Що таке глобальна система позиціонування? Розуміння GPS

Global Positioning System або GPS — це глобальна навігаційна супутникова система (GNSS), яка забезпечує позиціонування, навігацію та систему визначення часу (PNT). Він був розроблений Міністерством оборони США (США DoD) на початку 1970 -х рр. Існують інші супутникові навігаційні системи, такі як російська ГЛОНАСС, європейська Galileo та китайська BeiDou, але Глобальна система позиціонування США (GPS) та Російська глобальна супутникова навігаційна система (ГЛОНАСС) є єдиними повністю функціональними супутниковими системами Навігаційна система з 32 супутниковими сузір'ями та 27 супутниковими сузір'ями відповідно. До розвитку технології GPS основним допоміжним засобом для навігації (у морі, землі чи воді) були карти та компас. З впровадженням GPS навігація та визначення місцезнаходження стало дуже простим з точністю позиціонування двох метрів або менше. Огляд історії структури GPSGPS Огляд структури Сегменти GPSКосмічний сегментКонтрольний сегментКористувач користувачаПринцип роботи GPSВизначення розташування супутниківВизначення відстані між супутниками та GPS -приймачемПоложення Приймач у 2-D площині Розташування приймача в просторі 3D Типи GPS-приймачів Застосування системи глобального позиціонування (GPS) Історія GPS До розробки в США наземних навігаційних систем GPS, таких як LORAN (Long Range Navigation) і Decca Navigator System від Великобританії є основними технологіями навігації. Обидві ці методи базуються на радіохвилях, і діапазони були обмежені кількома сотнями кілометрів. На початку 1960 -х років три урядові організації Сполучених Штатів, а саме Національне управління з аеронавтики та дослідження космічного простору (НАСА), Міністерство оборони (Міністерство оборони) та Міністерство транспорту. (DoT) разом з кількома іншими організаціями розпочали розробку супутникової навігаційної системи з метою забезпечення високої точності, незалежної від погодних умов роботи та глобального покриття. Ця програма перетворилася на систему глобального позиціонування навігаційного супутника (NAVSTAR Global Positioning System). Ця система була вперше розроблена як військова система для задоволення потреб військових США. США Військові використовували NAVSTAR для навігації, а також системи орієнтації зброї та системи наведення ракет. Можливість того, що вороги використовують цю навігаційну систему проти Сполучених Штатів, є основною причиною того, що цивільне населення не отримало доступу до неї. Перший супутник NAVSTAR був запущений в 1978 році, а до 1994 року на орбіту було розміщено повне сузір'я з 24 супутників. вона повністю функціонує. У 1996 р. США Уряд визнав важливість GPS для цивільного населення та оголосив систему подвійного використання, що надає доступ як військовим, так і цивільним особам. Огляд структури GPS Основною технікою супутникової навігаційної системи Global Positioning System (GPS) є вимірювання відстані між приймачем та декілька супутників, які одночасно спостерігаються. Положення цих супутників вже відомі, а отже, вимірюючи відстань між чотирма цими супутниками та приймачем, три координати положення приймача GPS, тобто можна встановити широту, довготу та висоту. Оскільки зміну положення приймача можна визначити дуже точно, можна також визначити швидкість приймача. Сегменти GPS Структура цієї складної Глобальної системи позиціонування поділена на три великі сегменти: Космічний сегмент, Сегмент управління та Користувач Сегмент. При цьому контрольний і космічний сегмент розробляються, експлуатуються та обслуговуються ВПС Сполучених Штатів. На наступному зображенні показано три сегменти системи GPS. Космічний сегмент. Космічний сегмент (SS) GPS складається з сузір’я з 24 супутників, які обертаються навколо Землі приблизно по кругових орбітах. Супутники розміщені в шести орбітальних площинах, кожна з яких складається з чотирьох супутників. Нахил орбітальних площин і позиціонування супутників влаштовані таким чином, що мінімум шість супутників завжди перебувають у прямій видимості з будь-якого місця на Землі. Що стосується розташування сузір'я в космосі, GPS Супутники розміщені на Середній навколоземній орбіті (MEO) на висоті приблизно 20,000 XNUMX км. Для збільшення надмірності та підвищення точності загальна кількість супутників GPS у сузір’ї була збільшена до 32, з них 31 супутник працює. і станції стеження. Основне завдання контрольного сегмента - відстежувати положення супутників GPS і підтримувати їх на правильних орбітах за допомогою команд маневрування. Крім того, система управління також визначає і підтримує цілісність бортової системи, атмосферні умови, дані з атомних годин. та інші параметри. Сегмент керування GPS знову розділений на чотири підсистеми: нова головна станція керування (NMCS), альтернативна головна станція керування (AMCS), чотири наземні антени (GA) та