Vad är Global Positioning System? Förstå GPS

Global Positioning System eller GPS är ett Global Navigation Satellite System (GNSS) som tillhandahåller positionering, navigering och tidtagningssystem (PNT). Det utvecklades av USA:s försvarsdepartement (US DoD) i början av 1970-talet. Det finns andra satellitbaserade navigationssystem som Rysslands GLONASS, Europas Galileo och Kinas BeiDou, men USA:s Global Positioning System (GPS) och ryska Global Navigation Satellite System (GLONASS) är de enda fullt fungerande satellitbaserade Navigationssystem med 32 satellitkonstellationer respektive 27 satellitkonstellationer. Innan GPS-tekniken utvecklades var det främsta hjälpmedlet för navigering (i hav, land eller vatten) kartor och kompass. Med introduktionen av GPS blev navigeringen och positioneringen mycket enkel med en positionsnoggrannhet på två meter eller mindre. Översikt över GPSGPS-strukturens historikGPS-segmentRymdssegmentKontrollsegmentAnvändarsegmentArbetsprincip för GPSBestämma satelliternas position.Bestämma avståndet mellan satelliterna och GPS-mottagarens position Mottagare i 2-D-plan Placering av mottagaren i 3D-utrymme Typer av GPS-mottagare Applikationer av GPS-historia (GPS) Tidigare GPS-utveckling, markbaserade navigationssystem som LORAN (Long Distance Navigation) av USA och Decca Navigator System från Storbritannien är de viktigaste teknikerna för navigering. Båda dessa tekniker är baserade på radiovågor och räckvidden var begränsad till några hundra kilometer. I början av 1960-talet, tre av USA:s regeringsorganisationer, nämligen National Aeronautics and Space Administration (NASA), Department of Defense (DoD) och Department of Transportation (DoT) tillsammans med flera andra organisationer började utveckla ett satellitbaserat navigationssystem med syftet att ge hög precision, väderoberoende drift och global täckning. Detta program utvecklades till Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System (NAVSTAR Global Positioning System). Detta system utvecklades först som ett militärt system för att uppfylla behoven hos USA:s militär. USA Militären använde NAVSTAR för navigering såväl som för inriktning av vapensystem och missilstyrningssystem. Möjligheten för fiender att använda detta navigationssystem mot USA är den främsta anledningen till att civila inte fick tillgång till den. Den första NAVSTAR -satelliten lanserades 1978 och 1994 placerades en fullständig konstellation av 24 satelliter i omloppsbanan och gjorde därmed Det var helt operativt. 1996, USA Regeringen insåg vikten av GPS för civila och deklarerade ett system med dubbla användningsområden, vilket ger tillgång till både militära och civila.GPS-strukturöversiktDen grundläggande tekniken för det satellitbaserade navigationssystemet Global Positioning System (GPS) är att mäta avstånden mellan mottagaren och en få satelliter som observeras samtidigt. Positionerna för dessa satelliter är redan kända och genom att mäta avståndet mellan fyra av dessa satelliter och mottagaren kan de tre koordinaterna för GPS-mottagarens position dvs. latitud, longitud och höjd kan fastställas. Eftersom förändringen i mottagarens position kan bestämmas mycket noggrant, kan mottagarens hastighet också bestämmas.GPS-segmentStrukturen av detta komplexa Global Positioning System är uppdelad i tre huvudsegment: Space Segment, The Control Segment och The User Segmentet. I detta utvecklas, drivs och underhålls kontrollsegmentet och rymdsegmentet av United States Air Force. Följande bild visar de tre segmenten av GPS-systemet. RymdsegmentRymdsegmentet (SS) av GPS:en består av en konstellation av 24 satelliter som kretsar runt jorden i ungefär cirkulära banor. Satelliterna är placerade i sex orbitalplan där varje orbitalplan består av fyra