Hva er Global Positioning System? Forstå GPS

Global Positioning System eller GPS er et Global Navigation Satellite System (GNSS) som gir posisjonerings-, navigasjons- og timingsystem (PNT). Det ble utviklet av USAs forsvarsdepartement (USA DoD) på begynnelsen av 1970 -tallet. Det finnes andre satellittbaserte navigasjonssystemer som Russlands GLONASS, Europas Galileo og Kinas BeiDou, men USAs globale posisjoneringssystem (GPS) og russiske globale navigasjonssatellittsystem (GLONASS) er de eneste fullt funksjonelle satellittbaserte Navigasjonssystem med henholdsvis 32 satellittkonstellasjoner og 27 satellittkonstellasjoner. Før utviklingen av GPS -teknologien, er det viktigste hjelpemiddelet for navigasjon (i sjø, land eller vann) kart og kompass. Med introduksjonen av GPS ble navigering og posisjonering av posisjoner veldig enkelt med en posisjonsnøyaktighet på to meter eller mindre. Oversikt over GPSGPS -strukturoversikt GPS -segmenter Romsegment Kontrollsegment Brukersegment Arbeidsprinsipp for GPS Bestemmelse av satellittenes plassering Bestemme avstanden mellom satellittene og GPS -mottakeren Plassering av Mottaker i 2-D-fly Plassering av mottakeren i 3D-rom Typer GPS-mottakere Applikasjoner av GPS (Global Positioning System) GPS-historie Før utviklingen av GPS, bakkebaserte navigasjonssystemer som LORAN (Long Range Navigation) av USA og Decca Navigator System fra Storbritannia er de viktigste teknologiene for navigasjon. Begge disse teknikkene er basert på radiobølger, og rekkevidden var begrenset til noen få hundre kilometer. På begynnelsen av 1960-tallet, tre av amerikanske regjeringsorganisasjoner, nemlig National Aeronautics and Space Administration (NASA), Department of Defense (DoD) og Department of Transportation (DoT) begynte sammen med flere andre organisasjoner å utvikle et satellittbasert navigasjonssystem med sikte på å gi høy nøyaktighet, væruavhengig drift og global dekning. Dette programmet utviklet seg til Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System (NAVSTAR Global Positioning System). Dette systemet ble først utviklet som et militært system for å oppfylle behovene til United States Military. USA Militære brukte NAVSTAR til navigasjon samt målretting av våpensystemer og missilføringssystemer. Muligheten for fiender som bruker dette navigasjonssystemet mot USA er hovedårsaken til at sivile ikke fikk tilgang til det. Den første NAVSTAR -satellitten ble skutt opp i 1978 og i 1994 ble en full konstellasjon av 24 satellitter plassert i bane og dermed den var fullstendig operativ. I 1996, USA Regjeringen anerkjente viktigheten av GPS for sivile og erklærte et system for dobbelt bruk, som gir tilgang til både militære og sivile GPS -strukturoversikt Den grunnleggende teknikken til det satellittbaserte navigasjonssystemet Global Positioning System (GPS) er å måle avstandene mellom mottakeren og en få satellitter som observeres samtidig.Posisjonene til disse satellittene er allerede kjente og følgelig ved å måle avstanden mellom fire av disse satellittene og mottakeren, de tre koordinatene for GPS -mottakerens posisjon dvs. breddegrad, lengdegrad og høyde kan fastslås. Siden endringen i mottakerens posisjon kan bestemmes veldig nøyaktig, kan mottakerens hastighet også bestemmes. GPS -segmenter Strukturen til dette komplekse globale posisjoneringssystemet er delt inn i tre hovedsegmenter: Romsegmentet, kontrollsegmentet og brukeren Segmentet. I dette er kontrollsegmentet og romsegmentet utviklet, drevet og vedlikeholdt av United States Air Force. Følgende bilde viser de tre segmentene i GPS -systemet. Romsegment Romsegmentet (SS) til GPS -en består av en konstellasjon av 24 satellitter som kretser rundt jorden i omtrent sirkulære