Kas ir globālā pozicionēšanas sistēma? Izpratne par GPS

Globālā pozicionēšanas sistēma jeb GPS ir globālā satelītu navigācijas sistēma (GNSS), kas nodrošina pozicionēšanas, navigācijas un laika noteikšanas sistēmu (PNT). To izstrādāja Amerikas Savienoto Valstu Aizsardzības departaments (ASV DoD) 1970. gadu sākumā. Ir arī citas satelītu navigācijas sistēmas, piemēram, Krievijas GLONASS, Eiropas Galileo un Ķīnas BeiDou, bet Amerikas Savienoto Valstu globālās pozicionēšanas sistēma (GPS) un Krievijas globālā satelītu navigācijas sistēma (GLONASS) ir vienīgās pilnībā funkcionējošās satelītu sistēmas. Navigācijas sistēma ar attiecīgi 32 satelītu zvaigznājiem un 27 satelītu zvaigznājiem. Pirms GPS tehnoloģijas izstrādes galvenais navigācijas palīglīdzeklis (jūrā, sauszemē vai ūdenī) ir kartes un kompass. Ieviešot GPS, navigācija un atrašanās vietas noteikšana kļuva ļoti vienkārša ar pozīcijas precizitāti līdz diviem metriem.GPSGPS struktūras pārskats vēstureGPS segmentiTelpas segmentu kontroles segments Lietotāja segments GPS darbības principsSatelītu atrašanās vietas noteikšana Attāluma noteikšana starp satelītiem un GPS uztvērēja pozīciju Uztvērējs 2-D plaknē Uztvērēja novietojums 3D telpā GPS uztvērēju veidi Globālās pozicionēšanas sistēmas (GPS) lietojumprogrammas GPS vēsture Pirms GPS izstrādes uz zemes balstītas navigācijas sistēmas, piemēram, LORAN (Long Range Navigation), ko veica ASV un Apvienotās Karalistes Decca Navigator System ir galvenās navigācijas tehnoloģijas. Abas šīs metodes ir balstītas uz radioviļņiem, un diapazoni bija ierobežoti līdz dažiem simtiem kilometru. 1960. gadu sākumā trīs no Amerikas Savienoto Valstu valdības organizācijām, proti, Nacionālā aeronautikas un kosmosa pārvalde (NASA), Aizsardzības departaments (DoD) un Transporta departaments. (DoT) kopā ar vairākām citām organizācijām sāka izstrādāt satelītu navigācijas sistēmu, lai nodrošinātu augstu precizitāti, no laikapstākļiem neatkarīgu darbību un globālu pārklājumu. Šī programma attīstījās par navigācijas satelītu laika un attāluma globālās pozicionēšanas sistēmu (NAVSTAR globālo pozicionēšanas sistēmu). Šī sistēma vispirms tika izstrādāta kā militāra sistēma, lai apmierinātu Amerikas Savienoto Valstu militārpersonu vajadzības. ASV Militāri izmantoja NAVSTAR navigācijai, kā arī ieroču sistēmu mērķēšanas un raķešu vadības sistēmām. Ienaidnieku iespēja izmantot šo navigācijas sistēmu pret ASV ir galvenais iemesls, kāpēc civiliedzīvotājiem tai netika dota piekļuve. Pirmais NAVSTAR satelīts tika palaists 1978. gadā, un līdz 1994. gadam orbītā tika novietota pilna 24 satelītu konstelācija, tādējādi padarot tas pilnībā darbojas.1996. gadā ASV Valdība atzina GPS nozīmi civiliedzīvotājiem un paziņoja par divējāda lietojuma sistēmu, kas ļauj piekļūt gan militārpersonām, gan civiliedzīvotājiem.GPS struktūras pārskats Satelītu navigācijas sistēmas globālās pozicionēšanas sistēmas (GPS) pamatmetode ir mērīt attālumu starp uztvērēju un daži satelīti tiek novēroti vienlaicīgi. Šo satelītu atrašanās vietas jau ir zināmas, un tādējādi, mērot attālumu starp četriem no šiem satelītiem un uztvērēju, tiek iegūtas trīs GPS uztvērēja atrašanās vietas koordinātas, ti. var noteikt platumu, garumu un augstumu. Tā kā uztvērēja pozīcijas izmaiņas var noteikt ļoti precīzi, var noteikt arī uztvērēja ātrumu.GPS segmentiŠīs sarežģītās globālās pozicionēšanas sistēmas struktūra ir sadalīta trīs galvenajos segmentos: kosmosa segments, vadības segments un lietotājs. Segments. Šajā jomā vadības segmentu un kosmosa segmentu izstrādā, ekspluatē un uztur Amerikas Savienoto Valstu gaisa