Mikä on globaali paikannusjärjestelmä? GPS: n ymmärtäminen

Global Positioning System tai GPS on Global Navigation Satellite System (GNSS), joka tarjoaa paikannus-, navigointi- ja ajoitusjärjestelmän (PNT). Sen on kehittänyt Yhdysvaltain puolustusministeriö (USA) On olemassa muita satelliittinavigointijärjestelmiä, kuten Venäjän GLONASS, Euroopan Galileo ja Kiinan BeiDou, mutta Yhdysvaltain globaali paikannusjärjestelmä (GPS) ja Venäjän maailmanlaajuinen satelliittinavigointijärjestelmä (GLONASS) ovat ainoita täysin toimivia satelliittipohjaisia ​​järjestelmiä. Navigointijärjestelmä, jossa on 1970 satelliittikonstellaatiota ja 32 satelliittikonstellaatiota. Ennen GPS-tekniikan kehitystä päänavigoinnin apuväline (merellä, maalla tai vedessä) olivat kartat ja kompassi. GPS:n käyttöönoton myötä navigoinnista ja sijainnin määrittämisestä tuli erittäin helppoa kahden metrin tai pienemmällä sijainnin tarkkuudella. GPSGPS:n rakenteen yleiskatsausGPS-segmentitAvaruussegmenttiohjaussegmenttiKäyttäjäsegmentti GPS:n toimintaperiaate Satelliittien sijainnin määrittäminen Satelliittien ja GPS-vastaanottimen sijainnin välisen etäisyyden määrittäminen Vastaanotin 2-D-tasossa Vastaanottimen sijainti 3D-avaruudessa GPS-vastaanottimien tyypit Globaalin paikannusjärjestelmän (GPS) sovellukset GPS-historia Ennen GPS: n kehittämistä, maanpäälliset navigointijärjestelmät, kuten LORAN (Long Range Navigation) Yhdysvalloissa ja Decca Navigator System Iso-Britanniasta ovat navigoinnin tärkeimmät tekniikat. Molemmat tekniikat perustuvat radioaaltoihin ja kantomatka rajoittui muutamiin satoihin kilometreihin. 1960 -luvun alussa kolme Yhdysvaltain hallitusorganisaatiota eli National Aeronautics and Space Administration (NASA), Defence Department (DoD) ja Department of Transportation (DoT) yhdessä useiden muiden organisaatioiden kanssa alkoivat kehittää satelliittipohjaista navigointijärjestelmää, jonka tavoitteena on tarjota suuri tarkkuus, säästä riippumaton toiminta ja maailmanlaajuinen kattavuus. Tämä järjestelmä kehitettiin ensin sotilasjärjestelmäksi täyttämään Yhdysvaltain armeijan tarpeet. Yhdysvallat Armeijassa käytetty NAVSTAR navigointiin sekä asejärjestelmien kohdistamiseen ja ohjusten ohjausjärjestelmiin. Mahdollisuus, että viholliset käyttävät tätä navigointijärjestelmää Yhdysvaltoja vastaan, on tärkein syy siihen, miksi siviileille ei annettu pääsyä siihen. Ensimmäinen NAVSTAR-satelliitti laukaistiin vuonna 1978, ja vuoteen 1994 mennessä kiertoradalle asetettiin 24 satelliitin täysi konstellaatio ja näin ollen se on täysin toiminnassa. vuonna 1996 Yhdysvallat Hallitus tunnusti GPS: n tärkeyden siviileille ja julisti kaksikäyttöisen järjestelmän, joka mahdollistaa pääsyn sekä armeijalle että siviilille. GPS -rakenteen yleiskatsaus Satelliittipohjaisen navigointijärjestelmän Global Positioning System (GPS) perustekniikka on mitata vastaanottimen ja Näiden satelliittien sijainnit ovat jo tiedossa ja siten mittaamalla neljän näiden satelliittien ja vastaanottimen välinen etäisyys, GPS -vastaanottimen sijainnin kolme koordinaattia, esim. leveys-, pituus- ja korkeus voidaan määrittää. Koska vastaanottimen asennon muutos voidaan määrittää erittäin tarkasti, myös vastaanottimen nopeus voidaan määrittää. Segmentti. Tässä Yhdysvaltain ilmavoimat kehittävät, käyttävät ja ylläpitävät ohjaussegmenttiä ja avaruussegmenttiä. Seuraavassa kuvassa näkyy GPS-järjestelmän kolme segmenttiä.Avaruussegmentti GPS:n avaruussegmentti (SS) koostuu 24 satelliitin tähdistöstä, jotka kiertävät Maata suunnilleen ympyrän muotoisilla kiertoradoilla. Satelliitit on sijoitettu kuuteen kiertoratatasoon, joista