Ce este sistemul de poziționare globală? Înțelegerea GPS-ului

Sistemul de poziționare globală sau GPS este un sistem global de navigație prin satelit (GNSS) care oferă poziționare, navigare și sistem de sincronizare (PNT). A fost dezvoltat de Departamentul Apărării al Statelor Unite (SUA DoD) la începutul anilor 1970. Există și alte sisteme de navigație bazate pe satelit, cum ar fi GLONASS din Rusia, Galileo din Europa și BeiDou din China, dar Sistemul de poziționare globală (GPS) al Statelor Unite și Sistemul global de navigație prin satelit (GLONASS) din Rusia sunt singurele bazate pe satelit complet funcționale. Sistem de navigație cu 32 de constelații de satelit și, respectiv, 27 de constelații de satelit. Înainte de dezvoltarea tehnologiei GPS, principalul ajutor pentru navigație (pe mare, pe uscat sau pe apă) sunt hărțile și busola. Odată cu introducerea GPS-ului, navigarea și poziționarea locației au devenit foarte ușoare cu o precizie a poziției de doi metri sau mai puțin. Receptor în plan 2-D Poziția receptorului în spațiu 3D Tipuri de receptoare GPS Aplicații ale sistemului de poziționare globală (GPS) Istoricul GPS Înainte de dezvoltarea GPS, sisteme de navigație la sol precum LORAN (Long Range Navigation) de către SUA și Decca Navigator System de către Marea Britanie sunt principalele tehnologii pentru navigație. Ambele tehnici se bazează pe valurile radio, iar razele de acțiune erau limitate la câteva sute de kilometri. (DoT), împreună cu alte câteva organizații, au început să dezvolte un sistem de navigație bazat pe satelit, cu scopul de a oferi o precizie ridicată, o funcționare independentă de vreme și o acoperire globală. Acest sistem a fost dezvoltat mai întâi ca un sistem militar pentru a satisface nevoile militarilor Statelor Unite. SUA Militarii au folosit NAVSTAR pentru navigație, precum și pentru sistemele de direcționare a sistemelor de arme și de rachetă. Posibilitatea ca inamicii să folosească acest sistem de navigație împotriva Statelor Unite este principalul motiv pentru care civililor nu li s-a dat acces la el. Primul satelit NAVSTAR a fost lansat în 1978 și până în 1994 a fost plasată pe orbită o constelație completă de 24 de sateliți, făcând astfel este complet operațional.În 1996, SUA Guvernul a recunoscut importanța GPS-ului pentru civili și a declarat un sistem cu dublă utilizare, permițând accesul atât la militari, cât și la civili. câțiva sateliți care sunt observați simultan. Pozițiile acestor sateliți sunt deja cunoscute și, prin urmare, prin măsurarea distanței dintre patru dintre acești sateliți și receptor, cele trei coordonate ale poziției receptorului GPS, adică se pot stabili latitudinea, longitudinea și altitudinea. Deoarece schimbarea poziției receptorului poate fi determinată foarte precis, se poate determina și viteza receptorului. Segment. În acest sens, segmentul de control și segmentul spațial sunt dezvoltate, operate și întreținute de Forțele Aeriene ale Statelor Unite. Următoarea imagine prezintă cele trei segmente ale sistemului GPS. Segment spațial Segmentul spațial (SS) al GPS constă dintr-o constelație de 24 de sateliți care orbitează în jurul Pământului în orbite aproximativ circulare. Sateliții sunt așezați în șase planuri orbitale, fiecare plan orbital fiind format din patru sateliți. Înclinarea planurilor orbitale și poziționarea sateliților este aranjată într-un mod particular, astfel încât cel puțin șase sateliți să fie întotdeauna în linie de vedere din orice locație de pe Pământ. Venind la dispunerea constelației în spațiu, Sateliții sunt plasați pe orbita medie a pământului (MEO) la o altitudine de aproximativ 20,000 KM. Pentru a crește redundanța și a îmbunătăți acuratețea, numărul total de sateliți GPS din constelație a fost crescut la 32, dintre care 31 de sateliți sunt operaționali. și stații de urmărire. Sarcina principală a segmentului de control este de a urmări poziția sateliților GPS și de a le menține pe orbite adecvate cu ajutorul comenzilor de manevrare. În plus, sistemul de control determină și menține integritatea sistemului la bord, condițiile atmosferice, datele de la ceasurile atomice. Segmentul de control GPS este din nou împărțit în patru subsisteme: o nouă stație de control master (NMCS), o stație alternativă de control master (AMCS), patru antene la sol (GA) și o rețea mondială de stații de monitorizare (MS). Nodul central de control pentru GPS Satellite Constellation este Master Control Station (MSC). Acesta se află la baza aeriană Schriever, Colorado și operează 24 × 7. Principalele responsabilități ale stației de control master sunt: ​​întreținerea prin satelit, monitorizarea sarcinii utile, sincronizarea ceasurilor atomice, manevrarea prin satelit, gestionarea performanței