Что такое система глобального позиционирования? Понимание GPS

Глобальная система позиционирования или GPS - это глобальная навигационная спутниковая система (GNSS), которая обеспечивает систему позиционирования, навигации и синхронизации (PNT). Он был разработан Министерством обороны США (US DoD) в начале 1970-х гг. Существуют и другие спутниковые навигационные системы, такие как российская ГЛОНАСС, европейская Galileo и китайская BeiDou, но американская система глобального позиционирования (GPS) и российская глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС) являются единственными полностью функциональными спутниковыми системами. Навигационная система с 32 группировками спутников и 27 группировками спутников соответственно. До развития технологии GPS основными средствами навигации (в море, суше или воде) были карты и компас. С появлением GPS навигация и определение местоположения стали очень простыми с точностью до двух метров или меньше. Краткая история GPS Обзор структуры GPS Сегменты GPSПространственный сегментСегмент управления Сегмент пользователяПринцип работы GPSОпределение местоположения спутниковОпределение расстояния между спутниками и GPS-приемником Приемник в двухмерной плоскости Положение приемника в трехмерном пространстве Типы приемников GPS Применение глобальной системы позиционирования (GPS) История GPS До разработки GPS в США использовались наземные навигационные системы, такие как LORAN (Long Range Navigation). и Decca Navigator System от Великобритании основные технологии для навигации. Оба эти метода основаны на радиоволнах, а дальность действия была ограничена несколькими сотнями километров. В начале 1960-х годов три правительственные организации США, а именно Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), Министерство обороны (DoD) и Министерство транспорта. (DoT) вместе с несколькими другими организациями приступили к разработке спутниковой навигационной системы с целью обеспечения высокой точности, независимой от погодных условий работы и глобального покрытия. Эта программа превратилась в навигационную спутниковую систему определения времени и дальности глобального позиционирования (NAVSTAR Global Positioning System). Эта система была сначала разработана как военная система для удовлетворения потребностей Вооруженных сил США. Соединенные штаты Военные использовали NAVSTAR для навигации, а также в качестве систем целеуказания и наведения ракет. Возможность того, что противники будут использовать эту навигационную систему против Соединенных Штатов, является основной причиной, по которой гражданским лицам не был предоставлен доступ к ней. Первый спутник NAVSTAR был запущен в 1978 году, а к 1994 году на орбиту была выведена целая группировка из 24 спутников. он полностью готов к работе. В 1996 году США Правительство признало важность GPS для гражданского населения и объявило систему двойного назначения, предоставляющую доступ как военным, так и гражданским лицам. Обзор структуры GPS Основным методом спутниковой навигационной системы Global Positioning System (GPS) является измерение расстояний между приемником и устройством. несколько спутников, которые наблюдаются одновременно. Положение этих спутников уже известно, и, следовательно, путем измерения расстояния между четырьмя из этих спутников и приемником, три координаты положения приемника GPS, т. е. широта, долгота и высота могут быть установлены. Поскольку изменение положения приемника может быть определено очень точно, скорость приемника также может быть определена. Сегменты GPS Структура этой сложной глобальной системы позиционирования разделена на три основных сегмента: космический сегмент, сегмент управления и пользовательский Сегмент. При этом сегмент управления и космический сегмент разрабатываются, эксплуатируются и обслуживаются ВВС США. На следующем изображении показаны три сегмента системы GPS. Космический сегмент Космический сегмент (SS) GPS состоит из созвездия из 24 спутников, которые вращаются вокруг Земли примерно по круговым орбитам. Спутники размещены в шести орбитальных плоскостях, каждая из которых состоит из четырех спутников. Наклон орбитальных плоскостей и расположение спутников устроены таким образом, что минимум шесть спутников всегда находятся в зоне прямой видимости из любого места на Земле. В соответствии с расположением группировки в космосе, GPS Спутники размещаются на средней околоземной орбите (MEO) на высоте около 20,000 XNUMX км. Чтобы увеличить избыточность и повысить точность, общее количество спутников GPS в группировке было увеличено до 