Co je Global Positioning System? Pochopení GPS

Global Positioning System nebo GPS je globální navigační satelitní systém (GNSS), který poskytuje polohovací, navigační a časovací systém (PNT). Byl vyvinut ministerstvem obrany Spojených států (US DoD) na počátku 1970. let. Existují další satelitní navigační systémy, jako je ruský GLONASS, evropský Galileo a čínský BeiDou, ale americký globální navigační systém (GPS) a ruský globální navigační satelitní systém (GLONASS) jsou jedinými plně funkčními satelity. Navigační systém s konstelací 32 družic a 27 konstelací družic. Před vývojem technologie GPS byly hlavní pomocí pro navigaci (v moři, na zemi nebo ve vodě) mapy a kompas. Se zavedením GPS se navigace a určování polohy staly velmi snadnými s přesností polohy dva metry nebo méně. Přehled historie struktury GPSGPS Přehled Segmenty GPS Segment Řízení prostoru Segment uživatelů Pracovní princip GPS Určení polohy satelitů Určení vzdálenosti mezi satelity a přijímačem GPS Přijímač ve 2D roviněPozice přijímače ve 3D prostoruTypy přijímačů GPSAplikace globálního polohovacího systému (GPS)Historie GPSPřed vývojem GPS, pozemní navigační systémy jako LORAN (Long Range Navigation) v USA a Decca Navigator System ve Velké Británii jsou hlavní technologie pro navigaci. Obě tyto techniky jsou založeny na rádiových vlnách a dosahy byly omezeny na několik stovek kilometrů. Na počátku 1960. let tři vládní organizace Spojených států, jmenovitě Národní úřad pro letectví a kosmonautiku (NASA), Ministerstvo obrany (DoD) a Ministerstvo dopravy (DoT) spolu s několika dalšími organizacemi zahájili vývoj satelitního navigačního systému s cílem poskytovat vysokou přesnost, provoz nezávislý na počasí a globální pokrytí. Tento program se vyvinul v navigační satelitní systém pro časování a určování polohy (NAVSTAR Global Positioning System). Tento systém byl nejprve vyvinut jako vojenský systém, aby splnil potřeby armády Spojených států. Spojené státy Armáda používala NAVSTAR pro navigaci, stejně jako zaměřování zbraňových systémů a systémy navádění raket. Možnost nepřátelských použití tohoto navigačního systému proti Spojeným státům je hlavním důvodem, proč k němu civilisté nedostali přístup. První družice NAVSTAR byla vypuštěna v roce 1978 a do roku 1994 byla na oběžnou dráhu umístěna plná konstelace 24 družic. je plně funkční. V roce 1996 USA Vláda uznala důležitost GPS pro civilisty a vyhlásila systém dvojího použití, který umožňuje přístup vojákům i civilistům. Přehled struktury GPS Základní technikou satelitního navigačního systému Global Positioning System (GPS) je měření vzdálenosti mezi přijímačem a několik satelitů, které jsou současně pozorovány. Polohy těchto satelitů jsou již známé, a proto měřením vzdálenosti mezi čtyřmi z těchto satelitů a přijímačem, tři souřadnice polohy přijímače GPS, tj. lze určit zeměpisnou šířku, délku a nadmořskou výšku. Protože lze velmi přesně určit změnu polohy přijímače, lze určit také rychlost přijímače. Segmenty GPSStruktura tohoto komplexního systému globálního určování polohy je rozdělena do tří hlavních segmentů: Vesmírný segment, Řídicí segment a Uživatel Segment. V tomto jsou řídicí segment a vesmírný segment vyvíjeny, provozovány a udržovány americkým letectvem. Následující obrázek ukazuje tři segmenty systému GPS. Vesmírný segment Vesmírný segment (SS) GPS se skládá ze souhvězdí 24 satelitů, které obíhají kolem Země po přibližně kruhových drahách. Satelity jsou umístěny v šesti orbitálních rovinách, přičemž