Co to jest globalny system pozycjonowania? Zrozumienie GPS

Global Positioning System lub GPS to globalny system nawigacji satelitarnej (GNSS), który zapewnia pozycjonowanie, nawigację i system pomiaru czasu (PNT). Został opracowany przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych (US DoD) we wczesnych latach 1970. Istnieją inne systemy nawigacji oparte na satelitach, takie jak rosyjski GLONASS, europejski Galileo i chiński BeiDou, ale amerykański globalny system pozycjonowania (GPS) i rosyjski globalny system nawigacji satelitarnej (GLONASS) są jedynymi w pełni funkcjonalnymi satelitami System nawigacyjny z 32 konstelacjami satelitów i 27 konstelacjami satelitów. Przed rozwojem technologii GPS główną pomocą w nawigacji (na morzu, lądzie lub na wodzie) były mapy i kompas. Wraz z wprowadzeniem GPS, nawigacja i ustalanie lokalizacji stało się bardzo łatwe z dokładnością pozycji do dwóch metrów lub mniej.Zarys historii struktury GPSGPS SegmentyGPS SegmentySpace SegmentControl SegmentUser SegmentZasada działania GPSOkreślanie położenia satelitówOkreślanie odległości między satelitami a odbiornikiem GPSPozycja Odbiornik w płaszczyźnie 2DPozycja odbiornika w przestrzeni 3DTypy odbiorników GPSZastosowania globalnego systemu pozycjonowania (GPS)Historia GPSPrzed opracowaniem GPS, naziemne systemy nawigacyjne, takie jak LORAN (nawigacja dalekiego zasięgu) przez USA i Decca Navigator System z Wielkiej Brytanii to główne technologie nawigacji. Obie te techniki opierają się na falach radiowych, a ich zasięgi były ograniczone do kilkuset kilometrów. Na początku lat sześćdziesiątych trzy organizacje rządowe Stanów Zjednoczonych, a mianowicie Narodowa Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA), Departament Obrony (DoD) i Departament Transportu (DoT) wraz z kilkoma innymi organizacjami rozpoczęło opracowywanie satelitarnego systemu nawigacyjnego w celu zapewnienia wysokiej dokładności, niezależnego od pogody działania i globalnego zasięgu. Program ten ewoluował w kierunku Nawigacji Satelitarnej Czasu i Globalnego Systemu Pozycjonowania (NAVSTAR Global Positioning System). System ten został po raz pierwszy opracowany jako system wojskowy w celu zaspokojenia potrzeb wojskowych Stanów Zjednoczonych. Stany Zjednoczone Wojsko wykorzystywało NAVSTAR do nawigacji oraz systemów naprowadzania i naprowadzania pocisków. Możliwość użycia przez wrogów tego systemu nawigacji przeciwko Stanom Zjednoczonym jest głównym powodem, dla którego cywile nie mieli do niego dostępu. Pierwszy satelita NAVSTAR został wystrzelony w 1978 roku, a do 1994 roku na orbicie umieszczono pełną konstelację 24 satelitów, dzięki czemu jest całkowicie sprawny. W 1996 r. Stany Zjednoczone Rząd uznał znaczenie GPS dla ludności cywilnej i ogłosił system podwójnego zastosowania, umożliwiający dostęp zarówno wojskowym, jak i cywilnym. Przegląd struktury GPS Podstawową techniką satelitarnego systemu nawigacji Global Positioning System (GPS) jest pomiar odległości między odbiornikiem a kilka satelitów, które są jednocześnie obserwowane. Pozycje tych satelitów są już znane, a zatem mierząc odległość między czterema z tych satelitów a odbiornikiem, trzy współrzędne pozycji odbiornika GPS, tj. można ustalić szerokość, długość i wysokość. Ponieważ zmiana pozycji odbiornika może być określona bardzo dokładnie, można również określić prędkość odbiornika.Segmenty GPS Struktura tego złożonego Globalnego Systemu Pozycjonowania podzielona jest na trzy główne segmenty: Segment Przestrzeni, Segment Kontroli i Użytkownik Człon. W tym przypadku segment kontrolny i segment kosmiczny są opracowywane, obsługiwane i utrzymywane przez Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych. Poniższy obraz przedstawia trzy