baner. Satellittene er plassert i seks orbitalplan med hvert orbitalplan bestående av fire satellitter. Hellingen til orbitalplanene og posisjoneringen av satellittene er arrangert på en bestemt måte slik at minst seks satellitter alltid er i sikt fra alle steder på jorden. Satellitter er plassert i Medium Earth Orbit (MEO) i en høyde på omtrent 20,000 XNUMX KM. For å øke redundansen og forbedre nøyaktigheten, har det totale antallet GPS -satellitter i stjernebildet blitt økt til 32, hvorav 31 satellitter er i drift. og sporingsstasjoner. Den primære oppgaven til kontrollsegmentet er å spore posisjonen til GPS -satellittene og opprettholde dem i riktige baner ved hjelp av manøvreringskommandoer. I tillegg bestemmer og vedlikeholder systemets integritet ombord, atmosfæriske forhold, data fra atomklokker GPS -styringssegmentet er igjen delt inn i fire undersystemer: en ny hovedkontrollstasjon (NMCS), en alternativ hovedkontrollstasjon (AMCS), fire bakkeantenner (GA) og et verdensomspennende nettverk av monitorstasjoner (MS). Den sentrale kontrollnoden for GPS Satellite Constellation er Master Control Station (MSC). Det ligger på Schriever Air Force Base, Colorado og opererer 24 × 7. Hovedansvaret for hovedkontrollstasjonen er: Satellittvedlikehold, nyttelastovervåking, synkronisering av atomklokker, satellittmanøvrering, administrering av GPS -signalytelse, opplasting av navigasjonsmeldingsdata, registrering GPS signaliserer feil og reagerer på disse feilene. Det er flere monitorstasjoner (MS), men seks av dem er viktige. De er lokalisert på Hawaii, Colorado Springs, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein og Cape Canaveral. Disse monitorstasjonene sporer kontinuerlig posisjonen til satellittene, og dataene sendes til hovedkontrollstasjonen for videre analyse. For å overføre data til satellitter er det fire grunnantenner (GA) lokalisert som Ascension Island, Cape Canaveral, Diego Garcia og Kwajalein. Disse antennene brukes til å oppkoble data til satellitter og dataene kan være alt som klokkekorreksjon, telemetrikommandoer og navigasjonsmeldinger. Brukersegment Brukersegmentet til GPS-systemet består av sluttbrukere av teknologien som sivile og militære for navigasjon, presis eller standard. posisjonering og timing. Generelt, for å få tilgang til GPS-tjenestene, må brukeren være utstyrt med GPS-mottakere som frittstående GPS-moduler, mobiltelefoner som er GPS-aktiverte og dedikerte GPS-konsoller. Med disse GPS-mottakerne kan sivile brukere vite standardposisjon, nøyaktig tid og hastighet mens militæret bruker dem til presis posisjonering, missilstyring, navigasjon osv. Arbeidsprinsipp for GPS Ved hjelp av GPS -mottakere kan vi beregne posisjonen til et objekt hvor som helst på jorden enten i todimensjonalt eller tredimensjonalt rom . For dette bruker GPS -mottakere en matematisk metode som kalles Trilateration, en metode som gjør at posisjonen til et objekt kan bestemmes ved å måle avstanden mellom objektet og få andre objekter med allerede kjente posisjoner. Så, i tilfelle av GPS -mottakere, i rekkefølge for å finne ut plasseringen av mottakeren, må mottakermodulen vite følgende to ting: • Plasseringen av satellittene i rommet og • Avstanden mellom satellittene og GPS -mottakeren Bestemme plasseringen av satellittene For å bestemme plasseringen av satellittene satellitter, bruker GPS-mottakerne to typer data som overføres av GPS-satellittene: Almanakkdataene og Ephemeris-dataene. GPS-satellittene sender kontinuerlig sin omtrentlige posisjon. Disse dataene kalles almanakkdataene, som oppdateres med jevne mellomrom når satellitten beveger seg i bane. Disse dataene mottas av GPS-mottakeren og lagres i minnet. Ved hjelp av almanakkdata kan