Mis on globaalne positsioneerimissüsteem? GPS-i mõistmine

Globaalne positsioneerimissüsteem ehk GPS on ülemaailmne satelliitnavigatsioonisüsteem (GNSS), mis pakub positsioneerimise, navigeerimise ja ajastamise süsteemi (PNT). Selle töötas välja Ameerika Ühendriikide kaitseministeerium (US DoD) 1970. aastate alguses. On ka teisi satelliidipõhiseid navigatsioonisüsteeme, nagu Venemaa GLONASS, Euroopa Galileo ja Hiina BeiDou, kuid Ameerika Ühendriikide globaalne positsioneerimissüsteem (GPS) ja Venemaa globaalne satelliitnavigatsioonisüsteem (GLONASS) on ainsad täielikult funktsionaalsed satelliidipõhised navigatsioonisüsteemid. Navigatsioonisüsteem vastavalt 32 satelliidi ja 27 satelliidi tähtkujuga. Enne GPS -tehnoloogia väljatöötamist on navigeerimiseks (merel, maal või vees) peamine abivahend kaart ja kompass. GPS-i kasutuselevõtuga muutus navigeerimine ja asukoha määramine väga lihtsaks, asukoha täpsusega kaks meetrit või vähem.GPS-i struktuuri ülevaade GPS-segmentide ajaluguRuumisegmendi juhtsegmentKasutaja segment GPS-i tööpõhimõte Satelliitide asukoha määramine satelliitide ja GPS-vastuvõtja asukoha vahelise kauguse määramine Vastuvõtja 2-D tasapinnal Vastuvõtja asukoht 3D-ruumis GPS-vastuvõtjate tüübid Globaalse positsioneerimissüsteemi (GPS) rakendused GPS-i ajalugu Enne GPS-i väljatöötamist, maapealsed navigatsioonisüsteemid, nagu LORAN (Long Range Navigation) USA poolt ja Ühendkuningriigi Decca Navigator System on peamised navigatsioonitehnoloogiad. Mõlemad tehnikad põhinevad raadiolainetel ja leviala piirdus mõnesaja kilomeetriga. 1960. aastate alguses olid kolm Ameerika Ühendriikide valitsusorganisatsiooni, nimelt riiklik lennundus- ja kosmoseamet (NASA), kaitseministeerium (DoD) ja transpordiministeerium. (DoT) koos mitmete teiste organisatsioonidega alustasid satelliidipõhise navigeerimissüsteemi väljatöötamist eesmärgiga pakkuda suurt täpsust, ilmast sõltumatut toimimist ja ülemaailmset leviala. See programm arenes üle navigatsioonisatelliidi ajastamise ja globaalse positsioneerimissüsteemi (NAVSTAR Global Positioning System) jaoks. See süsteem töötati esmakordselt välja sõjalise süsteemina, et täita Ameerika Ühendriikide sõjaväe vajadusi. USA Sõjaväes kasutati NAVSTAR-i nii navigeerimiseks kui ka relvasüsteemide sihtimiseks ja rakettide juhtimissüsteemideks. Võimalus, et vaenlased kasutavad seda navigatsioonisüsteemi USA vastu, on peamine põhjus, miks tsiviilisikutele sellele juurdepääsu ei võimaldatud. Esimene NAVSTAR-i satelliit saadeti orbiidile 1978. aastal ja 1994. aastaks paigutati orbiidile 24 satelliidist koosnev täielik konstellatsioon. see täiesti töökorras.1996. aastal USA Valitsus tunnistas GPS-i olulisust tsiviilisikute jaoks ja kuulutas välja kahesuguse kasutusega süsteemi, mis võimaldab juurdepääsu nii sõjaväelastele kui ka tsiviilisikutele.GPS-i struktuuri ülevaadeSatelliidipõhise navigatsioonisüsteemi globaalse positsioneerimissüsteemi (GPS) põhitehnika on mõõta kaugusi vastuvõtja ja seadme vahel. vähe satelliite, mida samaaegselt vaadeldakse. Nende satelliitide asukohad on juba teada ja seega nelja satelliidi ja vastuvõtja vahelise kauguse mõõtmisel saadakse GPS-vastuvõtja asukoha kolm koordinaati, st. saab määrata laius-, pikkus- ja kõrguskraadi. Kuna vastuvõtja asukoha muutust saab väga täpselt määrata, saab määrata ka vastuvõtja kiirust.GPS-i segmendidSelle keerulise globaalse positsioneerimissüsteemi struktuur jaguneb kolmeks suureks segmendiks: ruumisegment, juhtsegment ja kasutaja Segment. Selles arendavad, käitavad ja hooldavad juhtimissegmenti ja kosmosesegmenti Ameerika