segmenty systemu GPS.Segment kosmicznySegment kosmiczny (SS) systemu GPS składa się z konstelacji 24 satelitów, które krążą wokół Ziemi na mniej więcej orbitach kołowych. Satelity są umieszczone w sześciu płaszczyznach orbitalnych, przy czym każda płaszczyzna orbitalna składa się z czterech satelitów. Nachylenie płaszczyzn orbitalnych i pozycjonowanie satelitów są rozmieszczone w określony sposób, tak aby co najmniej sześć satelitów było zawsze w zasięgu wzroku z dowolnego miejsca na Ziemi. Przechodząc do rozmieszczenia konstelacji w przestrzeni, GPS Satelity są umieszczane na orbicie średniej Ziemi (MEO) na wysokości około 20,000 XNUMX km. Aby zwiększyć redundancję i poprawić dokładność, całkowita liczba satelitów GPS w konstelacji została zwiększona do 32, z czego 31 satelitów działa. i stacje śledzące. Podstawowym zadaniem segmentu kontrolnego jest śledzenie pozycji satelitów GPS i utrzymywanie ich na właściwych orbitach za pomocą poleceń manewrowych. Dodatkowo system kontroli określa i utrzymuje integralność systemu pokładowego, warunki atmosferyczne, dane z zegarów atomowych i inne parametry. Segment sterowania GPS jest ponownie podzielony na cztery podsystemy: nowa główna stacja sterowania (NMCS), alternatywna główna stacja sterowania (AMCS), cztery anteny naziemne (GA) i ogólnoświatowa sieć stacji monitorujących (MS). Centralnym węzłem kontrolnym dla konstelacji satelitów GPS jest główna stacja kontrolna (MSC). Znajduje się w Schriever Air Force Base w stanie Kolorado i działa 24×7. Główne obowiązki Głównej Stacji Kontrolnej to: konserwacja satelitów, monitorowanie ładunku, synchronizacja zegarów atomowych, manewrowanie satelitami, zarządzanie wydajnością sygnału GPS, przesyłanie danych wiadomości nawigacyjnych, wykrywanie Awarie sygnalizacji GPS i reagowanie na te awarie. Istnieje kilka stacji monitorujących (MS), ale sześć z nich jest ważnych. Znajdują się one na Hawajach, Colorado Springs, Wyspie Wniebowstąpienia, Diego Garcia, Kwajalein i Cape Canaveral. Te stacje monitorujące stale śledzą położenie satelitów, a dane są przesyłane do głównej stacji kontrolnej w celu dalszej analizy. W celu przesyłania danych do satelitów istnieją cztery anteny naziemne (GA) zlokalizowane jako Wyspa Wniebowstąpienia, Przylądek Canaveral, Diego Garcia i Kwajaleina. Anteny te służą do przesyłania danych do satelitów, a dane mogą być dowolne, takie jak korekta zegara, polecenia telemetryczne i komunikaty nawigacyjne. Segment użytkownika Segment użytkownika systemu GPS składa się z użytkowników końcowych technologii, takich jak cywile i wojskowi do nawigacji, precyzyjnej lub standardowej pozycjonowanie i synchronizacja. Ogólnie rzecz biorąc, aby uzyskać dostęp do usług GPS, użytkownik musi być wyposażony w odbiorniki GPS, takie jak samodzielne moduły GPS, telefony komórkowe z obsługą GPS i dedykowane konsole GPS. czas i prędkość, podczas gdy wojsko wykorzystuje je do precyzyjnego pozycjonowania, naprowadzania pocisków, nawigacji itp. Zasada działania GPS Za pomocą odbiorników GPS możemy obliczyć położenie obiektu w dowolnym miejscu na Ziemi w przestrzeni dwuwymiarowej lub trójwymiarowej . W tym celu odbiorniki GPS wykorzystują metodę matematyczną zwaną Trilateracją, metodę, za pomocą której można określić położenie obiektu, mierząc odległość między obiektem a kilkoma innymi obiektami o już znanych pozycjach. Tak więc w przypadku odbiorników GPS, aby aby znaleźć lokalizację odbiornika, moduł odbiornika musi znać następujące dwie rzeczy:• Położenie satelitów w przestrzeni i• Odległość między satelitami a odbiornikiem GPS Określanie położenia satelitów W celu określenia położenia satelity, odbiorniki GPS wykorzystują dwa rodzaje danych przesyłanych przez satelity GPS: dane