semnalului GPS, încărcarea datelor mesajelor de navigare, detectarea Eșecuri de semnalizare GPS și răspuns la aceste eșecuri. Există mai multe stații de monitorizare (MS), dar șase dintre ele sunt importante. Acestea sunt situate în Hawaii, Colorado Springs, Insula Ascension, Diego Garcia, Kwajalein și Cape Canaveral. Aceste stații de monitorizare urmăresc continuu poziția sateliților, iar datele sunt trimise la Master Control Station pentru analize ulterioare. Kwajalein. Aceste antene sunt utilizate pentru legarea în sus a datelor către sateliți, iar datele pot fi cum ar fi corectarea ceasului, comenzile de telemetrie și mesajele de navigație. poziționare și sincronizare. În general, pentru a accesa serviciile GPS, utilizatorul trebuie să fie echipat cu receptoare GPS cum ar fi module GPS autonome, telefoane mobile care sunt activate GPS și console dedicate GPS. Cu aceste receptoare GPS, utilizatorii civili pot cunoaște poziția standard, exactă timpul și viteza în timp ce armata le folosește pentru poziționarea precisă, ghidarea rachetelor, navigația etc. Principiul de lucru al GPS Cu ajutorul receptorilor GPS, putem calcula poziția unui obiect oriunde pe Pământ, fie în spațiu bidimensional, fie tridimensional. . Pentru aceasta, receptoarele GPS folosesc o metodă matematică numită Trilateration, o metodă prin care poziția unui obiect poate fi determinată prin măsurarea distanței dintre obiect și câteva alte obiecte cu poziții deja cunoscute. Deci, în cazul receptorilor GPS, pentru pentru a afla locația receptorului, modulul receptor trebuie să cunoască următoarele două lucruri:• Locația sateliților în spațiu și• Distanța dintre sateliți și receptorul GPSDeterminarea locației sateliților Pentru a determina locația sateliților. receptorii GPS utilizează două tipuri de date transmise de sateliții GPS: datele almanahului și datele efemeride. Sateliții GPS transmit în mod continuu poziția sa aproximativă. Aceste date se numesc date Almanah, care sunt actualizate periodic pe măsură ce satelitul se deplasează pe orbită. Aceste date sunt primite de receptorul GPS și stocate în memoria acestuia. Cu ajutorul datelor Almanah, receptorul GPS poate fi capabil să determine orbitele sateliților și, de asemenea, unde ar trebui să fie sateliții. Condițiile din spațiu nu pot fi prezise și există o mare șansă ca sateliții să se abată de la calea lor reală. Master Control Station (MCS) împreună cu stațiile de monitorizare dedicate (MS) urmăresc traseul sateliților împreună cu alte informații precum altitudine, viteză, orbită și locație. Dacă există vreo eroare în oricare dintre parametri, datele corectate sunt trimise sateliților, astfel încât aceștia să rămână în poziția exactă. Aceste date orbitale trimise de MCS către satelit se numesc Ephemeris Data. La primirea acestor date, satelitul își corectează poziția și, de asemenea, trimite aceste date către receptorul GPS. Cu ajutorul ambelor date, adică Almanah și efemeridă, receptorul GPS poate cunoaște poziția exactă a sateliților, tot timpul. Determinarea distanței dintre sateliți și receptorul GPS Pentru a măsura distanța dintre receptorul GPS și sateliți, timpul ocupă un rol major. Formula pentru calcularea distanței satelitului de la receptorul GPS este dată mai jos: Distanța = viteza luminii x timpul de tranzit al semnalului satelit Aici, timpul de tranzit este timpul luat de semnalul satelit (semnal sub formă de unde radio, trimis de satelit către receptorul GPS) pentru a ajunge la receptor.Viteza luminii este o valoare constantă și este egală cu C = 3 x 108 m/s. Pentru a calcula timpul, mai întâi trebuie să înțelegem semnalul trimis de satelit. Semnalul transcodat transmis de satelit se numește Pseudo Random Noise (PRN). Pe măsură ce satelitul generează acest cod și începe să transmită, receptorul GPS începe să genereze același cod și încearcă să le sincronizeze. Receptorul GPS calculează apoi timpul de întârziere pe care trebuie să-l treacă codul generat de receptor înainte de a fi sincronizat cu satelitul transmis. După ce se cunoaște locația sateliților și distanța lor față de receptorul GPS, aflarea poziției receptorului GPS fie în spațiul 2D, fie în spațiul 3D se poate face folosind următoarea metodă. pentru a găsi poziția obiectului sau a receptorului GPS în spațiul 2 - dimensional, adică un avion XY, tot ce trebuie să găsim este distanța dintre receptorul GPS și doi dintre sateliți. Fie D1 și D2 distanța receptorului de la satelitul 1 și respectiv satelitul 2. Acum, cu sateliții în centru și o rază de D1 și D2, trasați două cercuri în jurul lor pe un plan XY. Reprezentarea picturală a acestui caz este prezentată în imaginea următoare. Din imaginea de mai sus, este clar că Receptorul GPS poate fi localizat în oricare dintre cele