (GLONASS) sú jediným plne funkčným satelitným systémom Navigačný systém s 1970 satelitnými konšteláciami a 32 satelitnými konšteláciami. Pred vývojom technológie GPS boli hlavnými pomocníkmi pri navigácii (na mori, na súši alebo vo vode) mapy a kompas. So zavedením GPS sa navigácia a určovanie polohy stali veľmi jednoduchými s presnosťou polohy dva metre alebo menej. Prehľad histórie štruktúry GPSGPS Segmenty Segmenty Segment riadenia segmentov Používateľský segmentPrincíp činnosti GPS Určenie polohy satelitov Určenie vzdialenosti medzi satelitmi a prijímačom GPS Prijímač v 2-D rovinePozícia prijímača v 3D priestoreTypy prijímačov GPSAplikácie globálneho polohovacieho systému (GPS)História GPSPred vývojom GPS pozemné navigačné systémy ako LORAN (Long Range Navigation) v USA a Decca Navigator System vo Veľkej Británii sú hlavné technológie pre navigáciu. Obe tieto techniky sú založené na rádiových vlnách a dosahy boli obmedzené na niekoľko stoviek kilometrov. Začiatkom šesťdesiatych rokov tri vládne organizácie Spojených štátov amerických, a to Národný úrad pre letectvo a vesmír (NASA), Ministerstvo obrany (DoD) a Ministerstvo dopravy (DoT) spolu s niekoľkými ďalšími organizáciami začali s vývojom satelitného navigačného systému s cieľom poskytovať vysokú presnosť, prevádzku nezávislú na počasí a globálne pokrytie. Tento program sa vyvinul na globálny navigačný systém určovania polohy a vzdialenosti s navigáciou (NAVSTAR Global Positioning System). Tento systém bol prvýkrát vyvinutý ako vojenský systém, aby splnil potreby armády USA. Spojené štáty Armáda používala NAVSTAR na navigáciu, ako aj na zameriavanie zbraňových systémov a systémy navádzania rakiet. Možnosť nepriateľov používať tento navigačný systém proti USA je hlavným dôvodom, prečo k nemu civilisti nemali prístup. Prvý satelit NAVSTAR bol vypustený v roku 1978 a do roku 1994 bolo na obežnú dráhu umiestnených celkom 24 satelitov. je plne funkčný. V roku 1996 USA Vláda uznala dôležitosť GPS pre civilistov a vyhlásila systém dvojakého použitia, ktorý umožňuje prístup armáde aj civilistom. Prehľad štruktúry GPS Základnou technikou satelitného navigačného systému Global Positioning System (GPS) je meranie vzdialenosti medzi prijímačom a niekoľko satelitov, ktoré sú súčasne pozorované. Polohy týchto satelitov sú už známe, a preto meraním vzdialenosti medzi štyrmi z týchto satelitov a prijímačom sa tri súradnice polohy prijímača GPS, tj. zemepisnú šírku, dĺžku a nadmorskú výšku. Keďže zmena polohy prijímača sa dá určiť veľmi presne, dá sa určiť aj rýchlosť prijímača. Segmenty GPSŠtruktúra tohto komplexného systému globálneho určovania polohy je rozdelená do troch hlavných segmentov: Vesmírny segment, Riadiaci segment a Používateľ. Segment. V tomto kontrolný segment a vesmírny segment vyvíja, prevádzkuje a udržiava vojenské letectvo USA. Nasledujúci obrázok zobrazuje tri segmenty systému GPS. Vesmírny segmentVesmírny segment (SS) systému GPS pozostáva z konštelácie 24 satelitov, ktoré obiehajú okolo Zeme po približne kruhových dráhach. Satelity sú umiestnené v šiestich orbitálnych rovinách, pričom každá orbitálna rovina pozostáva zo štyroch satelitov. Sklon obežných rovín a umiestnenie satelitov je usporiadané zvláštnym spôsobom tak, že minimálne šesť satelitov je vždy v zornom poli z akéhokoľvek miesta na Zemi. Pokiaľ ide o usporiadanie súhvezdia v priestore, GPS Satelity sú umiestnené na Strednej obežnej dráhe Zeme (MEO) vo výške približne 20,000 XNUMX km. Aby sa zvýšila redundancia a