Hvad er Global Positioning System? Forståelse af GPS

Global Positioning System eller GPS er et Global Navigation Satellite System (GNSS), der leverer positionerings-, navigations- og timingsystem (PNT). Det blev udviklet af USA's forsvarsministerium (US DoD) i begyndelsen af ​​1970'erne. Der er andre satellitbaserede navigationssystemer som Ruslands GLONASS, Europas Galileo og Kinas BeiDou, men USA's Global Positioning System (GPS) og det russiske Global Navigation Satellite System (GLONASS) er det eneste fuldt funktionelle satellitbaserede navigationssystem med 32 satellitkonstellationer og 27 satellitkonstellationer. Før udviklingen af ​​GPS-teknologi var det vigtigste hjælpemiddel til navigation (i hav, land eller vand) kort og kompas. Med introduktionen af ​​GPS blev navigationen og positionsbestemmelsen meget let med en positionsnøjagtighed på to meter eller mindre. Oversigt over GPSGPS-strukturens oversigtGPS-segmenter RumsegmentKontrolsegmentBrugersegmentArbejdsprincippet for GPS Bestemmelse af satellitternes placering Bestemmelse af afstanden mellem satellitterne og GPS-modtagerens position i modtagerens plan-2-modtagerposition. GPS-modtagere Anvendelser af Global Positioning System (GPS) Historien om GPS Før udviklingen af ​​GPS, jordbaserede navigationssystemer som LORAN (Long Range Navigation) af USA og Decca Navigator System fra Storbritannien er de vigtigste teknologier til navigation. Begge disse teknikker er baseret på radiobølger, og rækkevidden var begrænset til nogle få hundrede kilometer. I begyndelsen af ​​1960'erne begyndte tre af de amerikanske regeringsorganisationer, nemlig National Aeronautics and Space Administration (NASA), Department of Defense (DoD) og Department of Transportation (DoT) sammen med flere andre organisationer at udvikle et satellitbaseret navigationssystem med det formål at levere høj nøjagtighed og dækning af satellitbaseret navigation til Timved denne globale satellit- og navigationsprogrammer. og Ranging Global Positioning System (NAVSTAR Global Positioning System). Dette system blev først udviklet som et militært system for at opfylde behovene hos United States Military. USA Militære brugte NAVSTAR til navigation såvel som målretning af våbensystemer og missilstyringssystemer. Muligheden for, at fjender bruger dette navigationssystem mod USA, er hovedårsagen til, at civile ikke fik adgang til det.Den første NAVSTAR-satellit blev opsendt i 1978, og i 1994 var en fuld konstellation af 24 satellitter placeret i kredsløbet, og dermed gjorde den fuldstændig operationel.I 1996, USA Regeringen anerkendte vigtigheden af ​​GPS for civile og erklærede et system med dobbelt anvendelse, der giver adgang til både militære og civile.GPS-strukturoversigtDen grundlæggende teknik i det satellitbaserede navigationssystem Global Positioning System (GPS) er at måle afstandene mellem modtageren og nogle få satellitter, der observeres samtidigt. Disse satellitters positioner er allerede kendt og koordinerer derfor afstanden mellem de tre af GPS-modtagere, og dermed koordinerer de tre af GPS-modtagernes afstand. s position dvs breddegrad, længdegrad og højde kan etableres. Da ændringen i modtagerens position kan bestemmes meget præcist, kan modtagerens hastighed også bestemmes.GPS-segmenterStrukturen af ​​dette komplekse Global Positioning System er opdelt i tre hovedsegmenter: Rumsegmentet, Kontrolsegmentet og Brugersegmentet. I dette er kontrolsegmentet og rumsegmentet udviklet, drevet og vedligeholdt af United States Air Force. Det følgende billede viser de tre segmenter af GPS-systemet. Rumsegmentet Space Segment (SS) af GPS'en består af en konstellation af 24 satellitter, der kredser omkring Jorden i tilnærmelsesvis cirkulære kredsløb. Satellitterne er placeret i seks orbitalplaner, hvor