každá orbitální rovina se skládá ze čtyř satelitů. Sklon orbitálních rovin a umístění satelitů je uspořádáno určitým způsobem tak, že minimálně šest satelitů je vždy v dohledu z jakéhokoli místa na Zemi. Pokud jde o uspořádání souhvězdí v prostoru, GPS Satelity jsou umístěny na střední oběžné dráze Země (MEO) ve výšce přibližně 20,000 XNUMX km. Pro zvýšení redundance a zlepšení přesnosti byl celkový počet GPS satelitů v konstelaci zvýšen na 32, z nichž je 31 družic v provozu. Řídicí segment Řídicí segment (CS) GPS se skládá ze sítě celosvětového monitorování a řízení a sledovací stanice. Primárním úkolem řídicího segmentu je sledovat polohu satelitů GPS a udržovat je na správných oběžných drahách pomocí příkazů pro manévrování. Řídicí systém navíc také určuje a udržuje integritu palubního systému, atmosférické podmínky, data z atomových hodin a další parametry. Řídicí segment GPS je opět rozdělen do čtyř subsystémů: Nová hlavní řídicí stanice (NMCS), Alternativní hlavní řídicí stanice (AMCS), čtyři pozemní antény (GA) a celosvětová síť monitorovacích stanic (MS). Centrálním řídicím uzlem pro satelitní souhvězdí GPS je hlavní řídicí stanice (MSC). Nachází se na letecké základně Schriever v Coloradu a funguje 24 × 7. Hlavní úkoly hlavní řídicí stanice jsou: údržba satelitu, monitorování užitečného zatížení, synchronizace atomových hodin, manévrování na satelitu, správa výkonu signálu GPS, nahrávání dat navigační zprávy, detekce Selhání signalizace GPS a reakce na tyto chyby. Existuje několik monitorovacích stanic (MS), ale šest z nich je důležitých. Jsou umístěny na Havaji, Colorado Springs, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein a Cape Canaveral. Tyto monitorovací stanice nepřetržitě sledují polohu satelitů a data jsou odesílána do Master Control Station k další analýze. K přenosu dat na satelity jsou k dispozici čtyři pozemní antény (GA) jako Ascension Island, Cape Canaveral, Diego Garcia a Kwajalein. Tyto antény se používají k uplinkování dat do satelitů a data mohou být cokoliv jako korekce hodin, telemetrické příkazy a navigační zprávy. Segment uživatelů Uživatelský segment systému GPS se skládá z koncových uživatelů technologie, jako jsou civilisté a vojáci pro navigaci, přesnou nebo standardní umístění a načasování. Obecně platí, že pro přístup ke službám GPS musí být uživatel vybaven přijímači GPS, jako jsou samostatné moduly GPS, mobilní telefony s podporou GPS a vyhrazené konzole GPS. S těmito přijímači GPS mohou civilní uživatelé znát standardní polohu, přesné čas a rychlost, zatímco armáda je používá pro přesné určování polohy, navádění raket, navigaci atd. Princip práce GPSS pomocí přijímačů GPS můžeme vypočítat polohu objektu kdekoli na Zemi buď ve dvourozměrném nebo trojrozměrném prostoru . Přijímače GPS k tomu používají matematickou metodu zvanou Trilaterace, metodu, pomocí které lze určit polohu objektu měřením vzdálenosti mezi objektem a několika dalšími objekty s již známými polohami. Takže v případě přijímačů GPS v pořadí pro zjištění polohy přijímače musí modul přijímače znát následující dvě věci:• Umístění satelitů v prostoru a• Vzdálenost mezi satelity a přijímačem GPS Určení polohy satelitů Aby bylo možné určit polohu satelitů. Satelity GPS využívají dva typy dat přenášených satelity GPS: Almanach Data a Ephemeris Data. Satelity GPS nepřetržitě vysílají svou přibližnou polohu. Tato data se nazývají data Almanachu, která jsou pravidelně aktualizována, jak se satelit pohybuje na oběžné