satelliter. Orbitalplanens lutning och positioneringen av satelliterna är arrangerade på ett speciellt sätt så att minst sex satelliter alltid är i sikte från vilken plats som helst på jorden. När det gäller arrangemanget av konstellationen i rymden, GPS:en Satelliter placeras i Medium Earth Orbit (MEO) på en höjd av cirka 20,000 XNUMX km. För att öka redundansen och förbättra noggrannheten har det totala antalet GPS-satelliter i konstellationen utökats till 32, av vilka 31 satelliter är i drift. Kontrollsegment Kontrollsegmentet (CS) för GPS:en består av ett nätverk av världsomspännande övervakning och kontroll och spårningsstationer. Kontrollsegmentets primära uppgift är att spåra GPS-satelliternas position och bibehålla dem i rätt omloppsbana med hjälp av manövreringskommandon. Dessutom bestämmer och upprätthåller styrsystemet systemets integritet ombord, atmosfäriska förhållanden, data från atomklockor och andra parametrar. GPS-kontrollsegmentet är återigen uppdelat i fyra delsystem: en ny huvudkontrollstation (NMCS), en alternativ huvudkontrollstation (AMCS), fyra markantenner (GA) och ett världsomspännande nätverk av monitorstationer (MS). Den centrala kontrollnoden för GPS-satellitkonstellationen är Master Control Station (MSC). Den är belägen på Schriever Air Force Base, Colorado och fungerar 24×7. Huvudansvaret för Master Control Station är: Satellitunderhåll, övervakning av nyttolast, synkronisering av atomklockor, satellitmanövrering, hantering av GPS-signalprestanda, uppladdning av navigationsmeddelandedata, detektering GPS Signalerar fel och svarar på dessa fel. Det finns flera monitorstationer (MS) men sex av dem är viktiga. De finns på Hawaii, Colorado Springs, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein och Cape Canaveral. Dessa övervakningsstationer spårar kontinuerligt satelliternas position och data skickas till Master Control Station för vidare analys. För att kunna överföra data till satelliter finns det fyra markantenner (GA) som ligger som Ascension Island, Cape Canaveral, Diego Garcia och Kwajalein. Dessa antenner används för att länka upp data till satelliter och data kan vara allt som klockkorrigering, telemetrikommandon och navigeringsmeddelanden. Användarsegment Användarsegmentet i GPS-systemet består av slutanvändare av tekniken som civila och militärer för navigering, exakt eller standard. positionering och timing. Generellt, för att få tillgång till GPS-tjänsterna måste användaren vara utrustad med GPS-mottagare som fristående GPS-moduler, mobiltelefoner som är GPS-aktiverade och dedikerade GPS-konsoler. Med dessa GPS-mottagare kan civila användare veta standardposition, exakt tid och hastighet medan militären använder dem för exakt positionering, missilstyrning, navigering, etc. Arbetsprincip för GPSMed hjälp av GPS-mottagare kan vi beräkna positionen för ett objekt var som helst på jorden, antingen i tvådimensionellt eller tredimensionellt rymd . För detta använder GPS-mottagare en matematisk metod som kallas Trilateration, en metod som använder vilken positionen för ett objekt kan bestämmas genom att mäta avståndet mellan objektet och få andra objekt med redan kända positioner. Så, i fallet med GPS-mottagare, för att för att ta reda på mottagarens plats måste mottagarmodulen känna till följande två saker:• Satelliternas placering i utrymmet och• Avståndet mellan satelliterna och GPS-mottagaren. Fastställa satelliternas placeringFör att bestämma platsen för satelliterna satelliter använder GPS-mottagarna två typer av data som sänds av GPS-satelliterna: almanacksdata och Ephemeris-data. GPS-satelliterna sänder kontinuerligt sin ungefärliga position. Dessa data kallas almanacksdata, som regelbundet uppdateras när satelliten rör sig i omloppsbanan. Dessa data