Ühendriikide õhuvägi. Järgmine pilt näitab GPS -süsteemi kolme segmenti. Ruumisegment Satelliidid on paigutatud kuuele orbitaaltasandile, kusjuures iga orbitaaltasand koosneb neljast satelliidist. Orbitaaltasandite kalle ja satelliitide positsioneerimine on korraldatud kindlal viisil, nii et vähemalt kuus satelliiti on alati igast Maa kohast vaateväljas. Kui rääkida tähtkuju paigutusest ruumis, siis GPS Satelliidid on paigutatud keskmise maa orbiidile (MEO) umbes 20,000 XNUMX km kõrgusele. Koondamise suurendamiseks ja täpsuse parandamiseks on GPS-satelliitide koguarvu tähtkujus suurendatud 32-ni, millest töötab 31 satelliiti.JuhtsegmentGPS-i juhtimissegment (CS) koosneb ülemaailmsest seire- ja juhtimisvõrgust. ja jälgimisjaamad. Juhtsegmendi esmane ülesanne on jälgida GPS-satelliitide asukohta ja hoida neid õigel orbiitidel manööverdamiskäskude abil. Lisaks määrab ja säilitab juhtimissüsteem pardal oleva süsteemi terviklikkuse, atmosfääritingimused, aatomkellade andmed. ja muud parameetrid.GPS-i juhtimissegment jaguneb taas neljaks alamsüsteemiks: uus põhijuhtjaam (NMCS), alternatiivne põhijuhtjaam (AMCS), neli maapealset antenni (GA) ja ülemaailmne monitorijaamade võrk (MS). GPS-i satelliidi tähtkuju keskne juhtsõlm on põhijuhtjaam (MSC). See asub Colorado osariigis Schrieveri õhuväebaasis ja töötab ööpäevaringselt. Peajuhtimisjaama peamised kohustused on: satelliidi hooldus, koorma jälgimine, aatomkellade sünkroonimine, satelliidi manööverdamine, GPS-signaali jõudluse haldamine, navigatsioonisõnumite andmete üleslaadimine, tuvastamine. GPS -signalisatsiooni tõrked ja nendele reageerimine. On mitmeid monitorijaamu (MS), kuid kuus neist on olulised. Need asuvad Hawaiil, Colorado Springsis, Ascensioni saarel, Diego Garcias, Kwajaleinis ja Canaverali neemel. Need monitorijaamad jälgivad pidevalt satelliitide asukohta ja andmed saadetakse edasiseks analüüsiks põhijuhtimisjaama. Andmete satelliitidele edastamiseks on neli maapealset antenni (GA), mis asuvad Ascension Island, Cape Canaveral, Diego Garcia ja Kwajalein. Neid antenne kasutatakse andmete üleslinkimiseks satelliitidele ja andmed võivad olla mis tahes, näiteks kella korrigeerimine, telemeetriakäsud ja navigeerimissõnumid.Kasutajasegment GPS-süsteemi kasutajasegment koosneb tehnoloogia lõppkasutajatest, nagu tsiviilisikud ja sõjaväelased, täpse või standardse navigatsiooni jaoks. positsioneerimine ja ajastus. Üldjuhul peab kasutaja GPS -teenustele juurdepääsuks olema varustatud GPS -vastuvõtjatega, nagu eraldiseisvad GPS -moodulid, GPS -toega mobiiltelefonid ja spetsiaalsed GPS -konsoolid. Nende GPS -vastuvõtjatega saavad tsiviilkasutajad teada standardset asukohta, täpset aeg ja kiirus, samal ajal kui sõjavägi kasutab neid täpseks positsioneerimiseks, rakettide juhtimiseks, navigeerimiseks jne. GPS-i tööpõhimõte GPS-vastuvõtjate abil saame arvutada objekti asukoha kõikjal Maa peal kas kahe- või kolmemõõtmelises ruumis . Selleks kasutavad GPS-vastuvõtjad matemaatilist meetodit, mida nimetatakse trilateratsiooniks, mille abil saab määrata objekti asukoha, mõõtes objekti kaugust mõnest teisest objektist, mille asukoht on juba teada. Seega on GPS-vastuvõtjate puhul korras vastuvõtja asukoha väljaselgitamiseks peab vastuvõtja moodul teadma kahte järgmist asja:• satelliitide asukohta ruumis ja• satelliitide ja GPS-vastuvõtja vaheline kaugus satelliitide asukoha määramine, et määrata satelliitide asukoht. satelliitide puhul kasutavad GPS -vastuvõtjad kahte tüüpi andmeid, mida edastavad GPS -satelliidid: almanahhiandmed ja efemerisandmed. GPS -satelliidid edastavad pidevalt