hvert orbitalplan består af fire satellitter. Orbitalplanernes hældning og positioneringen af ​​satellitterne er arrangeret på en særlig måde, således at mindst seks satellitter altid er i synslinje fra et hvilket som helst sted på Jorden. Når man kommer til arrangementet af konstellationen i rummet, placeres GPS-satellitterne i Medium Earth Orbit (MEO) i en højde af cirka 20,000 KM. For at øge redundansen og forbedre nøjagtigheden er det samlede antal GPS-satellitter i konstellationen blevet øget til 32, hvoraf 31 satellitter er operationelle.KontrolsegmentKontrolsegmentet (CS) af GPS'en består af et netværk af verdensomspændende overvågnings- og kontrol- og sporingsstationer. Kontrolsegmentets primære opgave er at spore GPS-satelliternes position og vedligeholde dem i korrekte baner ved hjælp af manøvreringskommandoer. Derudover bestemmer og vedligeholder kontrolsystemet også den indbyggede systemintegritet, atmosfæriske forhold, data fra atomure og andre parametre. GPS-kontrolsegmentet er igen opdelt i fire undersystemer: a New Master Control Station, en AlternateMCS (Ny Master Control Station) og et verdensomspændende netværk af monitorstationer (MS'er). Den centrale kontrolknude for GPS-satellitkonstellationen er Master Control Station (MSC). Det er placeret på Schriever Air Force Base, Colorado og opererer 24×7. Hovedansvaret for Master Control Station er: Satellitvedligeholdelse, Nyttelastovervågning, synkronisering af atomure, Satellitmanøvrering, styring af GPS-signalets ydeevne, upload af navigationsmeddelelsesdata, detektering af GPS-signaleringsfejl og reagere på disse fejl. De er placeret på Hawaii, Colorado Springs, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein og Cape Canaveral. Disse monitorstationer sporer løbende satellitternes position, og dataene sendes til Master Control Station for yderligere analyse. For at kunne transmittere data til satellitter er der fire jordantenner (GA) placeret som Ascension Island, Cape Canaveral, Diego Garcia og Kwajalein. Disse antenner bruges til at uplinke data til satellitter, og dataene kan være alt som urkorrektion, telemetrikommandoer og navigationsmeddelelser.BrugersegmentBrugersegmentet af GPS-systemet består af slutbrugere af teknologien som civile og militære til navigation, præcis eller standard positionering og timing. For at få adgang til GPS-tjenesterne skal brugeren generelt være udstyret med GPS-modtagere som Stand-alone GPS-moduler, mobiltelefoner, der er GPS-aktiverede og dedikerede GPS-konsoller. Med disse GPS-modtagere kan civile brugere kende standardposition, nøjagtig tid og hastighed, mens militæret bruger dem til præcis positionering, missilstyring, navigation, osv. på Jorden enten i todimensionelt eller tredimensionelt rum. Til dette bruger GPS-modtagere en matematisk metode kaldet Trilateration, en metode, hvorved positionen af ​​et objekt kan bestemmes ved at måle afstanden mellem objektet og få andre objekter med allerede kendte positioner. Så i tilfælde af GPS-modtagere, for at finde ud af modtagerens placering, skal modtagermodulet kende følgende to ting:• Placering af satellitter mellem satellitter og satellitter Afstanden mellem modtageren og satellitterne. for at bestemme placeringen af ​​satellitterne gør GPS-modtagere brug af to typer data, der transmitteres af GPS-satellitterne: Almanak-dataene og Ephemeris-dataene. GPS-satellitterne transmitterer kontinuerligt dens omtrentlige position. Disse data kaldes almanakdataene, som periodisk opdateres, når satellitten bevæger sig i kredsløbet. Disse data modtages af GPS-modtageren og gemmes i dens hukommelse. Ved hjælp af Almanak-data kan GPS-modtageren være i stand til at bestemme satellitternes kredsløb og også hvor satellitterne skal være. Forholdene i rummet