GPS-mottakeren være i stand til å bestemme banene til satellittene og også hvor satellittene skal være. Forholdene i rommet kan ikke forutsies og det er en stor sjanse for at satellittene kan avvike fra deres egentlige vei. Master Control Station (MCS) sammen med de dedikerte Monitor Stations (MS) sporer banen til satellittene sammen med annen informasjon som høyde, hastighet, bane og plassering. Hvis det er feil i noen av parameterne, blir de korrigerte dataene sendt til satellittene slik at de holder seg i nøyaktig posisjon. Disse orbitaldataene som sendes av MCS til satellitten kalles Ephemeris Data. Satellitten, ved mottak av disse dataene, korrigerer sin posisjon og sender også disse dataene til GPS -mottakeren. Ved hjelp av både dataene dvs. Almanakk og Ephemeris, GPS-mottakeren kan være i stand til å vite den nøyaktige posisjonen til satellittene, hele tiden. Bestemme avstanden mellom satellittene og GPS-mottakerenFor å måle avstanden mellom GPS-mottakeren og satellittene, spiller tiden en viktig rolle. Formelen for å beregne avstanden til satellitten fra GPS-mottakeren er gitt nedenfor: Avstand = Lyshastighet x Transittid for satellittsignalet Her er transitttiden tiden satellittsignalet tar (signal i form av radiobølger, sendt av satellitten til GPS-mottakeren) for å nå mottakeren. Lysets hastighet er en konstant verdi og er lik C = 3 x 108 m/s. For å beregne tiden må vi først forstå signalet som sendes av satellitten. Det transkodede signalet som sendes av satellitten kalles Pseudo Random Noise (PRN). Når satellitten genererer denne koden og begynner å sende, begynner GPS -mottakeren også å generere den samme koden og prøver å synkronisere dem. GPS -mottakeren beregner deretter tidsforsinkelsen den mottakerens genererte koden må gjennomgå før den blir synkronisert med satellitten som sendes Når satellittene er plassert og avstanden fra GPS-mottakeren er kjent, kan du finne posisjonen til GPS-mottakeren i enten 2D-rom eller 3D-rom ved å bruke følgende metode. for å finne posisjonen til objektet eller GPS -mottakeren i 2 - dimensjonalt rom dvs. et XY-fly, alt vi trenger å finne er avstanden mellom GPS-mottakeren og to av satellittene. La D1 og D2 være avstanden mellom mottakeren og henholdsvis satellitt 1 og satellitt 2. Tegn nå to sirkler rundt dem på et XY-plan med satellittene i midten og en radius på D1 og D2. Den billedlige representasjonen av denne saken er vist i følgende bilde. Fra bildet ovenfor er det klart at GPS -mottakeren kan være plassert på et av de to punktene der de to sirklene krysser hverandre. Hvis området over satellittene er ekskludert, kan vi finne posisjonen til GPS-mottakeren ved skjæringspunktet mellom sirklene under satellittene. Avstandsinformasjonen fra to satellitter er tilstrekkelig til å bestemme posisjonen til GPS-mottakeren i et 2-D- eller XY-fly. Men den virkelige verden er et tredimensjonalt rom, og vi må bestemme den tredimensjonale posisjonen til GPS -mottakeren dvs. dens breddegrad, lengdegrad og høyde. Vi vil se en trinnvis fremgangsmåte for å bestemme den tredimensjonale plasseringen av GPS -mottakeren. Plasseringen av mottakeren i 3D -rom La oss anta at posisjonene til satellittene i forhold til GPS -mottakeren allerede er kjent. Hvis satellitt 1 er i en avstand av D1 fra mottakeren, er det klart at posisjonen til mottakeren kan være hvor som helst på overflaten av sfæren som er dannet med satellitt 1 som sentrum og D1 som radius. Hvis avstanden til en annen satellitt (satellitt 2) fra mottakeren er D2, så kan mottakerens posisjon begrenses til sirkelen dannet ved krysset mellom to sfærer med radius D1 og D2 med satellitt 1 og 2 i henholdsvis sentrene. fra dette bildet , kan GPS -mottakerens posisjon begrenses til