almanachu i dane efemeryd. Satelity GPS nieprzerwanie przesyłają swoją przybliżoną pozycję. Dane te nazywane są danymi Almanachu, które są okresowo aktualizowane, gdy satelita porusza się po orbicie. Dane te są odbierane przez odbiornik GPS i przechowywane w jego pamięci. Za pomocą danych almanachu odbiornik GPS może określić orbity satelitów, a także ich lokalizację. ich rzeczywistą ścieżkę. Master Control Station (MCS) wraz z dedykowanymi stacjami monitorowania (MS) śledzą ścieżkę satelitów wraz z innymi informacjami, takimi jak wysokość, prędkość, orbita i lokalizacja. wysyłane do satelitów, aby pozostały w dokładnej pozycji. Te dane orbitalne wysyłane przez MCS do satelity noszą nazwę Ephemeris Data. Satelita po otrzymaniu tych danych koryguje swoją pozycję, a także przesyła te dane do odbiornika GPS. Almanach i efemerydy, odbiornik GPS może być w stanie przez cały czas znać dokładną pozycję satelitów. Określanie odległości między satelitami a odbiornikiem GPS W celu pomiaru odległości między odbiornikiem GPS a satelitami kluczową rolę odgrywa czas. Wzór na obliczenie odległości satelity od odbiornika GPS podano poniżej: Odległość = prędkość światła x czas przejścia sygnału satelitarnegoTutaj czas przejścia to czas, jaki zajmuje sygnał satelitarny (sygnał w postaci fal radiowych, wysyłane przez satelitę do odbiornika GPS) w celu dotarcia do odbiornika. Prędkość światła jest wartością stałą i wynosi C = 3 x 108 m/s. Aby obliczyć czas, najpierw musimy zrozumieć sygnał wysyłany przez satelitę. Transkodowany sygnał przesyłany przez satelitę nazywa się pseudolosowym szumem (PRN). Gdy satelita generuje ten kod i rozpoczyna transmisję, odbiornik GPS również zaczyna generować ten sam kod i próbuje go zsynchronizować. kod.Gdy znane są położenie satelitów i ich odległość od odbiornika GPS, ustalenie pozycji odbiornika GPS w przestrzeni 2D lub przestrzeni 3D można wykonać za pomocą następującej metody.Pozycja odbiornika w płaszczyźnie 2D w celu znalezienia pozycji obiektu lub odbiornika GPS w przestrzeni 2 – wymiarowej tj samolot XY, wszystko, co musimy znaleźć, to odległość między odbiornikiem GPS a dwoma satelitami. Niech D1 i D2 będą odległością odbiornika odpowiednio od satelity 1 i satelity 2. Teraz, z satelitami w środku i promieniem D1 i D2, narysuj wokół nich dwa okręgi na płaszczyźnie XY. Obrazową reprezentację tego przypadku pokazano na poniższym obrazku. Z powyższego rysunku jasno wynika, że ​​odbiornik GPS może znajdować się w jednym z dwóch punktów, w których przecinają się dwa okręgi. Jeśli obszar nad satelitami jest wykluczony, możemy wskazać pozycję odbiornika GPS w punkcie przecięcia okręgów pod satelitami. Informacje o odległości z dwóch satelitów są wystarczające do określenia pozycji odbiornika GPS w Płaszczyzna 2-D lub XY. Ale świat rzeczywisty to przestrzeń 3 – wymiarowa i musimy określić 3 – wymiarową pozycję odbiornika GPS, czyli jego szerokość, długość i wysokość. Zobaczymy krok po kroku procedurę określania trójwymiarowej lokalizacji odbiornika GPS. Pozycja odbiornika w przestrzeni 3D Załóżmy, że położenie satelitów względem odbiornika GPS jest już znane. Jeśli satelita 1 znajduje się w odległości D1 od odbiornika, jasne jest, że pozycja odbiornika może znajdować się w dowolnym miejscu na powierzchni kuli, która jest utworzona z satelitą 1 jako środkiem i D1 jako jego promieniem. drugi satelita (satelita 2) z odbiornika to D2, wtedy położenie odbiornika można ograniczyć do okręgu utworzonego przez przecięcie dwóch kul o promieniach D1 i D2 z odpowiednio satelitami 1 i 2 w środkach.Z tego obrazu , pozycję odbiornika GPS można zawęzić do punktu na okręgu przecięcia. Jeżeli dodamy trzeciego satelitę (satelitę 3) o odległości D3 od odbiornika GPS do