kan ikke forudsiges, og der er en enorm chance for, at satellitterne kan afvige fra deres faktiske vej. Master Control Station (MCS) sammen med de dedikerede monitorstationer (MS) sporer satellitternes vej sammen med anden information som højde, hastighed, kredsløb og placering. Hvis der er nogen fejl i nogen af ​​parametrene, sendes de korrigerede data til satellitterne, så de forbliver i den nøjagtige position. Disse orbitaldata, der sendes af MCS til satellitten, kaldes Ephemeris Data. Satellitten retter efter modtagelse af disse data sin position og sender også disse data til GPS-modtageren. Ved hjælp af både data, dvs. Almanak og Ephemeris, kan GPS-modtageren være i stand til at kende den nøjagtige position af satellitterne, hele tiden. Bestemmelse af afstand mellem satellitterne og GPS-modtageren For at måle afstanden mellem GPS-modtageren og satellitterne, spiller tiden en stor rolle. Formlen til beregning af afstanden mellem satellitten fra GPS-modtageren er givet nedenfor: Afstand = Lyshastighed x Transittid for satellitsignalet Her er Transittiden den tid, det tager satellitsignalet (signal i form af radiobølger, sendt af satellitten til GPS-modtageren) for at nå modtageren. Hastigheden af ​​lyset er lig med C3 konstant værdi og x m = 108. For at beregne tiden skal vi først forstå signalet, der sendes af satellitten. Det omkodede signal, der transmitteres af satellitten, kaldes Pseudo Random Noise (PRN). Efterhånden som satellitten genererer denne kode og begynder at sende, begynder GPS-modtageren også at generere den samme kode og forsøger at synkronisere dem. GPS-modtageren beregner derefter den tidsforsinkelse, som den modtagergenererede kode skal gennemgå, før den bliver synkroniseret med den satellittransmitterede kode. Når først satellitternes placering og deres afstand fra GPS-modtagerens position er kendt i GPS-modtagerens position, kan enten GPS-modtagerens position eller GPS-2-rummet være kendt. gøres ved hjælp af følgende metode.Modtagerens position i 3-D PlaneFor at finde positionen af ​​objektet eller GPS-modtageren i 2 – Dimensionelt rum dvs. et XY-fly, alt hvad vi skal finde er afstanden mellem GPS-modtageren og to af satellitterne. Lad D1 og D2 være afstanden mellem modtageren og henholdsvis satellit 1 og satellit 2. Tegn nu to cirkler omkring dem på et XY-plan med satellitterne i midten og en radius på D1 og D2. Den billedlige repræsentation af denne sag er vist i det følgende billede. Fra ovenstående billede er det tydeligt, at GPS-modtageren kan placeres på et af de to punkter, hvor de to cirkler skærer hinanden. Hvis området over satellitterne udelukkes, kan vi fastgøre GPS-modtagerens position ved skæringspunktet mellem cirklerne under satellitterne. Afstandsinformationen fra to satellitter er tilstrækkelig til at bestemme GPS-modtagerens position i et 2-D- eller XY-plan. Men den virkelige verden er et 3-dimensionelt rum, og vi skal bestemme GPS-modtagerens 3-dimensionelle position, dvs. dens breddegrad, længdegrad og højde. Vi vil se en trin-for-trin procedure til at bestemme GPS-modtagerens 3-dimensionelle placering. Position af modtageren i 3D-rumLad os antage, at satellitternes placering i forhold til GPS-modtageren allerede er kendt. Hvis satellit 1 er i en afstand af D1 fra modtageren, så er det klart, at modtagerens position kan være hvor som helst på overfladen af ​​kuglen, der er dannet med satellit 1 som centrum og D1 som dens radius. Hvis afstanden af ​​en anden satellit (satellit 2) fra modtageren er D2, så kan positionen af ​​modtageren være begrænset til spherens cirklen for to spherer med D1 og D2-cirklen med satellitter. 