Mi a globális helymeghatározó rendszer? A GPS megértése

A globális helymeghatározó rendszer vagy GPS egy globális navigációs műholdrendszer (GNSS), amely pozicionáló, navigációs és időzítő rendszert (PNT) biztosít. Ezt az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma (USA) fejlesztette ki DoD) az 1970 -es évek elején. Vannak más műholdas navigációs rendszerek is, mint például az orosz GLONASS, az európai Galileo és a kínai BeiDou, de az Egyesült Államok globális helymeghatározó rendszere (GPS) és az orosz globális navigációs műholdrendszer (GLONASS) az egyetlen teljesen működőképes műholdalapú rendszer Navigációs rendszer 32 műholdas és 27 műhold konstellációval. A GPS technológia kifejlesztése előtt a navigáció fő segédeszköze (tengeren, szárazföldön vagy vízben) a térképek és az iránytű. A GPS bevezetésével a navigáció és a helymeghatározás nagyon egyszerűvé vált két méteres vagy annál kisebb pontossággal. Vevő 2-D síkban A vevő pozíciója 3D térben A GPS-vevők típusai A globális helymeghatározó rendszer (GPS) alkalmazása A GPS története A GPS, a földi navigációs rendszerek, például a LORAN (Long Range Navigation) amerikai fejlesztése előtt és a Decca Navigator System az Egyesült Királyságtól a navigáció fő technológiái. Mindkét technika a rádióhullámokon alapul, és a hatótávolság néhány száz kilométerre korlátozódott. Az 1960 -as évek elején három amerikai kormányzati szervezet, nevezetesen a Nemzeti Légiforgalmi és Űrhivatal (NASA), Védelmi Minisztérium (DoD) és Közlekedési Minisztérium (DoT) több más szervezettel együtt megkezdte a műholdas navigációs rendszer kifejlesztését azzal a céllal, hogy nagy pontosságú, időjárástól független működést és globális lefedettséget biztosítson. Ez a program a Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System (NAVSTAR Global Positioning System) rendszerré alakult. Ezt a rendszert először katonai rendszerként fejlesztették ki az Egyesült Államok katonai szükségleteinek kielégítésére. Az Egyesült Államok A hadsereg a NAVSTAR -t használta navigációra, valamint fegyverrendszerek célzására és rakétairányító rendszerekre. Az a lehetőség, hogy az ellenségek ezt a navigációs rendszert az Egyesült Államok ellen használják, a fő oka annak, hogy a civilek nem kaptak hozzáférést hozzá. Az első NAVSTAR műholdat 1978 -ban bocsátották fel, és 1994 -re 24 műhold teljes konstellációja került a pályára, és így teljesen működőképes. 1996 -ban az USA A kormány felismerte a GPS fontosságát a civilek számára, és kettős felhasználású rendszert jelentett be, amely lehetővé teszi a katonaság és a civilek számára egyaránt a hozzáférést. kevés műholdat figyelnek meg egyidejűleg. Ezeknek a műholdaknak a helyzete már ismert, ezért négy műhold és a vevő közötti távolság mérésével a GPS -vevő pozíciójának három koordinátája, pl. szélesség, hosszúság és magasság állapítható meg. Mivel a vevő helyzetének változása nagyon pontosan meghatározható, a vevő sebessége is meghatározható.GPS szegmensekA bonyolult globális helymeghatározó rendszer felépítése három fő szegmensre oszlik: az űrszegmensre, a vezérlőszegmensre és a felhasználóra Szegmens. Ebben a vezérlőszegmenst és az űrszegmenst az Egyesült Államok légiereje fejleszti, üzemelteti és karbantartja. Az alábbi kép a GPS rendszer három szegmensét mutatja. A műholdakat hat pályasíkba helyezik, mindegyik pálya négy műholdból áll. A pályasíkok dőlése és a műholdak elhelyezése meghatározott módon van elrendezve