32, из которых 31 спутник работает. и станции слежения. Основная задача сегмента управления - отслеживать положение спутников GPS и поддерживать их на правильных орбитах с помощью команд маневрирования. Кроме того, система управления также определяет и поддерживает целостность бортовой системы, атмосферные условия, данные атомных часов. и другие параметры. Сегмент управления GPS снова разделен на четыре подсистемы: новую главную станцию ​​управления (NMCS), альтернативную главную станцию ​​управления (AMCS), четыре наземные антенны (GA) и всемирную сеть станций мониторинга (MS). Центральным управляющим узлом для спутниковой группировки GPS является главная станция управления (MSC). Он расположен на базе ВВС Шривер, штат Колорадо, и работает 24 часа в сутки 7 дней в неделю. Основные обязанности Главной станции управления: обслуживание спутников, мониторинг полезной нагрузки, синхронизация атомных часов, маневрирование спутников, управление характеристиками сигнала GPS, загрузка данных навигационных сообщений, обнаружение Сбои передачи сигналов GPS и реагирование на эти сбои. Существует несколько станций мониторинга (MS), но шесть из них важны. Они расположены на Гавайях, в Колорадо-Спрингс, на острове Вознесения, в Диего-Гарсия, Кваджалейне и на мысе Канаверал. Эти станции мониторинга непрерывно отслеживают положение спутников, и данные отправляются на главную станцию ​​управления для дальнейшего анализа.Для передачи данных на спутники есть четыре наземные антенны (GA), расположенные на острове Вознесения, мысе Канаверал, Диего-Гарсия и Кваджалейн. Эти антенны используются для передачи данных на спутники, и данные могут быть любыми, например, коррекцией часов, командами телеметрии и навигационными сообщениями. Пользовательский сегмент Пользовательский сегмент системы GPS состоит из конечных пользователей технологии, таких как гражданские и военные для навигации, точной или стандартной позиционирование и сроки. Как правило, для доступа к службам GPS пользователь должен быть оснащен GPS-приемниками, такими как автономные GPS-модули, мобильные телефоны с поддержкой GPS и специальные GPS-консоли. С помощью этих GPS-приемников гражданские пользователи могут точно определять стандартное положение. время и скорость, в то время как военные используют их для точного позиционирования, наведения ракет, навигации и т. д. Принцип работы GPS С помощью приемников GPS мы можем вычислить положение объекта в любой точке Земли в двухмерном или трехмерном пространстве. . Для этого в приемниках GPS используется математический метод, называемый трилатерацией, метод, с помощью которого положение объекта может быть определено путем измерения расстояния между объектом и несколькими другими объектами с уже известными положениями. Чтобы определить местоположение приемника, модуль приемника должен знать следующие две вещи: • Местоположение спутников в пространстве и • Расстояние между спутниками и GPS-приемником. Определение местоположения спутников. Приемники GPS используют два типа данных, передаваемых спутниками GPS: данные альманаха и данные эфемерид. Спутники GPS непрерывно передают его приблизительное местоположение. Эти данные называются данными Альманаха, которые периодически обновляются по мере движения спутника по орбите. Эти данные принимаются GPS-приемником и сохраняются в его памяти. С помощью данных Альманаха GPS-приемник может определять орбиты спутников, а также их предполагаемое местонахождение. Условия в космосе невозможно предсказать, и существует огромная вероятность того, что спутники могут отклониться от их реальный путь. Основная станция управления (MCS) вместе со специальными станциями мониторинга (MS) отслеживает путь спутников вместе с другой информацией, такой как высота, скорость, орбита и местоположение. Если есть какая-либо ошибка в любом из параметров, исправленные данные отправляется на спутники, чтобы они оставались в точном положении. Эти орбитальные данные, отправляемые MCS на спутник, называются данными эфемерид. Спутник, получив эти данные, корректирует свое положение, а также отправляет эти данные в приемник GPS. С помощью обоих данных, т. Е. Альманах и эфемериды, GPS-приемник может всегда знать точное положение спутников. Определение расстояния между спутниками и GPS-приемником Для измерения расстояния между GPS-приемником и спутниками время играет важную роль. Формула для расчета расстояния от спутника до GPS-приемника приведена ниже: Расстояние = скорость света x время прохождения спутникового сигнала Здесь время прохождения - это время, затрачиваемое