1 og 2 i henholdsvis midten. Fra dette billede kan GPS-modtagerens position indsnævres til et punkt i skæringscirklen. Hvis vi tilføjer en tredje satellit (Satellit 3) med en afstand D3 fra GPS-modtageren til de eksisterende to satellitter, så er modtagerens placering begrænset til skæringspunktet mellem de tre sfærer, dvs. et af de to punkter. I realtidssituationer er det ikke muligt at have tvetydigheden af ​​GPS-modtager placeret ved en ud af de to positioner. Dette kan løses ved at introducere en fjerde satellit (Satellit 4) med en afstand D4 fra modtageren. Den fjerde satellit vil være i stand til at pege GPS-modtagerens placering ud fra de mulige to placeringer, som blev bestemt tidligere med kun tre satellitter. Derfor kræves der i realtid et minimum af 4 satellitter for at bestemme objektets nøjagtige placering. Praktisk set fungerer GPS-systemet sådan, at mindst 6 satellitter altid er synlige for et objekt (GPS-modtager), der er placeret hvor som helst på Jorden.Typer af GPS-modtagere GPS'en bruges af både civile og militære. Derfor kan typerne af GPS-modtagere klassificeres i civile GPS-modtagere og militære GPS-modtagere. Men standardmetoden til klassificering er baseret på den type kode, som modtageren kan være i stand til at detektere. Grundlæggende er der to typer koder, som en GPS-satellit sender: Coarse Acquisition Code (C/A-kode) og P - Code. Forbruger-GPS-modtagerenhederne kan kun detektere C/A-kode. Denne kode er ikke nøjagtig, og derfor kaldes det civile positioneringssystem Standard Positioning Service (SPS). P-koden bruges på den anden side af militæret og er en meget nøjagtig kode. Det positioneringssystem, som militæret bruger, kaldes Precise Positioning Service (PPS). GPS-modtagere kan klassificeres baseret på evnen til at afkode disse signaler. En anden måde at klassificere kommercielt tilgængelige GPS-modtagere er baseret på evnen til at modtage signaler. Ved hjælp af denne metode kan GPS-modtagere opdeles i: Enkelt - Frekvenskodemodtagere Enkelt - Frekvensbærer - Udjævnede kodemodtagere Enkelt - Frekvenskode- og bæremodtagereDobbelt - FrekvensmodtagereApplikationer af Global Positioning System (GPS) GPS er blevet en væsentlig del af den globale infrastruktur, der ligner den globale infrastruktur. GPS har været nøgleelementet i udviklingen af ​​en bred vifte af applikationer spredt over forskellige aspekter af det moderne liv. Forøgelse af storskalaproduktion og miniaturisering af komponenter har reduceret prisen på GPS-modtagere. En lille liste over applikationer, hvor GPS spiller en vigtig rolle er nævnt nedenfor. Moderne landbrug har set et løft i produktionen ved hjælp af GPS. Landmænd bruger GPS-teknologi sammen med moderne elektroniske enheder til at få præcise oplysninger om markareal, gennemsnitligt udbytte, brændstofforbrug, tilbagelagt distance osv. Inden for biler er automatiserede vejledte køretøjer de oftest brugte i industri- eller forbrugerapplikationer. GPS gør det muligt for disse køretøjer at navigere og positionere. Civile bruger GPS-modtagere til navigationsformål. GPS-modtageren kan være et dedikeret modul eller et indlejret modul i mobiltelefoner og armbåndsure. De er meget hjælpsomme til trekking, roadtrips, kørsel osv. Yderligere funktioner omfatter nøjagtig tid og hastighed af køretøjet. Nødtjenester som brand og ambulance drager fordel af den nøjagtige positionering af katastrofepositionen ved hjælp af GPS og kan være i stand til at reagere til tiden. Militæret bruger højpræcisions GPS-modtagere til navigation, målsporing, missilstyringssystemer osv. Der er adskillige andre applikationer, hvor GPS bliver brugt eller et enormt anvendelsesområde i fremtiden.Relaterede indlæg:Trådløs kommunikation: Introduktion, typer og applikationerMultiplexer og DemultiplexerHvorfor dit internet bliver ved med at afbryde forbindelsen?Grundlæggende om Embedded C-programHvad er MEMS-sensorer?

Læg en besked 

Message List