tas emot av GPS-mottagaren och lagras i dess minne. Med hjälp av almanacksdata kan GPS-mottagaren bestämma satelliternas banor och även var satelliterna ska vara. Förhållandena i rymden går inte att förutsäga och det finns en stor chans att satelliterna kan avvika från deras faktiska väg. Master Control Station (MCS) tillsammans med de dedikerade övervakningsstationerna (MS) spårar satelliternas väg tillsammans med annan information som höjd, hastighet, omloppsbana och plats. Om det finns något fel i någon av parametrarna är den korrigerade informationen skickas till satelliterna så att de stannar i exakt position. Dessa omloppsdata som skickas av MCS till satellit kallas Ephemeris Data. Satelliten korrigerar vid mottagandet av dessa data sin position och skickar även dessa data till GPS-mottagaren.Med hjälp av både data dvs. Almanacka och Ephemeris, GPS-mottagaren kan hela tiden veta den exakta positionen för satelliterna. Bestämma avståndet mellan satelliterna och GPS-mottagaren För att mäta avståndet mellan GPS-mottagaren och satelliterna spelar tiden en viktig roll. Formeln för att beräkna avståndet mellan satelliten från GPS-mottagaren ges nedan: Avstånd = Ljushastighet x Transittid för satellitsignalen Här är Transittiden den tid som satellitsignalen tar (signal i form av radiovågor, skickas av satelliten till GPS-mottagaren) för att nå mottagaren. Ljusets hastighet är ett konstant värde och är lika med C = 3 x 108 m/s. För att kunna beräkna tiden måste vi först förstå signalen som skickas av satelliten. Den omkodade signalen som sänds av satelliten kallas Pseudo Random Noise (PRN). När satelliten genererar denna kod och börjar sända, börjar GPS-mottagaren också generera samma kod och försöker synkronisera dem. GPS-mottagaren beräknar sedan hur lång tidsfördröjning den mottagarens genererade koden måste genomgå innan den synkroniseras med den sända satelliten kod. När satelliternas plats och deras avstånd från GPS-mottagaren är kända, kan du ta reda på GPS-mottagarens position i antingen 2D Space eller 3D Space med hjälp av följande metod. Position av mottagare i 2-D PlaneIn för att hitta objektets eller GPS-mottagarens position i 2 – Dimensionellt utrymme dvs ett XY-plan, allt vi behöver hitta är avståndet mellan GPS-mottagaren och två av satelliterna. Låt D1 och D2 vara mottagarens avstånd från satellit 1 respektive satellit 2. Rita nu två cirklar runt dem på ett XY-plan med satelliterna i mitten och en radie på D1 och D2. Bilden av detta fall visas i följande bild. Från bilden ovan är det tydligt att GPS -mottagaren kan placeras på någon av de två punkterna där de två cirklarna skär varandra. Om området ovanför satelliterna är uteslutet kan vi fästa GPS -mottagarens position vid skärningspunkten mellan cirklarna under satelliterna. Avståndsinformationen från två satelliter är tillräcklig för att bestämma GPS -mottagarens position i ett 2D- eller XY-plan. Men den verkliga världen är ett tredimensionellt utrymme och vi måste bestämma GPS -mottagarens 3 -dimensionella position dvs. dess latitud, longitud och höjd. Vi kommer att se en steg-för-steg-procedur för att bestämma GPS-mottagarens tredimensionella position. Mottagarens position i 3D-rymden Låt oss anta att positionerna för satelliterna i förhållande till GPS-mottagaren redan är kända. Om satellit 1 är på ett avstånd av D1 från mottagaren är det tydligt att mottagarens position kan vara var som helst på ytan av sfären som är bildad med satellit 1 som centrum och D1 som dess radie. en andra satellit (satellit 2) från mottagaren är D2, då kan mottagarens position begränsas till cirkeln som bildas av skärningspunkten mellan två sfärer med radierna D1 och D2 med satelliterna 1 och 2 i mitten respektive. Från denna bild , kan GPS-mottagarens