úgy, hogy legalább hat műhold legyen mindig látómezőben a Föld bármely pontjáról. A csillagkép térbeli elrendezése A műholdakat a Közepes Föld Pályán (MEO) helyezik el, körülbelül 20,000 XNUMX km magasságban. A redundancia növelése és a pontosság javítása érdekében a csillagképben lévő GPS -műholdak teljes számát 32 -re növelték, ebből 31 műhold működik. Vezérlő szegmens és nyomkövető állomások. A vezérlőszegmens elsődleges feladata a GPS -műholdak helyzetének nyomon követése és megfelelő pályákon tartása a manőverezési parancsok segítségével. Ezenkívül a vezérlőrendszer meghatározza és fenntartja a fedélzeti rendszer integritását, a légköri viszonyokat, az atomórákból származó adatokat. és egyéb paraméterek. A GPS vezérlőszegmens ismét négy alrendszerre oszlik: egy új fővezérlő állomásra (NMCS), egy alternatív fő vezérlőállomásra (AMCS), négy földi antennára (GA) és a megfigyelő állomások (MS) világméretű hálózatára. A GPS Satellite Constellation központi vezérlőcsomópontja a Master Control Station (MSC). A Colorado állambeli Schriever Légierő Bázison található, és 24 × 7 üzemel. A Master Control Station fő feladatai a következők: Műholdak karbantartása, hasznos terhelés figyelése, atomórák szinkronizálása, műholdas manőverezés, GPS -jel teljesítményének kezelése, navigációs üzenetek feltöltése, észlelés GPS -jelzési hibák és reagálás ezekre. Számos monitorállomás (MS) létezik, de hat fontos. Hawaii, Colorado Springs, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein és Cape Canaveral területén találhatók. Ezek a megfigyelőállomások folyamatosan nyomon követik a műholdak helyzetét, és az adatokat elküldik a Master Control Station -nek további elemzés céljából. Annak érdekében, hogy adatokat továbbítsanak a műholdakhoz, négy földi antenna (GA) található, mint Ascension Island, Cape Canaveral, Diego Garcia és Kwajalein. Ezek az antennák arra szolgálnak, hogy az adatokat a műholdakhoz kapcsolják, és az adatok bármi lehetnek, mint például az óra korrekciója, a telemetriai parancsok és a navigációs üzenetek. pozicionálás és időzítés. Általában a GPS -szolgáltatások eléréséhez a felhasználónak rendelkeznie kell olyan GPS -vevőkkel, mint az önálló GPS -modulok, a GPS -kompatibilis mobiltelefonok és a dedikált GPS -konzolok. Ezekkel a GPS -vevőkkel a polgári felhasználók ismerhetik a standard pozíciót, a pontos időt és sebességet, miközben a katonaság használja őket a pontos helymeghatározáshoz, a rakétavezetéshez, a navigációhoz stb. . Ehhez a GPS -vevők a Trilateration nevű matematikai módszert használják, amely módszer segítségével az objektum helyzete meghatározható az objektum és néhány más, már ismert pozíciójú objektum közötti távolság mérésével. Tehát GPS -vevők esetén ahhoz, hogy megtudja a vevő helyét, a vevőmodulnak a következő két dolgot kell tudnia: • a műholdak elhelyezkedése a térben és • a műholdak és a GPS -vevő közötti távolság A műholdak helyének meghatározása műholdak esetén a GPS -vevőkészülékek kétféle GPS -műholdak által továbbított adatot használnak: az Almanach Data és az Ephemeris Data. A GPS -műholdak folyamatosan továbbítják hozzávetőleges helyzetét. Ezeket az adatokat Almanach adatoknak nevezik, amelyeket rendszeresen frissítenek, amint a műhold a pályán mozog. Ezeket az adatokat a GPS -vevő fogadja és tárolja a memóriájában. Az Almanach -adatok segítségével a GPS -vevő képes meghatározni a műholdak pályáját, és azt is, hogy hol legyenek a műholdak. Az