oma ligikaudset asukohta. Neid andmeid nimetatakse almanahhi andmeteks, mida perioodiliselt uuendatakse, kui satelliit liigub orbiidil. Need andmed võtab vastu GPS-vastuvõtja ja salvestatakse selle mällu. Almanahhi andmete abil saab GPS -vastuvõtja määrata satelliitide orbiidid ja ka need, kus satelliidid peaksid olema. Ruumi tingimusi ei saa ette ennustada ja on suur võimalus, et satelliidid võivad kõrvale kalduda nende tegelik tee. Põhijuhtjaam (MCS) koos spetsiaalsete monitorijaamadega (MS) jälgivad satelliitide liikumisteed koos muu teabega, nagu kõrgus, kiirus, orbiit ja asukoht. Kui mõnes parameetris on viga, korrigeeritakse andmeid. saadetakse satelliitidele, et need püsiksid õiges asendis. Neid orbiidiandmeid, mille MCS saadab satelliidile, nimetatakse Ephemeris Dataks. Satelliit korrigeerib nende andmete vastuvõtmisel oma asukohta ja saadab need andmed ka GPS-vastuvõtjasse. Mõlema andmete abil st. Almanahh ja Ephemeris, GPS-vastuvõtja saab kogu aeg teada satelliitide täpset asukohta.Satelliitide ja GPS-vastuvõtja vahelise kauguse määramineGPS-vastuvõtja ja satelliitide vahelise kauguse mõõtmiseks on aeg-kohal suur roll. Allpool on toodud valem satelliidi kauguse arvutamiseks GPS-vastuvõtjast: Kaugus = valguse kiirus x satelliidisignaali läbimise aeg Siin on transiidiaeg satelliidisignaali (signaal raadiolainete kujul, saatja GPS -vastuvõtjale), et jõuda vastuvõtjani. Valguse kiirus on konstantne väärtus ja võrdne C = 3 x 108 m/s. Aja arvutamiseks peame kõigepealt mõistma satelliidi saadetud signaali. Satelliidi poolt edastatavat ümberkodeeritud signaali nimetatakse pseudojuhuslikuks müraks (PRN). Kuna satelliit genereerib selle koodi ja alustab saatmist, hakkab ka GPS -vastuvõtja sama koodi genereerima ja proovib neid sünkroonida. Seejärel arvutab GPS -vastuvõtja, kui kaua vastuvõtja loodud kood peab enne edastatava satelliidiga sünkroonimist läbima. kood.Kui on teada satelliitide asukoht ja nende kaugus GPS-vastuvõtjast, saab GPS-vastuvõtja asukoha teada saada kas 2D-ruumis või 3D-ruumis järgmise meetodi abil.Vastuvõtja asukoht 2D-tasandil objekti või GPS-vastuvõtja asukoha leidmiseks 2 – Mõõtmeruum st XY lennukiga, peame leidma vaid kauguse GPS-vastuvõtja ja kahe satelliidi vahel. Olgu D1 ja D2 vastuvõtja kaugus vastavalt satelliidist 1 ja satelliidist 2. Nüüd, kui satelliidid on keskel ja raadius D1 ja D2, joonistage nende ümber XY tasapinnal kaks ringi. Selle juhtumi pilt on näidatud järgmisel pildil. Ülaltoodud pildi põhjal on selge, et GPS-vastuvõtja võib asuda mõlemas punktis, kus kaks ringi ristuvad. Kui satelliitide kohal olev ala on välistatud, saame määrata GPS-vastuvõtja asukoha satelliitide all olevate ringide lõikepunktis. Kahe satelliidi kaugusteave on piisav, et määrata GPS-vastuvõtja asukoht. 2-D või XY lennuk. Kuid tegelik maailm on kolmemõõtmeline ruum ja peame kindlaks määrama GPS -vastuvõtja kolmemõõtmelise asukoha, st selle laius-, pikkus- ja kõrguskraad. Näeme samm-sammult protseduuri GPS-vastuvõtja 3-mõõtmelise asukoha määramiseks. Vastuvõtja asukoht 3D-ruumis Oletame, et satelliitide asukohad GPS-vastuvõtja suhtes on juba teada. Kui satelliit 1 on vastuvõtjast D1 kaugusel, siis on selge, et vastuvõtja asukoht võib olla ükskõik millisel sfääri pinnal, mille keskpunkt on satelliit 1 ja selle raadius D1. teine ​​satelliit (satelliit 2) vastuvõtjast on D2, siis saab vastuvõtja asukohta piirata ringiga, mis moodustub kahe sfääri raadiusega D1 ja D2 ristumiskohast vastavalt satelliitidega 1 ja 2 keskpunktis. Sellest pildist , saab GPS-vastuvõtja asukohta kitsendada kuni ristumisringi punktini. Kui