jokainen koostuu neljästä satelliitista. Ratatasojen kaltevuus ja satelliittien sijainti on järjestetty tietyllä tavalla siten, että vähintään kuusi satelliittia on aina näköetäisyydellä mistä tahansa paikasta maapallolla. Konstellaatioiden sijoittumiseen avaruudessa GPS Satelliitit sijoitetaan Medium Earth Orbit -kiertoradalle (MEO) noin 20,000 XNUMX km:n korkeuteen. Redundanssin lisäämiseksi ja tarkkuuden parantamiseksi GPS-satelliittien kokonaismäärä tähdistössä on nostettu 32:een, joista 31 on toiminnassa. Ohjaussegmentti GPS:n ohjaussegmentti (CS) koostuu maailmanlaajuisesta valvonta- ja ohjausverkostosta ja seuranta -asemat. Ohjaussegmentin ensisijaisena tehtävänä on seurata GPS-satelliittien sijaintia ja ylläpitää niitä oikeilla kiertoradoilla ohjauskomentojen avulla. Lisäksi ohjausjärjestelmä määrittää ja ylläpitää myös aluksen järjestelmän eheyttä, ilmakehän olosuhteita, atomikellojen tietoja. ja muut parametrit. GPS-ohjaussegmentti on jaettu jälleen neljään alajärjestelmään: uusi pääohjausasema (NMCS), vaihtoehtoinen pääohjausasema (AMCS), neljä maaantennia (GA) ja maailmanlaajuinen valvonta-asemien verkko (MS). GPS-satelliittikonstellaation keskusohjaussolmu on Master Control Station (MSC). Se sijaitsee Schrieverin ilmavoimien tukikohdassa, Coloradossa, ja se toimii ympäri vuorokauden. Pääohjausaseman päävastuut ovat: Satelliittien huolto, hyötykuorman valvonta, atomikellojen synkronointi, satelliitin ohjailu, GPS-signaalin suorituskyvyn hallinta, navigointiviestitietojen lataaminen, havaitseminen GPS-signalointihäiriöt ja niihin vastaaminen. Monitoriasemia (MS) on useita, mutta kuusi niistä on tärkeitä. Ne sijaitsevat Havaijilla, Colorado Springsissä, Ascension Islandissa, Diego Garciassa, Kwajaleinissa ja Cape Canaveralissa. Nämä valvonta -asemat seuraavat jatkuvasti satelliittien sijaintia ja tiedot lähetetään pääohjausasemalle jatkoanalyysiä varten. Tietojen siirtämiseksi satelliiteille on neljä maa -antennia (GA), jotka sijaitsevat Ascension Island, Cape Canaveral, Diego Garcia ja Kwajalein. Näitä antenneja käytetään datan siirtämiseen satelliitteihin, ja data voi olla mitä tahansa, kuten kellon korjaus, telemetriakomennot ja navigointiviestit. sijainti ja ajoitus. Yleensä GPS -palvelujen käyttämiseksi käyttäjällä on oltava GPS -vastaanottimet, kuten erilliset GPS -moduulit, matkapuhelimet, jotka ovat GPS -yhteensopivia, ja omistetut GPS -konsolit. Näiden GPS -vastaanottimien avulla siviilikäyttäjät voivat tietää vakioaseman aikaa ja nopeutta, kun armeija käyttää niitä tarkkaan paikannukseen, ohjusohjaukseen, navigointiin jne. GPS: n toimintaperiaate . Tätä varten GPS -vastaanottimet käyttävät matemaattista menetelmää nimeltä Trilateration - menetelmä, jolla kohteen sijainti voidaan määrittää mittaamalla etäisyys kohteen ja muutaman muun kohteen välillä, joilla on jo tunnetut sijainnit. vastaanottimen sijainnin selvittämiseksi vastaanotinmoduulin on tiedettävä seuraavat kaksi asiaa: • satelliittien sijainti avaruudessa ja • satelliittien ja GPS -vastaanottimen välinen etäisyys satelliittien sijainnin määrittäminen GPS -vastaanottimet hyödyntävät kahdenlaisia ​​GPS -satelliittien lähettämiä tietoja: Almanac Data ja Ephemeris Data. GPS -satelliitit lähettävät jatkuvasti likimääräisen sijaintinsa. Näitä tietoja kutsutaan Almanakka-tiedoiksi, joita päivitetään säännöllisesti satelliitin liikkuessa kiertoradalla. GPS-vastaanotin vastaanottaa nämä tiedot ja tallentaa sen muistiin. Almanakkatietojen avulla GPS-vastaanotin pystyy määrittämään satelliittien kiertoradat ja myös sen, missä satelliittien oletetaan olevan. Avaruuden