dráze. Tato data jsou přijímána přijímačem GPS a ukládána do jeho paměti. Pomocí dat Almanacu může být přijímač GPS schopen určit oběžné dráhy satelitů a také to, kde se satelity mají nacházet. Podmínky v prostoru nelze předvídat a existuje velká šance, že se satelity mohou odchylovat od jejich skutečnou cestu. Master Control Station (MCS) spolu s vyhrazenými monitorovacími stanicemi (MS) sledují dráhu satelitů spolu s dalšími informacemi, jako je nadmořská výška, rychlost, oběžná dráha a poloha. Pokud dojde v některém z parametrů k chybě, opravená data budou odeslány na satelity tak, aby zůstaly v přesné poloze. Tato orbitální data zasílaná MCS do satelitu se nazývají Ephemeris Data. Družice po přijetí těchto dat opraví svoji polohu a také odešle tato data do přijímače GPS. Pomocí obou dat, tj. Almanach a Ephemeris může být přijímač GPS schopen neustále znát přesnou polohu satelitů. Určení vzdálenosti mezi satelity a přijímačem GPS Při měření vzdálenosti mezi přijímačem GPS a satelity hraje hlavní roli čas. Vzorec pro výpočet vzdálenosti satelitu od přijímače GPS je uveden níže: Vzdálenost = rychlost světla x doba průchodu satelitního signálu Zde je doba průchodu doba, kterou zabere satelitní signál (signál ve formě rádiových vln, odeslané satelitem do přijímače GPS) k dosažení přijímače. Rychlost světla je konstantní a rovná se C = 3 x 108 m/s. Abychom mohli vypočítat čas, musíme nejprve porozumět signálu vysílanému satelitem. Překódovaný signál vysílaný satelitem se nazývá Pseudo Random Noise (PRN). Jakmile satelit vygeneruje tento kód a začne vysílat, přijímač GPS také začne generovat stejný kód a pokusí se je synchronizovat. GPS přijímač poté vypočítá dobu, po kterou musí generovaný kód přijímače projít, než bude synchronizován se satelitním vysíláním Jakmile je známa poloha satelitů a jejich vzdálenost od přijímače GPS, pak lze zjistit polohu přijímače GPS ve 2D prostoru nebo 3D prostoru pomocí následující metody. Umístění přijímače ve 2-D PlaneIn za účelem nalezení polohy objektu nebo přijímače GPS ve 2 - dimenzionálním prostoru, tj letadlo XY, vše, co potřebujeme, je vzdálenost mezi přijímačem GPS a dvěma satelity. Nechť D1 a D2 jsou vzdáleností přijímače od satelitu 1 a satelitu 2. Nyní, když jsou satelity uprostřed a poloměr D1 a D2, nakreslete kolem nich dva kruhy na rovině XY. Obrazové znázornění tohoto případu je znázorněno na následujícím obrázku. Z obrázku výše je zřejmé, že přijímač GPS může být umístěn v kterémkoli ze dvou bodů, kde se tyto dva kruhy protínají. Pokud je oblast nad satelity vyloučena, můžeme určit polohu přijímače GPS v průsečíku kružnic pod satelity. Informace o vzdálenosti ze dvou satelitů jsou dostatečné pro určení polohy přijímače GPS v 2-D nebo XY rovina. Ale skutečný svět je 3 – Dimenzionální prostor a my potřebujeme určit 3 – Dimenzionální pozici GPS přijímače, tzn. jeho zeměpisné šířky, délky a nadmořské výšky. Uvidíme postup krok za krokem k určení trojrozměrného umístění přijímače GPS. Umístění přijímače ve 3D prostoru Předpokládejme, že umístění satelitů vzhledem k přijímači GPS je již známé. Pokud je satelit 1 ve vzdálenosti D1 od přijímače, pak je jasné, že poloha přijímače může být kdekoli na povrchu koule, která je tvořena satelitem 1 jako středem a D1 jako jejím poloměrem. druhý satelit (satelit 2) od přijímače je D2, pak může být poloha přijímače omezena na kružnici tvořenou průsečíkem dvou koulí s poloměry D1 a D2 se satelity 1 a 2 ve středu. Z tohoto obrázku , lze polohu