űr körülményeit nem lehet előre megjósolni, és nagy a valószínűsége annak, hogy a műholdak eltérhetnek tényleges útjukat. A Master Control Station (MCS) és a dedikált monitorállomások (MS) nyomon követik a műholdak útvonalát, valamint egyéb információkat, például magasságot, sebességet, pályát és helyet. Ha bármelyik paraméterben hiba van, a javított adatok elküldik a műholdakra, hogy pontos helyzetben maradjanak. Az MCS által a műholdra küldött pályaadatokat Ephemeris Data -nak hívják. A műhold, miután megkapta ezeket az adatokat, kijavítja pozícióját, és elküldi ezeket az adatokat a GPS -vevőnek. Mindkét adat segítségével, pl. Az Almanach és az Ephemeris, a GPS -vevő folyamatosan tudja tudni a műholdak pontos helyzetét. A műholdak és a GPS -vevő közötti távolság meghatározása A GPS -vevő és a műholdak közötti távolság mérése érdekében az idő fontos szerepet játszik. A műhold GPS -vevőtől való távolságának kiszámítására szolgáló képlet az alábbiakban található: Távolság = Fénysebesség x A műholdas jel átviteli ideje a műhold elküldte a GPS vevőre), hogy elérje a vevőt. A fény sebessége állandó érték, és egyenlő C = 3 x 108 m/s. Az idő kiszámításához először meg kell értenünk a műhold által küldött jelet. A műhold által továbbított átkódolt jel neve Pseudo Random Noise (PRN). Amint a műhold előállítja ezt a kódot, és elkezdi az adást, a GPS -vevő is elkezdi ugyanazt a kódot generálni, és megpróbálja szinkronizálni őket. A GPS -vevő ezután kiszámítja, hogy mennyi időt kell késleltetnie a vevő által generált kódnak, mielőtt szinkronizálnia kell a műholddal. kódot. Ha a műholdak elhelyezkedése és a GPS-vevőtől való távolságuk ismert, akkor a GPS-vevő 2D vagy 3D térben történő elhelyezkedését a következő módszerrel lehet meghatározni. hogy megtalálja az objektum vagy a GPS -vevő pozícióját 2 - Dimenziós térben, pl egy XY sík, csak a GPS vevő és a két műhold közötti távolságot kell megtalálnunk. Legyen D1 és D2 a vevő távolsága az 1 -es és a 2 -es műholdtól. Most, amikor a műholdak középen vannak, és a D1 és D2 sugarú körben rajzoljon két kört maguk körül egy XY síkon. Ennek az esetnek a képi ábrázolása az alábbi képen látható. A fenti képen jól látható, hogy a GPS -vevő a két kör bármelyik pontjában elhelyezhető. Ha a műholdak feletti terület ki van zárva, akkor a GPS -vevő pozícióját a műholdak alatti körök metszéspontjánál határozhatjuk meg. Két műhold távolsági információja elegendő a GPS -vevő helyzetének meghatározásához 2-D vagy XY sík. De a való világ egy 3 dimenziós tér, és meg kell határoznunk a GPS vevő 3 dimenziós helyzetét, pl. szélessége, hosszúsága és magassága. Látni fogjuk a lépésenkénti eljárást a GPS vevő 3 dimenziós helyének meghatározásához. A vevő helyzete a 3D térben Tegyük fel, hogy a műholdak GPS -vevőhöz viszonyított helyei már ismertek. Ha az 1. műhold a vevőegységtől D1 távolságra van, akkor egyértelmű, hogy a vevő helyzete a gömb felületének bármely pontján elhelyezkedhet, és az 1. műhold a középpont, a D1 pedig a sugara. Ha a távolság a második műhold (2. műhold) a vevőből a D2, akkor a vevő helyzete korlátozható arra a körre, amelyet két D1 és D2 sugarú gömb metszéspontja képez az 1. és 2. műholdakkal a középpontban. Ebből a képből , a GPS -vevő pozíciója a metszéskör egy pontjára szűkíthető. Ha a meglévő két műholdhoz hozzáadunk egy harmadik műholdat (3 -as műholdat), amely a D3 távolságra van a GPS -vevőtől, akkor a vevő elhelyezkedése a három gömb