istniejących dwóch satelitów, to lokalizacja odbiornika ogranicza się do przecięcia trzech sfer tj. jeden z dwóch punktów. W sytuacjach czasu rzeczywistego niejednoznaczność odbiornika GPS znajdującego się w jednej z dwóch pozycji nie jest opłacalna. Można to rozwiązać wprowadzając czwartego satelitę (satelita 4) w odległości D4 od odbiornika. Czwarty satelita będzie w stanie wskazać lokalizację odbiornika GPS z dwóch możliwych lokalizacji, które zostały wcześniej określone tylko z trzema satelitami. Dlatego w czasie rzeczywistym wymagane są co najmniej 4 satelity, aby określić dokładną lokalizację obiektu. W praktyce system GPS działa tak, że co najmniej 6 satelitów jest zawsze widocznych dla obiektu (odbiornika GPS) znajdującego się w dowolnym miejscu na Ziemi. Odbiorników GPS Z GPS korzystają zarówno cywile, jak i wojsko. W związku z tym typy odbiorników GPS można podzielić na cywilne odbiorniki GPS i wojskowe odbiorniki GPS. Jednak standardowy sposób klasyfikacji opiera się na typie kodu, który odbiornik jest w stanie wykryć. Zasadniczo istnieją dwa rodzaje kodów, które wysyła satelita GPS: zgrubny kod akwizycji (kod C/A) i kod P. Konsumenckie odbiorniki GPS mogą wykryć tylko kod C/A. Ten kod nie jest dokładny i dlatego cywilny system pozycjonowania nazywa się Standard Positioning Service (SPS). Z drugiej strony kod P jest używany przez wojsko i jest bardzo dokładnym kodem. System pozycjonowania używany przez wojsko nosi nazwę Precise Positioning Service (PPS). Odbiorniki GPS można klasyfikować w oparciu o zdolność do dekodowania tych sygnałów. Inny sposób klasyfikacji dostępnych na rynku odbiorników GPS opiera się na zdolności odbierania sygnałów. Korzystając z tej metody, odbiorniki GPS można podzielić na: Pojedynczy – Odbiornik z kodem częstotliwości Pojedynczy – Odbiornik częstotliwości – Odbiornik z wygładzonym kodem Pojedynczy – Odbiornik z kodem częstotliwości i nośną Podwójny – Odbiornik częstotliwości Zastosowania Globalnego Systemu Pozycjonowania (GPS) GPS stał się istotną częścią Globalnej Infrastruktury, podobny do Internetu. GPS był kluczowym elementem w rozwoju szerokiej gamy zastosowań obejmujących różne aspekty współczesnego życia. Wzrost produkcji na dużą skalę i miniaturyzacja komponentów obniżyła cenę odbiorników GPS. Poniżej wymieniono małą listę zastosowań, w których GPS odgrywa ważną rolę. Nowoczesne rolnictwo odnotowało wzrost produkcji za pomocą GPS. Rolnicy wykorzystują technologię GPS wraz z nowoczesnymi urządzeniami elektronicznymi, aby uzyskać precyzyjne informacje o powierzchni pola, średnim plonie, zużyciu paliwa, przebytej odległości itp. W dziedzinie samochodów zautomatyzowane pojazdy kierowane są najczęściej używane w zastosowaniach przemysłowych lub konsumenckich. GPS umożliwia tym pojazdom nawigację i pozycjonowanie. Obywatele używają odbiorników GPS do celów nawigacyjnych. Odbiornik GPS może być modułem dedykowanym lub wbudowanym w telefony komórkowe i zegarki na rękę. Są bardzo pomocne w trekkingu, wycieczkach drogowych, jeździe samochodem itp. Dodatkowe funkcje obejmują dokładny czas i prędkość pojazdu.Służby ratownicze, takie jak straż pożarna i karetka pogotowia, korzystają z dokładnego pozycjonowania miejsca katastrofy przez GPS i mogą być w stanie zareagować na czas.Wojsko wykorzystuje bardzo precyzyjne odbiorniki GPS do nawigacji, śledzenia celów, pocisków systemy naprowadzania itp. Istnieje wiele innych zastosowań, w których GPS jest używany lub ma ogromny zakres zastosowań w przyszłości.Powiązane posty:Komunikacja bezprzewodowa: Wprowadzenie, typy i zastosowaniaMultiplekser i demultiplekserDlaczego Twój Internet ciągle się rozłącza?Podstawy wbudowanego programu CCzym są czujniki MEMS?

Zostaw wiadomość 

Lista komunikatów