spēki. Nākamajā attēlā redzami trīs GPS sistēmas segmenti. Kosmosa segments GPS kosmosa segments (SS) sastāv no 24 satelītu konstelācijas, kas riņķo ap Zemi aptuveni apļveida orbītā. Satelīti ir novietoti sešās orbitālajās plaknēs, un katra orbitālā plakne sastāv no četriem satelītiem. Orbitālo plakņu slīpums un satelītu pozicionēšana ir sakārtota īpašā veidā tā, lai vismaz seši satelīti vienmēr būtu redzamības līnijā no jebkuras vietas uz Zemes. Runājot par zvaigznāja izvietojumu telpā, GPS Satelīti tiek novietoti vidējā zemes orbītā (MEO) aptuveni 20,000 XNUMX km augstumā. Lai palielinātu dublēšanu un uzlabotu precizitāti, kopējais GPS satelītu skaits zvaigznājā ir palielināts līdz 32, no kuriem darbojas 31 satelīts.Vadības segmentsGPS vadības segments (CS) sastāv no vispasaules uzraudzības un kontroles tīkla. un izsekošanas stacijas. Vadības segmenta galvenais uzdevums ir izsekot GPS satelītu atrašanās vietai un uzturēt tos pareizās orbītās ar manevrēšanas komandu palīdzību. Turklāt vadības sistēma nosaka un uztur arī borta sistēmas integritāti, atmosfēras apstākļus, datus no atompulksteņiem. un citi parametri. GPS vadības segments atkal ir sadalīts četrās apakšsistēmās: jauna galvenā vadības stacija (NMCS), alternatīvā galvenā vadības stacija (AMCS), četras zemes antenas (GA) un globālais monitoringa staciju tīkls (MS). GPS satelītu konstelācijas centrālais vadības mezgls ir galvenā vadības stacija (MSC). Tas atrodas Šrīveras gaisa spēku bāzē, Kolorādo, un darbojas 24 x 7. Galvenās vadības stacijas galvenie pienākumi ir: satelītu apkope, kravnesības uzraudzība, atompulksteņu sinhronizēšana, satelīta manevrēšana, GPS signāla veiktspējas pārvaldība, navigācijas ziņojumu datu augšupielāde, noteikšana. GPS signalizācijas kļūmes un reaģēšana uz tām. Ir vairākas monitora stacijas (MS), bet sešas no tām ir svarīgas. Tie atrodas Havaju salās, Kolorādospringsā, Debesbraukšanas salā, Djego Garsijā, Kvadžaleinā un Kanaveralas ragā. Šīs monitoru stacijas nepārtraukti izseko satelītu atrašanās vietu, un dati tiek nosūtīti uz galveno vadības staciju turpmākai analīzei. Lai pārsūtītu datus uz satelītiem, ir četras zemes antenas (GA), kas atrodas kā Debesbraukšanas sala, Kanaveralas rags, Djego Garsija un Kvadžaleins. Šīs antenas tiek izmantotas datu augšupsaitei ar satelītiem, un dati var būt jebkas, piemēram, pulksteņa korekcija, telemetrijas komandas un navigācijas ziņojumi. Lietotāju segments GPS sistēmas lietotāju segments sastāv no tādas tehnoloģijas galalietotājiem kā civiliedzīvotāji un militārpersonas precīzai vai standarta navigācijai. pozicionēšana un laiks. Parasti, lai piekļūtu GPS pakalpojumiem, lietotājam ir jābūt aprīkotam ar GPS uztvērējiem, piemēram, atsevišķiem GPS moduļiem, mobilajiem tālruņiem, kas ir iespējoti GPS, un speciālām GPS konsolēm. Izmantojot šos GPS uztvērējus, civilie lietotāji var zināt standarta pozīciju, precīzu laiks un ātrums, kamēr militārpersonas tos izmanto precīzai pozicionēšanai, raķešu vadībai, navigācijai utt. GPS darbības princips Ar GPS uztvērēju palīdzību mēs varam aprēķināt objekta pozīciju jebkurā vietā uz Zemes vai nu divdimensiju, vai trīsdimensiju telpā. . Šim nolūkam GPS uztvērēji izmanto matemātisko metodi, ko sauc par trilaterāciju — metodi, ar kuras palīdzību var noteikt objekta pozīciju, izmērot attālumu starp objektu un dažiem citiem objektiem ar jau zināmām pozīcijām. Tātad GPS uztvērēju gadījumā lai uzzinātu uztvērēja atrašanās vietu, uztvērēja modulim ir jāzina šādas divas lietas:• satelītu atrašanās vieta telpā un• attālums starp satelītiem un GPS uztvērēju. Satelītu atrašanās vietas