metszéspontjára korlátozódik, azaz Valós idejű helyzetekben nem életképes, ha a GPS -vevő kétértelműsége a két pozíció közül az egyikben található. Ezt meg lehet oldani egy negyedik műhold (4 -es műhold) bevezetésével, amely D4 távolságra van a vevőtől. A negyedik műhold képes lesz pontosan meghatározni a GPS -vevő helyét a két lehetséges helyszín közül, amelyeket korábban csak három műholddal határoztak meg. Ezért valós időben legalább 4 műholdra van szükség az objektum pontos helyének meghatározásához. Gyakorlatilag a GPS -rendszer úgy működik, hogy legalább 6 műhold mindig látható a Föld bármely pontján található objektum (GPS -vevő) számára. A GPS -vevőket civilek és katonák egyaránt használják. Ezért a GPS -vevők típusai polgári GPS -vevők és katonai GPS -vevők közé sorolhatók. De a szabványos osztályozási módszer azon a kódtípuson alapul, amelyet a vevő képes észlelni. Alapvetően kétféle kódot továbbít a GPS -műhold: Durva beszerzési kód (C/A kód) és P -kód. A fogyasztói GPS vevőegységek csak a C/A kódot képesek érzékelni. Ez a kód nem pontos, és ezért a polgári helymeghatározó rendszert Standard Positioning Service (SPS) -nek hívják. A P -kódot viszont a katonaság használja, és ez egy nagyon pontos kód. A katonaság által használt helymeghatározó rendszert PPS -nek (Precise Positioning Service) hívják. A GPS -vevők osztályozhatók ezen jelek dekódolási képessége alapján. A kereskedelemben kapható GPS -vevők osztályozásának másik módja a jelek fogadásának képessége. Ezzel a módszerrel a GPS -vevőkészülékek a következőkre oszthatók: Egyfrekvenciás kódú vevőegységek Egyetlen - Frekvenciavivő - Kiegyenlített kódú vevőegységek Egyetlen - Frekvenciakód- és hordozóvevők Kettős - Frekvencia -vevőkészülékek A globális helymeghatározó rendszer (GPS) alkalmazásai A GPS a globális infrastruktúra alapvető részévé vált, hasonló az internethez. A GPS kulcsfontosságú eleme volt a modern élet különböző aspektusaira kiterjedő alkalmazások széles skálájának kifejlesztésében. A nagyüzemi gyártás növekedése és az alkatrészek miniatürizálása csökkentette a GPS -vevők árát. Az alábbiakban felsoroljuk azokat az alkalmazásokat, amelyekben a GPS fontos szerepet játszik. A modern mezőgazdaság a GPS segítségével növelte a termelést. A gazdák a GPS technológiát és a modern elektronikus eszközöket használják, hogy pontos információkat kapjanak a területről, az átlagos hozamról, az üzemanyag -fogyasztásról, a megtett távolságról stb. A GPS lehetővé teszi ezeknek a járműveknek a navigációt és a helymeghatározást. A civilek GPS -vevőket használnak navigációs célokra. A GPS vevő lehet dedikált modul vagy beágyazott modul a mobiltelefonokban és a karórákban. Nagyon hasznosak a túrázásban, a kirándulásokban, a vezetésben stb. A további funkciók közé tartozik a jármű pontos ideje és sebessége. A katasztrófavédelem GPS által történő pontos helymeghatározásából származó sürgősségi szolgálatok, mint a tűzoltók és a mentők, képesek időben reagálni. A katonai navigáció, célkövetés, rakéta nagy pontosságú GPS -vevőket használ irányító rendszerek stb. Számos más olyan alkalmazás is létezik, ahol GPS -t használnak, vagy hatalmas felhasználási lehetőségeket kínálnak a jövőben. Kapcsolódó hozzászólások: Vezeték nélküli kommunikáció: Bevezetés, típusok és alkalmazások Multiplexer és Demultiplexer Miért tart fenn internetkapcsolatot? A beágyazott C program alapjai Mik azok a MEMS -érzékelők?

Hagyjon üzenetet 

Üzenetlista