lisada olemasolevatele kahele satelliidile kolmas satelliit (satelliit 3), mille kaugus on D3 GPS -vastuvõtjast, siis piirdub vastuvõtja asukoht kolme sfääri ristumiskohaga, st üks kahest punktist. Reaalajas ei ole GPS-vastuvõtja ebaselgus, mis asub ühes kahest positsioonist, elujõuline. Seda saab lahendada neljanda satelliidi (satelliit 4) kasutuselevõtuga, mille kaugus vastuvõtjast on D4. Neljas satelliit suudab määrata GPS-vastuvõtja asukoha kahest võimalikust asukohast, mis määrati varem ainult kolme satelliidiga. Seega on objekti täpse asukoha määramiseks reaalajas vaja vähemalt 4 satelliiti. Praktiliselt töötab GPS-süsteem nii, et igal pool Maa peal asuvale objektile (GPS-vastuvõtjale) on alati nähtavad vähemalt 6 satelliiti. Tüübid GPS-vastuvõtjate kohta GPS-i kasutavad nii tsiviilisikud kui ka sõjaväelased. Seega saab GPS-vastuvõtjate tüübid liigitada tsiviil-GPS-vastuvõtjateks ja sõjaväelisteks GPS-vastuvõtjateks. Kuid standardne klassifitseerimisviis põhineb koodi tüübil, mida vastuvõtja suudab tuvastada. Põhimõtteliselt on GPS-satelliidil kahte tüüpi koode: jäme saamise kood (C/A kood) ja P - kood. Tarbijate GPS-vastuvõtja seadmed suudavad tuvastada ainult C/A-koodi. See kood ei ole täpne ja seetõttu nimetatakse tsiviilpositsioneerimissüsteemi standardseks positsioneerimisteenuseks (SPS). Seevastu sõjavägi kasutab P -koodi ja on väga täpne kood. Sõjaväes kasutatav positsioneerimissüsteem kannab nime Precise Positioning Service (PPS). GPS-vastuvõtjaid saab klassifitseerida nende signaalide dekodeerimise võime alusel. Teine viis kaubanduslikult saadavate GPS-vastuvõtjate klassifitseerimiseks põhineb signaalide vastuvõtmise võimel. Seda meetodit kasutades saab GPS-vastuvõtjad jagada järgmisteks osadeks: Üksik – sageduskoodi vastuvõtjad – sageduskandja – silutud koodi vastuvõtjad – sageduskoodi ja kandja vastuvõtjad kaheks – sagedusvastuvõtjad; globaalse positsioneerimissüsteemi (GPS) rakendused. GPS on muutunud globaalse infrastruktuuri oluliseks osaks, sarnane Internetiga. GPS on olnud võtmeelemendiks paljude rakenduste väljatöötamisel, mis levivad tänapäeva elu erinevates aspektides. Suuremahulise tootmise kasv ja komponentide miniaturiseerimine on vähendanud GPS-vastuvõtjate hinda. Allpool on toodud väike nimekiri rakendustest, kus GPS mängib olulist rolli. Kaasaegne põllumajandus on GPS -i abil tootmist suurendanud. Põllumajandustootjad kasutavad GPS-tehnoloogiat koos kaasaegsete elektroonikaseadmetega, et saada täpset teavet põllu pindala, keskmise saagi, kütusekulu, läbitud vahemaa jne kohta. Autode valdkonnas kasutatakse automatiseeritud juhitavaid sõidukeid kõige sagedamini tööstus- või tarbijarakendustes. GPS võimaldab nendel sõidukitel navigeerida ja positsioneerida. Tsiviilid kasutavad navigeerimiseks GPS-vastuvõtjaid. GPS-vastuvõtja võib olla spetsiaalne moodul või mobiiltelefonide ja käekellade sisseehitatud moodul. Need on väga abiks matkamisel, maanteereisidel, autojuhtimisel jne. Lisavõimalused hõlmavad sõiduki täpset aega ja kiirust. Hädaabiteenused, nagu tuletõrje ja kiirabi, saavad katastroofi asukoha GPS -i abil täpselt kindlaks määrata ja suudavad õigeaegselt reageerida. Sõjavägi kasutab navigeerimiseks, sihtmärgi jälgimiseks, raketiks ülitäpseid GPS -vastuvõtjaid juhtimissüsteemid jne. On palju muid rakendusi, kus GPS-i kasutatakse või tulevikus kasutatakse laialdaselt.Seotud postitused: Traadita side: Sissejuhatus, tüübid ja rakendusedMultiplekser ja DemultiplekserMiks teie Internet katkeb pidevalt? Manustatud C-programmi põhitõedMis on MEMS-andurid?

Jäta sõnum 

Sõnumite nimekiri