всесвітня мережа станцій моніторингу (MS). Центральним вузлом керування для супутникового сузір'я GPS є головна станція керування (MSC). Він розташований на базі ВПС Шрівер, штат Колорадо, і працює 24×7. Основними обов’язками Головної контрольної станції є: обслуговування супутника, моніторинг корисного навантаження, синхронізація атомних годин, маневрування супутником, керування продуктивністю сигналу GPS, завантаження даних навігаційних повідомлень, виявлення Помилки сигналізації GPS та реагування на ці збої. Існує кілька станцій моніторингу (MS), але шість з них є важливими. Вони розташовані на Гаваях, Колорадо -Спрінгс, Острові Вознесіння, Дієго Гарсія, Кваджалейн та мис Канаверал. Ці станції моніторингу безперервно відстежують положення супутників, і дані надсилаються на головну контрольну станцію для подальшого аналізу. Для передачі даних на супутники існують чотири наземні антени (GA), розташовані як острів Вознесіння, мис Канаверал, Дієго Гарсія та Кваджалейн. Ці антени використовуються для передачі даних на супутники, і ці дані можуть бути будь -якими, такими як корекція годинника, телеметричні команди та навігаційні повідомлення. позиціонування та хронометраж. Як правило, щоб отримати доступ до послуг GPS, користувач повинен бути оснащений GPS-приймачами, такими як автономні модулі GPS, мобільні телефони з підтримкою GPS і спеціальні консолі GPS. За допомогою цих GPS-приймачів цивільні користувачі можуть знати стандартне положення, точне час та швидкість, коли військові використовують їх для точного позиціонування, наведення ракет, навігації тощо. Принцип роботи GPS За допомогою приймачів GPS ми можемо обчислити положення об’єкта в будь -якій точці Землі у двомірному чи тривимірному просторі . Для цього приймачі GPS використовують математичний метод, який називається трилатерацією, метод, за допомогою якого положення об’єкта можна визначити шляхом вимірювання відстані між об’єктом і кількома іншими об’єктами з уже відомим положенням. Отже, у випадку приймачів GPS, щоб щоб дізнатися місцезнаходження приймача, модуль приймача повинен знати наступні дві речі:• Розташування супутників у просторі та• Відстань між супутниками та приймачем GPS Визначення розташування супутників Щоб визначити розташування супутників. GPS-приймачі використовують два типи даних, що передаються супутниками GPS: дані альманаху та дані ефемериди. Супутники GPS постійно передають своє приблизне положення. Ці дані називаються даними альманаху, які періодично оновлюються в міру руху супутника по орбіті. Ці дані приймаються GPS-приймачем і зберігаються в його пам'яті. За допомогою даних альманаху GPS-приймач може визначити орбіти супутників, а також те, де вони повинні бути. Умови в космосі неможливо передбачити, і існує величезна ймовірність того, що супутники можуть відхилитися від їхній фактичний шлях. Головна контрольна станція (MCS) разом із виділеними станціями моніторингу (MS) відстежує шлях супутників разом з іншою інформацією, як-от висота, швидкість, орбіта та розташування. Якщо в будь-якому з параметрів є помилка, виправлені дані відправлено на супутники, щоб вони залишалися в точному положенні. Ці орбітальні дані, надіслані MCS на супутник, називаються Ephemeris Data. Супутник, отримавши ці дані, коригує своє положення, а також надсилає ці дані на GPS-приймач. За допомогою обох даних, тобто Almanac та Ephemeris, GPS -приймач може постійно знати точне положення супутників. Визначення відстані між супутниками та GPS -приймачем Для вимірювання відстані між приймачем GPS та супутниками час відіграє важливу роль. Формула для розрахунку відстані супутника від приймача GPS наведена нижче: Відстань = швидкість світла x час проходження супутникового сигналу. Швидкість світла є постійною величиною і дорівнює C = 3 x 108 м/с. Щоб розрахувати час, спочатку нам потрібно зрозуміти сигнал, надісланий супутником. Транскодований сигнал, що передається супутником, називається псевдовипадковим шумом (PRN). Коли супутник генерує цей код і починає передавати, GPS-приймач також починає генерувати той самий код і намагається синхронізувати його. Потім GPS-приймач обчислює час затримки, яку має пройти згенерований приймачем код перед синхронізацією з переданим супутником. код. Після того, як місцезнаходження супутників та їх відстань від GPS-приймача відомі, можна визначити положення GPS-приймача в 2D-просторі або 3D-просторі, використовуючи наступний метод. Положення приймача в 2-D-просторі щоб знайти положення об’єкта або GPS-приймача в 2 – вимірному просторі, тобто площині XY, все, що нам потрібно знайти, це відстань між приймачем GPS і двома супутниками. Нехай D1 і D2 — відстань приймача від супутника 1 і супутника 2 відповідно. Тепер, маючи супутники в центрі і радіус D1 і D2, намалюйте два кола навколо них на площині XY. Зображення цього випадку показано на наступному зображенні. З