zlepšila presnosť, celkový počet satelitov GPS v konštelácii sa zvýšil na 32, z ktorých je funkčných 31 satelitov. Riadiaci segment Riadiaci segment (CS) GPS pozostáva zo siete celosvetového monitorovania a riadenia a sledovacie stanice. Primárnou úlohou riadiaceho segmentu je sledovať polohu satelitov GPS a udržiavať ich na správnych obežných dráhach pomocou manévrovacích príkazov. Riadiaci systém navyše tiež určuje a udržiava integritu palubného systému, atmosférické podmienky a údaje z atómových hodín. a ďalšie parametre. Segment riadenia GPS je opäť rozdelený do štyroch podsystémov: nová hlavná riadiaca stanica (NMCS), alternatívna hlavná riadiaca stanica (AMCS), štyri pozemné antény (GA) a celosvetová sieť monitorovacích staníc (MS). Centrálnym riadiacim uzlom pre konšteláciu satelitov GPS je hlavná riadiaca stanica (MSC). Nachádza sa na leteckej základni Schriever v Colorade a je v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Hlavnými povinnosťami hlavnej riadiacej stanice sú: údržba satelitu, monitorovanie užitočného zaťaženia, synchronizácia atómových hodín, manévrovanie so satelitom, správa výkonu signálu GPS, nahrávanie údajov navigačnej správy, zisťovanie Poruchy GPS signalizácie a reakcie na tieto poruchy. Existuje niekoľko monitorovacích staníc (MS), ale dôležitých je šesť z nich. Nachádzajú sa na Havaji, Colorado Springs, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein a Cape Canaveral. Tieto monitorovacie stanice nepretržite sledujú polohu satelitov a údaje sa odosielajú do hlavnej riadiacej stanice na ďalšiu analýzu. Na prenos údajov na satelity sú k dispozícii štyri pozemné antény (GA), ktoré sa nachádzajú ako Ascension Island, Cape Canaveral, Diego Garcia a Kwajalein. Tieto antény sa používajú na uplink dát do satelitov a dáta môžu byť čokoľvek ako korekcia hodín, telemetrické príkazy a navigačné správy. Segment používateľovPoužívateľský segment systému GPS pozostáva z koncových používateľov technológie, ako sú civilisti a vojaci pre navigáciu, presnú alebo štandardnú polohovanie a načasovanie. Spravidla na to, aby mal užívateľ prístup k službám GPS, musí byť vybavený prijímačmi GPS, akými sú samostatné moduly GPS, mobilné telefóny s povoleným systémom GPS a vyhradené konzoly GPS. Vďaka týmto prijímačom GPS môžu civilní používatelia poznať štandardnú polohu, presnú čas a rýchlosť, zatiaľ čo armáda ich používa na presné určovanie polohy, navádzanie rakiet, navigáciu atď. Princíp fungovania GPS S pomocou prijímačov GPS môžeme vypočítať polohu objektu kdekoľvek na Zemi buď v dvojrozmernom alebo trojrozmernom priestore . Prijímače GPS na to používajú matematickú metódu nazývanú trilaterácia, metódu, pomocou ktorej je možné určiť polohu objektu meraním vzdialenosti medzi objektom a niekoľkými ďalšími objektmi s už známymi polohami. V prípade prijímačov GPS teda v poradí Aby modul prijímača zistil polohu prijímača, musí vedieť tieto dve veci: • umiestnenie satelitov v priestore a • vzdialenosť medzi satelitmi a prijímačom GPS určenie polohy satelitov, aby bolo možné určiť polohu satelity, prijímače GPS používajú dva typy údajov prenášaných satelitmi GPS: údaje z almanachu a údaje z efemeridy. Satelity GPS nepretržite vysielajú svoju približnú polohu. Tieto údaje sa nazývajú almanachové údaje, ktoré sa pravidelne aktualizujú, keď sa satelit pohybuje na obežnej dráhe. Tieto údaje prijíma prijímač GPS a ukladá ich do pamäte. Pomocou údajov Almanachu môže byť prijímač GPS schopný určiť obežné dráhy satelitov a tiež to, kde