noteikšanaLai noteiktu satelīta atrašanās vietu. satelītiem, GPS uztvērēji izmanto divu veidu datus, ko pārraida GPS satelīti: Almanac Data un Ephemeris Data. GPS satelīti nepārtraukti pārraida savu aptuveno atrašanās vietu. Šos datus sauc par Almanaha datiem, kas tiek periodiski atjaunināti, satelītam pārvietojoties orbītā. Šos datus saņem GPS uztvērējs un saglabā tā atmiņā. Ar Almanaha datu palīdzību GPS uztvērējs var noteikt satelītu orbītas un arī to, kur tiem vajadzētu atrasties. Telpas apstākļus nevar paredzēt, un pastāv liela iespēja, ka satelīti var novirzīties no viņu patiesais ceļš. Galvenā vadības stacija (MCS) kopā ar speciālajām monitoru stacijām (MS) izseko satelītu ceļu kopā ar citu informāciju, piemēram, augstumu, ātrumu, orbītu un atrašanās vietu. Ja kādā no parametriem ir kļūda, tiek laboti dati. nosūtīti uz satelītiem, lai tie paliktu precīzā pozīcijā. Šos orbitālos datus, ko MCS nosūta uz satelītu, sauc par Efemerida datiem. Satelīts, saņemot šos datus, koriģē savu pozīciju un arī nosūta šos datus GPS uztvērējam. Ar gan datu palīdzību, ti. Almanac un Ephemeris, GPS uztvērējs var visu laiku zināt precīzu satelītu atrašanās vietu. Attāluma noteikšana starp satelītiem un GPS uztvērēju Lai izmērītu attālumu starp GPS uztvērēju un satelītiem, laika vietai ir liela nozīme. Formula satelīta attāluma no GPS uztvērēja aprēķināšanai ir dota zemāk: Attālums = gaismas ātrums x satelīta signāla tranzīta laiksŠeit tranzīta laiks ir satelīta signāla (signāla radio viļņu veidā, no satelīta uz GPS uztvērēju), lai sasniegtu uztvērēju. Gaismas ātrums ir nemainīga vērtība un ir vienāds ar C = 3 x 108 m/s. Lai aprēķinātu laiku, vispirms ir jāsaprot satelīta sūtītais signāls. Satelīta pārraidīto pārkodēto signālu sauc par pseidogadījuma troksni (PRN). Kad satelīts ģenerē šo kodu un sāk pārraidīt, arī GPS uztvērējs sāk ģenerēt to pašu kodu un mēģina tos sinhronizēt. Pēc tam GPS uztvērējs aprēķina laika aizkavi, kas jāpaiet uztvērēja ģenerētajam kodam, pirms tiek sinhronizēts ar pārraidīto satelītu. kods.Kad ir zināma satelītu atrašanās vieta un attālums no GPS uztvērēja, tad GPS uztvērēja atrašanās vietas noskaidrošanu vai nu 2D telpā, vai 3D telpā var veikt, izmantojot šādu metodi.Uztvērēja novietojums 2-D PlaneIn lai atrastu objekta vai GPS uztvērēja pozīciju 2 – dimensiju telpā, ti XY lidmašīna, viss, kas mums jāatrod, ir attālums starp GPS uztvērēju un diviem satelītiem. Ļaujiet D1 un D2 būt uztvērēja attālumam attiecīgi no 1. un 2. satelīta. Tagad ar satelītiem centrā un ar rādiusu D1 un D2 ap tiem uz XY plaknes uzzīmējiet divus apļus. Šī gadījuma grafiskais attēlojums ir parādīts nākamajā attēlā. No iepriekš redzamā attēla ir skaidrs, ka GPS uztvērējs var atrasties vienā no diviem punktiem, kur krustojas divi apļi. Ja apgabals virs satelītiem ir izslēgts, mēs varam noteikt GPS uztvērēja pozīciju apļu krustpunktā zem satelītiem. Attāluma informācija no diviem satelītiem ir pietiekama, lai noteiktu GPS uztvērēja pozīciju 2-D vai XY plakne. Bet reālā pasaule ir 3 dimensiju telpa, un mums ir jānosaka GPS uztvērēja 3 dimensiju pozīcija, ti, tā platums, garums un augstums. Mēs redzēsim soli pa solim procedūru, lai noteiktu GPS uztvērēja 3 dimensiju atrašanās vietu. Uztvērēja stāvoklis 3D telpā Pieņemsim, ka satelītu atrašanās vietas attiecībā pret GPS uztvērēju jau ir zināmas. Ja 1. satelīts atrodas D1 attālumā no uztvērēja, tad ir skaidrs, ka uztvērēja pozīcija var būt jebkurā vietā no tās sfēras virsmas, kas izveidota ar satelītu 1 kā centru un D1 kā tā rādiusu. otrs satelīts (2. satelīts) no uztvērēja ir D2, tad uztvērēja atrašanās vietu