наведеного вище зображення видно, що GPS -приймач може бути розташований в будь -якій з двох точок, де перетинаються два кола. Якщо область над супутниками виключена, ми можемо визначити положення GPS-приймача в точці перетину кіл під супутниками. Інформації про відстань від двох супутників достатньо, щоб визначити положення GPS-приймача в 2-D або XY площині. Але реальний світ — це 3-вимірний простір, і нам потрібно визначити 3-вимірне положення GPS-приймача, тобто її широта, довгота та висота. Ми побачимо покрокову процедуру визначення тривимірного розташування приймача GPS. Положення приймача в 3D-просторі Припустимо, що розташування супутників щодо GPS-приймача вже відомі. Якщо супутник 1 знаходиться на відстані D1 від приймача, то зрозуміло, що положення приймача може бути в будь -якому місці поверхні сфери, яка утворена з супутником 1 як центром і D1 як його радіусом. другий супутник (супутник 2) від приймача - D2, тоді положення приймача можна обмежити колом, утвореним перетином двох сфер із радіусами D1 і D2 із супутниками 1 і 2 у центрах відповідно. З цього зображення , положення GPS -приймача можна звузити до точки на колі перетину. Якщо до існуючих двох супутників додати третій супутник (Супутник 3) на відстані D3 від приймача GPS, то розташування приймача обмежується перетином трьох сфер, тобто будь-яка з двох точок. У ситуаціях реального часу невизначеність GPS-приймача, розташованого в одному з двох місць, неможлива. Це можна вирішити шляхом введення четвертого супутника (Супутник 4) на відстані D4 від приймача. Четвертий супутник зможе визначити місцезнаходження приймача GPS з двох можливих місць, які були визначені раніше лише з трьома супутниками. Отже, в режимі реального часу для визначення точного розташування об’єкта потрібно мінімум 4 супутники. Практично система GPS працює так, що принаймні 6 супутників завжди видно об’єкту (GPS-приймач), розташованому в будь-якій точці Землі. Типи GPS-приймачів. GPS використовується як цивільними, так і військовими. Таким чином, типи GPS-приймачів можна класифікувати на цивільні GPS-приймачі та військові GPS-приймачі. Але стандартний спосіб класифікації базується на типі коду, який приймач може виявити. В основному, існує два типи кодів, які передає супутник GPS: Код грубого збору (код C/A) та P - код. Споживчі пристрої GPS -приймача можуть виявити лише код C/A. Цей код не є точним, тому цивільна система позиціонування називається Стандартною службою позиціонування (SPS). З іншого боку, P -код використовується військовими і є дуже точним кодом. Система позиціонування, яку використовують військові, називається точною службою позиціонування (PPS). GPS -приймачі можна класифікувати на основі здатності декодувати ці сигнали. Інший спосіб класифікації комерційно доступних GPS -приймачів базується на можливості прийому сигналів. За допомогою цього методу приймачі GPS можна поділити на: Одиночні - Приймачі коду частоти Одиночні - Несуча частоти - Приймачі згладженого коду Одномісні - Приймачі коду частоти та приймача - несучі Подвійні - Приймачі частот Застосування Глобальної системи позиціонування (GPS) GPS став важливою частиною глобальної інфраструктури, схожий на Інтернет. GPS був ключовим елементом у розвитку широкого спектру застосувань, що поширюються на різні аспекти сучасного життя. Зростання масштабного виробництва та мініатюризація компонентів знизили ціну GPS -приймачів. Нижче наведено невеликий список додатків, де GPS відіграє важливу роль. Сучасне сільське господарство відбулося за допомогою GPS. Фермери використовують технологію GPS разом із сучасними електронними пристроями для отримання точної інформації про площу поля, середню врожайність, витрату палива, пройдену відстань тощо. У галузі автомобілів автоматизовані транспортні засоби з керуванням найчастіше використовуються в промислових або споживчих сферах. GPS дозволяє цим транспортним засобам здійснювати навігацію та позиціонування. Цивільні особи використовують GPS-приймачі для навігації. Приймач GPS може бути окремим модулем або вбудованим модулем в мобільні телефони та наручні годинники. Вони дуже допомагають у трекінгу, подорожах, водінні тощо. Додаткові функції включають точний час і швидкість руху автомобіля. Служби швидкої допомоги, такі як пожежа та швидка допомога, отримують вигоду від точного позиціонування місця катастрофи за допомогою GPS і можуть реагувати вчасно. Військова використовує високоточні GPS -приймачі для навігації, відстеження цілей, ракет системи наведення тощо. Існує безліч інших додатків, де GPS використовується або має величезний обсяг використання в майбутньому. Пов’язані повідомлення: Бездротовий зв’язок: Вступ, типи та застосування Мультиплексор і демультиплексорЧому ваш Інтернет постійно відключається? Основи вбудованої програми CЩо таке датчики MEMS?

Залишити повідомлення 

список повідомлень