olosuhteita ei voida ennustaa ja on suuri mahdollisuus, että satelliitit saattavat poiketa heidän todellinen polkunsa. Master Control Station (MCS) ja omistetut monitoriasemat (MS) seuraavat satelliittien reittiä muiden tietojen, kuten korkeuden, nopeuden, kiertoradan ja sijainnin, kanssa. Jos jossakin parametrissa on virhe, korjatut tiedot lähetetään satelliiteille, jotta ne pysyvät tarkassa paikassa. Tätä MCS:n satelliitille lähettämää ratatietoa kutsutaan Ephemeris Dataksi. Kun satelliitti vastaanottaa nämä tiedot, se korjaa sijaintinsa ja lähettää nämä tiedot myös GPS -vastaanottimelle. Almanakka ja Ephemeris, GPS-vastaanotin voi tietää satelliittien tarkan sijainnin koko ajan. Satelliittien ja GPS-vastaanottimen välisen etäisyyden määrittäminen GPS-vastaanottimen ja satelliittien välisen etäisyyden mittaamiseksi aikapaikalla on tärkeä rooli. Alla on kaava satelliitin etäisyyden laskemiseksi GPS -vastaanottimesta: Etäisyys = valon nopeus x satelliittisignaalin siirtoaika Tässä siirtymäaika on satelliittisignaalin (radioaaltojen muodossa oleva aika, Valon nopeus on vakioarvo ja yhtä suuri kuin C = 3 x 108 m/s. Ajan laskemiseksi meidän on ensin ymmärrettävä satelliitin lähettämä signaali. Satelliitin lähettämää transkoodattua signaalia kutsutaan pseudo-satunnaiskohinaksi (PRN). Kun satelliitti luo tämän koodin ja alkaa lähettää, myös GPS-vastaanotin alkaa generoida samaa koodia ja yrittää synkronoida ne. GPS-vastaanotin laskee sitten viiveen, jonka vastaanottimen luoman koodin on kestettävä ennen kuin se synkronoituu lähetettävän satelliitin kanssa. Kun satelliittien sijainti ja niiden etäisyys GPS-vastaanottimesta tiedetään, GPS-vastaanottimen sijainnin selvittäminen joko 2D- tai 3D-tilassa voidaan tehdä seuraavalla menetelmällä. löytääksesi kohteen tai GPS -vastaanottimen sijainnin 2 -ulotteisessa tilassa, esim XY-lentokoneen, meidän tarvitsee vain löytää GPS-vastaanottimen ja kahden satelliitin välinen etäisyys. Olkoon D1 ja D2 vastaanottimen etäisyys satelliitista 1 ja satelliitista 2 vastaavasti. Nyt, kun satelliitit ovat keskellä ja säde D1 ja D2, piirrä kaksi ympyrää niiden ympärille XY -tasolle. Tämän tapauksen kuvallinen esitys näkyy seuraavassa kuvassa. Yllä olevasta kuvasta käy selvästi ilmi, että GPS -vastaanotin voi sijaita kummassakin kahdessa ympyrän leikkauspisteessä. Jos satelliittien yläpuolella oleva alue on poissuljettu, voimme määrittää GPS-vastaanottimen sijainnin satelliittien alla olevien ympyröiden leikkauspisteeseen. Kahden satelliitin etäisyystiedot riittävät GPS-vastaanottimen sijainnin määrittämiseen. 2-D- tai XY-taso. Todellinen maailma on kuitenkin kolmiulotteinen avaruus, ja meidän on määritettävä GPS -vastaanottimen kolmiulotteinen sijainti, ts. sen leveysaste, pituusaste ja korkeus. Näemme vaiheittaisen menettelyn GPS-vastaanottimen 3-ulotteisen sijainnin määrittämiseksi. Vastaanottimen sijainti 3D-avaruudessa Oletetaan, että satelliittien sijainnit suhteessa GPS-vastaanottimeen ovat jo tiedossa. Jos satelliitti 1 on D1:n etäisyydellä vastaanottimesta, on selvää, että vastaanottimen sijainti voi olla missä tahansa sen pallon pinnalla, joka muodostuu satelliitti 1:n keskipisteestä ja D1:n säteestä. toinen satelliitti (satelliitti 2) vastaanottimesta on D2, jolloin vastaanottimen sijainti voidaan rajoittaa ympyrään, joka muodostuu kahden pallon, joiden säteet ovat D1 ja D2, ja satelliittien 1 ja 2 keskipisteessä leikkaus. Tästä kuvasta , GPS -vastaanottimen sijaintia voidaan kaventaa leikkauspisteen pisteeseen. Jos lisäämme kolmannen satelliitin (satelliitti 3) etäisyydellä D3 GPS -vastaanottimesta olemassa oleviin