var ierobežot līdz aplim, ko veido divu sfēru krustojums ar rādiusiem D1 un D2 ar attiecīgi 1. un 2. satelītu centros. No šī attēla , GPS uztvērēja pozīciju var sašaurināt līdz punktam uz krustojuma apļa. Ja esošajiem diviem satelītiem pievienojam trešo satelītu (3. satelītu) ar attālumu D3 no GPS uztvērēja, tad uztvērēja atrašanās vieta ir ierobežota līdz trīs sfēru krustpunktam, ti. viens no diviem punktiem. Reālā laika situācijās GPS uztvērēja neviennozīmīgums, kas atrodas vienā no abām pozīcijām, nav dzīvotspējīgs. To var atrisināt, ieviešot ceturto satelītu (4. satelītu) ar attālumu D4 no uztvērēja. Ceturtais satelīts varēs precīzi noteikt GPS uztvērēja atrašanās vietu no iespējamām divām vietām, kuras iepriekš tika noteiktas tikai ar trim satelītiem. Tādējādi reāllaikā, lai noteiktu precīzu objekta atrašanās vietu, ir nepieciešami vismaz 4 satelīti. Praktiski GPS sistēma darbojas tā, ka objektam (GPS uztvērējam), kas atrodas jebkurā vietā uz Zemes, vienmēr ir redzami vismaz 6 satelīti. GPS uztvērēji GPS izmanto gan civiliedzīvotāji, gan militārpersonas. Tādējādi GPS uztvērēju veidus var klasificēt civilajos GPS uztvērējos un militārajos GPS uztvērējos. Bet standarta klasifikācijas veids ir balstīts uz koda veidu, ko uztvērējs var noteikt. Būtībā ir divu veidu kodi, ko GPS satelīts pārraida: rupjais iegūšanas kods (C/A kods) un P kods. Patērētāju GPS uztvērēja vienības var noteikt tikai C/A kodu. Šis kods nav precīzs, un tāpēc civilo pozicionēšanas sistēmu sauc par standarta pozicionēšanas pakalpojumu (SPS). No otras puses, P kodu izmanto militārpersonas, un tas ir ļoti precīzs kods. Pozicionēšanas sistēmu, ko izmanto militārpersonas, sauc par precīzās pozicionēšanas dienestu (PPS). GPS uztvērējus var klasificēt, pamatojoties uz spēju atšifrēt šos signālus. Vēl viens veids, kā klasificēt komerciāli pieejamos GPS uztvērējus, ir balstīta uz spēju uztvert signālus. Izmantojot šo metodi, GPS uztvērējus var iedalīt: vienotos – frekvenču koda uztvērējos, vienotos – frekvenču nesējos – izlīdzinātos koda uztvērējos. līdzīgi kā internetā. GPS ir bijis galvenais elements plaša pielietojuma klāsta attīstībā, kas izplatās dažādos mūsdienu dzīves aspektos. Liela mēroga ražošanas pieaugums un komponentu miniaturizācija ir samazinājusi GPS uztvērēju cenas. Zemāk ir minēts neliels to lietojumprogrammu saraksts, kurās GPS ir svarīga loma. Mūsdienu lauksaimniecība ir piedzīvojusi ražošanas pieaugumu, izmantojot GPS. Lauksaimnieki izmanto GPS tehnoloģiju kopā ar modernām elektroniskām ierīcēm, lai iegūtu precīzu informāciju par lauka platību, vidējo ražu, degvielas patēriņu, nobraukto attālumu uc GPS ļauj šiem transportlīdzekļiem veikt navigāciju un pozicionēšanu. Civiliedzīvotāji navigācijas nolūkos izmanto GPS uztvērējus. GPS uztvērējs var būt īpašs modulis vai iegults modulis mobilajos tālruņos un rokas pulksteņos. Tie ir ļoti noderīgi pārgājienos, braucienos, braucot utt. Papildu funkcijas ietver precīzu transportlīdzekļa laiku un ātrumu.Neatliekamās palīdzības dienesti, piemēram, ugunsdzēsības un ātrā palīdzība, gūst labumu no precīzas katastrofas vietas pozicionēšanas, izmantojot GPS, un var reaģēt laikā.Militāri izmanto augstas precizitātes GPS uztvērējus navigācijai, mērķa izsekošanai, raķetēm. vadības sistēmas utt. Ir daudzas citas lietojumprogrammas, kurās tiek izmantots GPS vai milzīgs izmantošanas apjoms nākotnē. Saistītās ziņas: Bezvadu sakari: Ievads, veidi un lietojumprogrammas Multiplekseris un demultipleksētājsKāpēc jūsu internets nepārtraukti atvienojas? Iegultās C programmas pamatiKas ir MEMS sensori?

Atstāj ziņu 

Message saraksts