et punkt i krysssirkelen. Hvis vi legger til en tredje satellitt (satellitt 3) med en avstand D3 fra GPS-mottakeren til de eksisterende to satellittene, så er mottakerens plassering begrenset til skjæringspunktet mellom de tre sfærene, dvs. ett av de to punktene. I sanntidssituasjoner er det ikke mulig å ha tvetydigheten til GPS-mottakeren plassert i en av de to posisjonene. Dette kan løses ved å introdusere en fjerde satellitt (satellitt 4) med en avstand D4 fra mottakeren. Den fjerde satellitten vil kunne peke plasseringen av GPS -mottakeren fra de to mulige stedene som ble bestemt tidligere med bare tre satellitter. I sanntid kreves det derfor minimum 4 satellitter for å bestemme objektets nøyaktige plassering. Praktisk sett fungerer GPS-systemet slik at minst 6 satellitter alltid er synlige for et objekt (GPS-mottaker) som befinner seg hvor som helst på jorden. GPS -mottakere GPS -en brukes av både sivile og militære. Derfor kan typer GPS -mottakere klassifiseres i sivile GPS -mottakere og militære GPS -mottakere. Men standardmåten for klassifisering er basert på typen kode som mottakeren kan være i stand til å oppdage. I utgangspunktet er det to typer koder som en GPS-satellitt sender: Grov innsamlingskode (C/A-kode) og P – kode. Forbrukerens GPS -mottaker kan bare registrere C/A -kode. Denne koden er ikke nøyaktig, og derfor kalles det sivile posisjoneringssystemet Standard Positioning Service (SPS). P - koden brukes derimot av militæret og er en meget nøyaktig kode. Positioneringssystemet som militæret bruker kalles Precise Positioning Service (PPS). GPS-mottakerne kan klassifiseres basert på evnen til å dekode disse signalene. En annen måte å klassifisere kommersielt tilgjengelige GPS-mottakere på er basert på evnen til å motta signaler. Ved å bruke denne metoden kan GPS -mottakere deles inn i: Single - Frequency Code Receivers Single - Frequency Carrier - Smoothed Code Receivers Single - Frequency Code & Carrier Receivers Dual - Frequency Receivers Applications of Global Positioning System (GPS) GPS har blitt en vesentlig del av den globale infrastrukturen, ligner på Internett. GPS har vært nøkkelelementet i utviklingen av et bredt spekter av applikasjoner som spres over ulike aspekter av det moderne livet. Økning i storskala produksjon og miniatyrisering av komponenter har redusert prisen på GPS -mottakere. En liten liste over applikasjoner hvor GPS spiller en viktig rolle er nevnt nedenfor. Moderne landbruk har sett et løft i produksjonen ved hjelp av GPS. Bønder bruker GPS -teknologi sammen med moderne elektroniske enheter for å få presis informasjon om feltområdet, gjennomsnittlig avkastning, drivstofforbruk, tilbakelagt distanse, etc. På biler er automatiserte guidede kjøretøyer oftest brukt i industrielle eller forbrukerapplikasjoner. GPS gjør det mulig for disse kjøretøyene i navigasjon og posisjonering. Sivile bruker GPS-mottakere for navigasjonsformål. GPS -mottakeren kan være en dedikert modul eller en innebygd modul i mobiltelefoner og armbåndsur. De er veldig hjelpsomme i trekking, bilturer, kjøring, etc. Ytterligere funksjoner inkluderer nøyaktig tid og hastighet på kjøretøyet. Nødetater som brann og ambulanse drar nytte av nøyaktig posisjonering av katastrofestedet med GPS og kan reagere i tide.Militær bruker GPS -mottakere med høy presisjon for navigasjon, målsporing, missil veiledningssystemer osv. Det er mange andre applikasjoner der GPS blir brukt eller et stort bruksområde i fremtiden Relaterte innlegg: Trådløs kommunikasjon: Introduksjon, typer og applikasjoner Multiplexer og Demultiplexer Hvorfor Internett fortsetter å koble fra? Grunnleggende om innebygd C -program Hva er MEMS -sensorer?

Legg igjen en beskjed 

Meldingsliste