přijímače GPS zúžit na bod na kružnici průsečíku. Pokud ke stávajícím dvěma satelitům přidáme třetí satelit (satelit 3) se vzdáleností D3 od přijímače GPS, pak je umístění přijímače omezeno na průsečík tří sfér, tzn. jeden ze dvou bodů. V situacích v reálném čase není životaschopnost přijímače GPS umístěného na jedné ze dvou pozic životaschopná. To lze vyřešit zavedením čtvrtého satelitu (satelit 4) se vzdáleností D4 od přijímače. Čtvrtý satelit bude schopen určit polohu přijímače GPS z možných dvou míst, která byla dříve určena pouze se třemi satelity. V reálném čase jsou tedy k určení přesné polohy objektu zapotřebí minimálně 4 satelity. Systém GPS prakticky funguje tak, že pro objekt (přijímač GPS) umístěný kdekoli na Zemi je vždy viditelných alespoň 6 satelitů. GPS přijímačů GPS využívají jak civilisté, tak armáda. Proto lze typy přijímačů GPS rozdělit na civilní přijímače GPS a vojenské přijímače GPS. Standardní způsob klasifikace je však založen na typu kódu, který může být přijímač schopen detekovat. V zásadě existují dva typy kódů, které satelit GPS vysílá: Hrubý kód získávání (C/A Code) a P – kód. Spotřebitelské jednotky GPS přijímače mohou detekovat pouze C/A kód. Tento kód není přesný, a proto se civilní polohovací systém nazývá Standardní polohovací služba (SPS). Na druhou stranu P – kód používá armáda a je vysoce přesným kódem. Polohovací systém používaný armádou se nazývá Precise Positioning Service (PPS). Přijímače GPS lze klasifikovat na základě schopnosti dekódovat tyto signály. Další způsob klasifikace komerčně dostupných přijímačů GPS je založen na schopnosti přijímat signály. Pomocí této metody lze GPS přijímače rozdělit na:Jednoduché – Přijímače frekvenčního kóduJednoduché – Frekvenční přenašeč – Přijímače s vyhlazeným kódemJednotlivé – Přijímače frekvenčního kódu a přenašečeDual – Frekvenční přijímače Aplikace globálního polohového systému (GPS) GPS se stalo nezbytnou součástí globální infrastruktury, podobně jako na internetu. GPS je klíčovým prvkem ve vývoji široké škály aplikací, které se šíří napříč různými aspekty moderního života. Nárůst výroby ve velkém měřítku a miniaturizace součástí snížily cenu přijímačů GPS. Níže je uveden malý seznam aplikací, kde GPS hraje důležitou roli. Moderní zemědělství zaznamenalo nárůst produkce pomocí GPS. Zemědělci využívají technologii GPS spolu s moderními elektronickými zařízeními k získání přesných informací o ploše pole, průměrném výnosu, spotřebě paliva, ujeté vzdálenosti atd. V oblasti automobilů se v průmyslových nebo spotřebitelských aplikacích nejčastěji používají automaticky řízená vozidla. GPS umožňuje těmto vozidlům navigaci a určování polohy. Občané používají pro navigaci přijímače GPS. Přijímač GPS může být vyhrazený modul nebo integrovaný modul v mobilních telefonech a náramkových hodinkách. Jsou velmi užitečné při trekkingu, výletech, řízení atd. Mezi další funkce patří přesný čas a rychlost vozidla. Pohotovostní služby, jako jsou hasiči a sanitka, těží z přesného určení polohy místa katastrofy pomocí GPS a mohou být schopny reagovat včas. Vojsko používá vysoce přesné GPS přijímače pro navigaci, sledování cíle, střelu naváděcí systémy atd. Existuje mnoho dalších aplikací, kde se používá GPS nebo kde bude v budoucnu obrovský rozsah použití. Související příspěvky: Bezdrátová komunikace: Úvod, typy a aplikaceMultiplexor a demultiplexer Proč se váš internet neustále odpojuje? Základy vestavěného programu CCo jsou senzory MEMS?

Zanechat vzkaz 

Seznam zpráv