position minskas till en punkt i skärningscirkeln. Om vi ​​lägger till en tredje satellit (satellit 3) med ett avstånd D3 från GPS -mottagaren till de befintliga två satelliterna, så är mottagarens plats begränsad till skärningspunkten mellan de tre sfärerna dvs. någon av de två punkterna. I realtidssituationer är det inte lönsamt att ha tvetydigheten hos GPS-mottagaren placerad vid en av de två positionerna. Detta kan lösas genom att introducera en fjärde satellit (satellit 4) med ett avstånd D4 från mottagaren. Den fjärde satelliten kommer att kunna peka ut GPS-mottagarens position från de möjliga två platserna som bestämdes tidigare med endast tre satelliter. I realtid krävs därför minst 4 satelliter för att bestämma objektets exakta position. Praktiskt taget fungerar GPS-systemet så att minst 6 satelliter alltid är synliga för ett objekt (GPS-mottagare) var som helst på jorden. Typer GPS-mottagare GPS används av både civila och militärer. Därför kan typerna av GPS -mottagare klassificeras i civila GPS -mottagare och militära GPS -mottagare. Men standardklassificeringen är baserad på den typ av kod som mottagaren kan upptäcka. I grund och botten finns det två typer av koder som en GPS -satellit sänder: Coarse Acquisition Code (C/A Code) och P - Code. Konsument GPS-mottagare kan endast detektera C/A-kod. Denna kod är inte korrekt och därför kallas det civila positioneringssystemet Standard Positioning Service (SPS). P - koden används å andra sidan av militären och är en mycket exakt kod. Det positioneringssystem som militären använder kallas Precise Positioning Service (PPS). GPS-mottagarna kan klassificeras baserat på förmågan att avkoda dessa signaler. Ett annat sätt att klassificera kommersiellt tillgängliga GPS-mottagare är baserat på förmågan att ta emot signaler. Med denna metod kan GPS -mottagare delas in i: Single - Frequency Code Receivers Single - Frequency Carrier - Smoothed Code Receivers Single - Frequency Code & Carrier Receivers Dual - Frequency Receivers Applications of Global Positioning System (GPS) GPS har blivit en väsentlig del av den globala infrastrukturen, liknande Internet. GPS har varit nyckelelementet i utvecklingen av ett brett utbud av applikationer som sprids över olika aspekter av det moderna livet. Ökning av storskalig tillverkning och miniatyrisering av komponenter har reducerat priset på GPS-mottagare. En liten lista över applikationer där GPS spelar en viktig roll nämns nedan. Det moderna lantbruket har sett ett uppsving i produktionen med hjälp av GPS. Jordbrukare använder GPS-teknik tillsammans med moderna elektroniska enheter för att få exakt information om fältarea, genomsnittlig avkastning, bränsleförbrukning, tillryggalagd sträcka, etc. Inom bilar är automatiserade vägledda fordon de vanligaste i industri- eller konsumenttillämpningar. GPS möjliggör för dessa fordon i navigering och positionering. Civila använder GPS-mottagare för navigeringsändamål. GPS-mottagaren kan vara en dedikerad modul eller en inbyggd modul i mobiltelefoner och armbandsur. De är mycket hjälpsamma vid vandring, roadtrips, bilkörning, etc. Ytterligare funktioner inkluderar exakt tid och hastighet för fordonet. Nödtjänster som brand och ambulans drar nytta av den exakta positioneringen av katastrofplatsen med GPS och kan svara i tid. Militären använder GPS-mottagare med hög precision för navigering, målspårning, missiler styrsystem osv. Det finns många andra applikationer där GPS används eller ett enormt användningsområde i framtiden.Relaterade inlägg:Trådlös kommunikation: Introduktion, typer och applikationerMultiplexer och demultiplexerVarför kopplar ditt internet ner sig hela tiden?Grunderna i Embedded C-programVad är MEMS-sensorer?

Lämna ett meddelande 

meddelande~~POS=TRUNC