kahteen satelliittiin, vastaanottimen sijainti rajoittuu kolmen pallon leikkauspisteeseen, ts. jompikumpi kahdesta pisteestä. Reaaliaikaisissa tilanteissa GPS-vastaanottimen epäselvyys ei ole mahdollista sijoittaa yhteen kahdesta sijainnista. Tämä voidaan ratkaista ottamalla käyttöön neljäs satelliitti (satelliitti 4), jonka etäisyys D4 on vastaanottimesta. Neljäs satelliitti pystyy osoittamaan GPS -vastaanottimen sijainnin kahdesta mahdollisesta paikasta, jotka määritettiin aiemmin vain kolmella satelliitilla. Siksi reaaliajassa tarvitaan vähintään 4 satelliittia kohteen tarkan sijainnin määrittämiseen. Käytännössä GPS-järjestelmä toimii siten, että vähintään 6 satelliittia on aina nähtävissä missä tahansa maapallolla sijaitsevalle objektille (GPS-vastaanotin). GPS-vastaanottimien GPS:ää käyttävät sekä siviilit että sotilaat. Näin ollen GPS -vastaanottimien tyypit voidaan luokitella siviili -GPS -vastaanottimiin ja armeijan GPS -vastaanottimiin. Tavallinen luokittelutapa perustuu kuitenkin koodityyppiin, jonka vastaanotin pystyy havaitsemaan. Periaatteessa GPS -satelliitin lähettämiä koodityyppejä on kahdenlaisia: karkea hankintakoodi (C/A -koodi) ja P -koodi. Kuluttaja -GPS -vastaanotinyksiköt voivat tunnistaa vain C/A -koodin. Tämä koodi ei ole tarkka, ja siksi siviilipaikannusjärjestelmää kutsutaan nimellä Standard Positioning Service (SPS). P-koodia taas käyttää armeija ja se on erittäin tarkka koodi. Armeijan käyttämää paikannusjärjestelmää kutsutaan nimellä Precise Positioning Service (PPS). GPS -vastaanottimet voidaan luokitella niiden signaalien purkamisen perusteella, ja toinen tapa luokitella kaupallisesti saatavilla olevat GPS -vastaanottimet perustuu signaalien vastaanottamiseen. Tällä menetelmällä GPS-vastaanottimet voidaan jakaa: Yksittäinen – Taajuuskoodivastaanottimia Yksittäinen – Taajuuskantoaalto – Tasoitettu koodivastaanottimet Yksittäinen – Taajuuskoodi- ja kantoaaltovastaanottimia Kaksi – Taajuusvastaanottimet Global Positioning Systemin (GPS) sovellukset GPS:stä on tullut olennainen osa maailmanlaajuista infrastruktuuria, samanlainen kuin Internet. GPS on ollut avaintekijä kehitettäessä monenlaisia ​​sovelluksia, jotka leviävät nykyajan eri osa -alueille. Laajamittainen valmistus ja komponenttien pienentäminen ovat alentaneet GPS -vastaanottimien hintaa. Alla on mainittu pieni lista sovelluksista, joissa GPS:llä on tärkeä rooli. Nykyajan maatalouden tuotanto on kasvanut GPS:n avulla. Maanviljelijät käyttävät GPS -tekniikkaa yhdessä nykyaikaisten elektronisten laitteiden kanssa saadakseen tarkkoja tietoja kenttäalueesta, keskimääräisestä tuotosta, polttoaineen kulutuksesta, ajetusta etäisyydestä jne. GPS mahdollistaa näiden ajoneuvojen navigoinnin ja paikantamisen. Siviilit käyttävät GPS-vastaanottimia navigointitarkoituksiin. GPS-vastaanotin voi olla erillinen moduuli tai upotettu moduuli matkapuhelimiin ja rannekelloihin. Ne ovat erittäin hyödyllisiä vaelluksessa, tiematkoilla, ajamisessa jne. Muita ominaisuuksia ovat ajoneuvon tarkka aika ja nopeus. Hätäpalvelut, kuten palo- ja ambulanssit, hyötyvät katastrofipaikan tarkasta sijainnista GPS:n avulla ja voivat vastata ajoissa.Armeija käyttää erittäin tarkkoja GPS-vastaanottimia navigointiin, kohteen seurantaan ja ohjuksiin ohjausjärjestelmät jne. On olemassa lukuisia muita sovelluksia, joissa käytetään GPS: ää tai valtava käyttöalue tulevaisuudessa. Aiheeseen liittyviä viestejä: Langaton tiedonsiirto: Johdanto, tyypit ja sovellukset Multiplexer ja Demultiplexer Miksi Internet -yhteys katkeaa? Upotetun C -ohjelman perusteet Mitä MEMS -anturit ovat?

Jätä viesti 

viestiluettelo