sa satelity majú nachádzať. Podmienky vo vesmíre sa nedajú predpovedať a existuje veľká šanca, že sa satelity môžu odchyľovať. ich skutočná cesta. Master Control Station (MCS) spolu s vyhradenými monitorovacími stanicami (MS) sledujú cestu satelitov spolu s ďalšími informáciami, ako je nadmorská výška, rýchlosť, obežná dráha a poloha. Ak sa v niektorom z parametrov vyskytne chyba, opravené údaje sú odoslané do satelitov tak, aby zostali v presnej polohe. Tieto orbitálne dáta odosielané MCS do satelitu sa nazývajú Ephemeris Data. Satelit po prijatí týchto údajov opraví svoju polohu a odošle tieto údaje aj do prijímača GPS. Pomocou oboch údajov, tj. Almanach a Ephemeris, prijímač GPS, môžu byť schopné vždy poznať presnú polohu satelitov. Určenie vzdialenosti medzi satelitmi a prijímačom GPS Pri meraní vzdialenosti medzi prijímačom GPS a satelitmi zohráva veľkú úlohu čas. Vzorec na výpočet vzdialenosti satelitu od prijímača GPS je uvedený nižšie: Vzdialenosť = rýchlosť svetla x čas prechodu satelitného signálu Tu je čas prepravy čas, ktorý potrebuje satelitný signál (signál vo forme rádiových vĺn, odoslané satelitom do prijímača GPS), aby sa dostali k prijímaču. Rýchlosť svetla je konštantná hodnota a rovná sa C = 3 x 108 m/s. Aby sme mohli vypočítať čas, musíme najprv pochopiť signál vysielaný satelitom. Transkódovaný signál vysielaný satelitom sa nazýva pseudonáhodný šum (PRN). Keď satelit vygeneruje tento kód a začne vysielať, prijímač GPS tiež začne generovať rovnaký kód a pokúsi sa ho synchronizovať. Prijímač GPS potom vypočíta množstvo časového oneskorenia, ktoré musí vygenerovaný kód prijímača podstúpiť, kým sa synchronizuje s vysielaným satelitom. kód. Keď je známa poloha satelitov a ich vzdialenosť od prijímača GPS, zistenie polohy prijímača GPS v 2D alebo 3D priestore je možné vykonať nasledujúcou metódou. Umiestnenie prijímača v 2-D PlaneIn aby ste našli polohu objektu alebo GPS prijímača v 2 – dimenzionálnom priestore, tj lietadlo XY, všetko, čo potrebujeme, je nájsť vzdialenosť medzi prijímačom GPS a dvoma satelitmi. Nech D1 a D2 je vzdialenosť prijímača od satelitu 1 a satelitu 2. Teraz so satelitmi v strede a polomerom D1 a D2 okolo nich nakreslite dva kruhy v rovine XY. Obrazové znázornenie tohto prípadu je zobrazené na nasledujúcom obrázku. Z vyššie uvedeného obrázku je zrejmé, že prijímač GPS môže byť umiestnený v ktoromkoľvek z dvoch bodov, kde sa dva kruhy pretínajú. Ak je oblasť nad satelitmi vylúčená, môžeme určiť polohu prijímača GPS v bode priesečníka kružníc pod satelitmi. Informácie o vzdialenosti z dvoch satelitov sú dostatočné na určenie polohy prijímača GPS v 2-D alebo XY lietadlo. Ale skutočný svet je 3-rozmerný priestor a my potrebujeme určiť 3-rozmernú polohu prijímača GPS, napr. jeho zemepisná šírka, zemepisná dĺžka a nadmorská výška. Uvidíme postup krok za krokom na určenie trojrozmernej polohy prijímača GPS. Umiestnenie prijímača v 3D priestore Predpokladajme, že umiestnenie satelitov vzhľadom na prijímač GPS je už známe. Ak je satelit 1 vo vzdialenosti D1 od prijímača, potom je jasné, že poloha prijímača môže byť kdekoľvek na povrchu gule, ktorá je vytvorená so satelitom 1 ako stredom a D1 ako jeho polomerom. druhý satelit (satelit 2) z prijímača je D2, potom môže byť poloha prijímača obmedzená na kruh vytvorený priesečníkom dvoch sfér s polomermi D1 a D2 so satelitmi 1 a 2 v strede. Z tohto obrázku , polohu prijímača GPS je možné zúžiť na bod v priesečníku. Ak k existujúcim dvom satelitom pridáme tretí satelit (satelit 3) so vzdialenosťou D3 od prijímača GPS, potom je umiestnenie prijímača obmedzené na priesečník troch sfér, tj. jeden z dvoch bodov. V situáciách v reálnom čase nie je životaschopnosť prijímača GPS umiestneného na jednej z dvoch polôh životaschopná. Dá sa to vyriešiť zavedením štvrtého satelitu (satelit 4) so ​​vzdialenosťou D4 od prijímača. Štvrtý satelit bude schopný určiť polohu prijímača GPS z dvoch možných miest, ktoré boli predtým určené iba s tromi satelitmi. Na určenie presnej polohy objektu sú teda v reálnom čase potrebné minimálne 4 satelity. Systém GPS prakticky funguje tak, že k objektu (prijímaču GPS) umiestnenému kdekoľvek na Zemi je vždy viditeľných najmenej 6 satelitov. GPS prijímačov GPS využívajú civilisti aj vojaci. Preto možno typy prijímačov GPS rozdeliť na civilné prijímače GPS a vojenské prijímače GPS. Štandardný spôsob klasifikácie je však založený na type kódu, ktorý môže byť prijímač schopný zistiť. V zásade existujú dva typy kódov, ktoré satelit GPS prenáša: kód hrubého získavania (kód C/A) a P - kód. Spotrebiteľské prijímače GPS dokážu zistiť iba C/A kód. Tento kód nie je presný, a preto sa civilný systém určovania polohy nazýva Standard Positioning Service (SPS). Na druhej strane P – kód používa armáda a je to vysoko presný kód. Polohovací systém používaný armádou sa nazýva Precise Positioning Service (PPS). Prijímače GPS je možné klasifikovať podľa schopnosti dekódovať tieto signály. Ďalší spôsob klasifikácie komerčne dostupných prijímačov GPS je založený na schopnosti prijímať signály. Pomocou tejto metódy je možné prijímače GPS rozdeliť na: prijímače s jedným - frekvenčným kódom, jednoduché - s frekvenčným nosičom - prijímače s vyhladeným kódom, s jedným - s frekvenčným prijímačom a s prijímačom s duálnym prenosom, s dvojitým - frekvenčné prijímače, aplikácia systému GPS (GPS) sa stala základnou súčasťou globálnej infraštruktúry, podobne ako internet. GPS je kľúčovým prvkom vo vývoji širokej škály aplikácií, ktoré sa šíria v rôznych aspektoch moderného života. Rozvoj rozsiahlej výroby a miniaturizácie komponentov znížil cenu GPS prijímačov. Nižšie je uvedený malý zoznam aplikácií, v ktorých GPS zohráva dôležitú úlohu. Moderné poľnohospodárstvo zaznamenalo nárast výroby pomocou systému GPS. Poľnohospodári používajú technológiu GPS spolu s modernými elektronickými zariadeniami na získanie presných informácií o oblasti poľa, priemernom výnose, spotrebe paliva, prejdenej vzdialenosti atď. V oblasti automobilov sa v priemyselných alebo spotrebiteľských aplikáciách najčastejšie používajú automatizované navádzané vozidlá. GPS umožňuje týmto vozidlám navigáciu a určovanie polohy. Občania používajú na navigáciu prijímače GPS. Prijímač GPS môže byť vyhradený modul alebo vstavaný modul v mobilných telefónoch a náramkových hodinkách. Sú veľmi nápomocné pri trekkingu, cestovaní, šoférovaní atď. Medzi ďalšie funkcie patrí presný čas a rýchlosť vozidla. Záchranné služby, ako sú hasiči a záchranné služby, ťažia z presného určenia polohy katastrofy pomocou systému GPS a môžu včas reagovať. Vojenské systémy používajú na navigáciu, sledovanie cieľa, raketu vysoko presné prijímače GPS. navádzacie systémy atď. Existuje mnoho ďalších aplikácií, kde sa používa GPS alebo obrovský rozsah použitia v budúcnosti. Súvisiace príspevky: Bezdrôtová komunikácia: Úvod, typy a aplikácie Multiplexor a Demultiplexer Prečo sa váš internet stále odpojuje? Základy vstavaného programu C Čo sú to snímače MEMS?

Zanechajte správu 

zoznam správ