două puncte în care cele două cercuri se intersectează. Dacă zona de deasupra sateliților este exclusă, putem fixa punctul de poziție a receptorului GPS în punctul de intersecție a cercurilor de sub sateliți. Informațiile despre distanță de la doi sateliți sunt suficiente pentru a determina poziția receptorului GPS în un plan 2-D sau XY. Dar lumea reală este un spațiu tridimensional și trebuie să determinăm poziția tridimensională a receptorului GPS, adică latitudinea, longitudinea și altitudinea acestuia. Vom vedea o procedură pas cu pas pentru a determina locația tridimensională a receptorului GPS. Poziția receptorului în spațiul 3D Să presupunem că locațiile sateliților față de receptorul GPS sunt deja cunoscute. Dacă satelitul 1 se află la o distanță de D1 de receptor, atunci este clar că poziția receptorului poate fi oriunde din suprafața sferei care este formată cu satelitul 1 ca centru și D1 ca raza sa. un al doilea satelit (Satelit 2) de la receptor este D2, atunci poziția receptorului poate fi limitată la cercul format de intersecția a două sfere cu razele D1 și D2 cu Sateliții 1 și respectiv 2 din centre. , poziția receptorului GPS poate fi restrânsă până la un punct de pe cercul de intersecție. Dacă adăugăm un al treilea satelit (Satelitul 3) cu o distanță D3 de la receptorul GPS la cei doi sateliți existenți, atunci locația receptorului este limitată la intersecția celor trei sfere, adică oricare dintre cele două puncte. În situații în timp real, având ambiguitatea receptorului GPS situat într-una din cele două poziții nu este viabilă. Acest lucru poate fi rezolvat prin introducerea unui al patrulea satelit (Satelit 4) cu o distanță D4 de la receptor. Prin urmare, în timp real, sunt necesari minimum 4 sateliți pentru a determina locația exactă a obiectului. Practic, sistemul GPS funcționează astfel încât cel puțin 6 sateliți să fie întotdeauna vizibili pentru un obiect (receptor GPS) situat oriunde pe Pământ. de receptoare GPS GPS-ul este utilizat atât de civili, cât și de militari. Prin urmare, tipurile de receptor GPS pot fi clasificate în Receptoare GPS civile și Receptoare GPS militare. Dar modul standard de clasificare se bazează pe tipul de cod pe care receptorul îl poate detecta. Practic, există două tipuri de coduri pe care le transmite un satelit GPS: Codul de achiziție grosieră (Codul C / A) și Codul P. Unitățile de recepție GPS pentru consumatori pot detecta doar codul C / A. Acest cod nu este corect și, prin urmare, sistemul civil de poziționare se numește Serviciul de poziționare standard (SPS). Codul P, pe de altă parte, este utilizat de militari și este un cod extrem de precis. Sistemul de poziționare folosit de militari se numește Serviciul de poziționare precisă (PPS). Receptoarele GPS pot fi clasificate pe baza capacității de decodare a acestor semnale. O altă modalitate de clasificare a receptoarelor GPS disponibile comercial se bazează pe capacitatea de recepție a semnalelor. Utilizând această metodă, receptoarele GPS pot fi împărțite în: Receptoare de coduri de frecvență unice - Receptor de frecvență - Receptoare de cod netezite Singur - Receptoare de coduri de frecvență și receptoare Dual - Receptoare de frecvență Aplicații ale sistemului de poziționare globală (GPS) GPS a devenit o parte esențială a infrastructurii globale, similar cu Internetul. GPS-ul a fost elementul cheie în dezvoltarea unei game largi de aplicații răspândite în diferite aspecte ale vieții moderne. Creșterea producției la scară largă și miniaturizarea componentelor a redus prețul receptoarelor GPS. O listă mică de aplicații în care GPS-ul joacă un rol important este menționată mai jos. Agricultura modernă a cunoscut o creștere a producției cu ajutorul GPS-ului. Fermierii folosesc tehnologia GPS împreună cu dispozitive electronice moderne pentru a obține informații precise despre suprafața câmpului, randamentul mediu, consumul de combustibil, distanța parcursă etc. În domeniul automobilelor, vehiculele cu ghid automat sunt cele mai des folosite în aplicațiile industriale sau de consum. GPS-ul permite aceste vehicule în navigație și poziționare. Civilii folosesc receptoare GPS în scop de navigație. Receptorul GPS poate fi un modul dedicat sau un modul încorporat în telefoanele mobile și ceasurile de mână. Acestea sunt foarte utile în drumeții, excursii pe șosea, conducere etc. Caracteristicile suplimentare includ ora și viteza exactă a vehiculului. Serviciile de urgență precum pompierii și ambulanța beneficiază de poziționarea precisă a locației dezastrului prin GPS și pot fi capabile să răspundă la timp. sisteme de ghidare etc. Există numeroase alte aplicații în care GPS-ul este utilizat sau un domeniu imens de utilizare în viitor.

Lăsaţi un mesaj 

Lista de mesaje