спутниковым сигналом (сигнал в форме радиоволн, посылается спутником на приемник GPS), чтобы достичь приемника. Скорость света является постоянной величиной и равна C = 3 x 108 м / с. Чтобы рассчитать время, сначала нам нужно понять сигнал, отправляемый спутником. Транскодированный сигнал, передаваемый спутником, называется псевдослучайным шумом (PRN). Когда спутник генерирует этот код и начинает передачу, приемник GPS также начинает генерировать тот же код и пытается синхронизировать их. Затем приемник GPS вычисляет величину временной задержки, которую должен пройти код, созданный приемником, перед синхронизацией с переданным спутником. Как только местоположение спутников и их расстояние от приемника GPS известны, определение положения приемника GPS в двухмерном или трехмерном пространстве может быть выполнено с помощью следующего метода: Положение приемника в двухмерной плоскости. чтобы найти положение объекта или GPS-приемника в 2-мерном пространстве, т.е. Плоскость XY, все, что нам нужно найти, это расстояние между GPS-приемником и двумя спутниками. Пусть D1 и D2 - это расстояние от Приемника до Спутника 1 и Спутника 2 соответственно. Теперь, когда спутники находятся в центре и имеют радиус D1 и D2, нарисуйте два круга вокруг них на плоскости XY. Наглядное представление этого случая показано на следующем изображении. Из изображения выше видно, что приемник GPS может быть расположен в любой из двух точек, где пересекаются два круга. Если исключить область над спутниками, мы можем точно указать положение GPS-приемника в точке пересечения кругов под спутниками. Информации о расстоянии от двух спутников достаточно, чтобы определить положение GPS-приемника в плоскость 2-D или XY. Но реальный мир - это трехмерное пространство, и нам нужно определить трехмерное положение GPS-приемника, т.е. его широта, долгота и высота. Мы увидим пошаговую процедуру определения трехмерного местоположения приемника GPS. Положение приемника в трехмерном пространстве. Предположим, что положение спутников относительно приемника GPS уже известно. Если Спутник 1 находится на расстоянии D1 от Приемника, то ясно, что положение приемника может быть где угодно на поверхности сферы, которая образуется со спутником 1 в центре и D1 в качестве его радиуса. второй спутник (Спутник 2) от приемника - это D2, тогда положение приемника может быть ограничено кругом, образованным пересечением двух сфер с радиусами D1 и D2 со спутниками 1 и 2 в центрах соответственно. , положение GPS-приемника можно сузить до точки на круге пересечения. Если мы добавим третий спутник (Спутник 3) на расстоянии D3 от GPS-приемника к существующим двум спутникам, то местоположение приемника будет ограничено пересечением трех сфер, т.е. В ситуациях реального времени наличие неоднозначности расположения GPS-приемника в одной из двух точек недопустимо. Эту проблему можно решить, введя четвертый спутник (спутник 4) на расстоянии D4 от приемника. Четвертый спутник сможет точно указать местоположение приемника GPS из двух возможных местоположений, которые были определены ранее только с тремя спутниками. Следовательно, в реальном времени для определения точного местоположения объекта требуется минимум 4 спутника. На практике система GPS работает так, что не менее 6 спутников всегда видны объекту (приемнику GPS), расположенному в любой точке Земли. GPS-приемников GPS используется как гражданскими, так и военными. Следовательно, типы приемников GPS можно разделить на гражданские приемники GPS и военные приемники GPS. Но стандартный способ классификации основан на типе кода, который приемник может обнаружить. В основном, есть два типа кодов, которые передает спутник GPS: код грубого обнаружения (код C / A) и код P. Потребительские приемники GPS могут определять только код C / A. Этот код неточен, и поэтому гражданская система определения местоположения называется стандартной службой определения местоположения (SPS). P-код, с другой стороны, используется военными и является очень точным кодом. Система позиционирования, используемая военными, называется службой точного позиционирования (PPS). Приемники GPS можно классифицировать на основе способности декодировать эти сигналы. Другой способ классификации имеющихся в продаже приемников GPS основан на возможности приема сигналов. Используя этот метод, приемники GPS можно разделить на: одночастотные приемники кода, одиночные - несущие частоты - приемники сглаженного кода; одиночные - частотные коды и приемники несущей; двойные - частотные приемники; приложения глобальной системы позиционирования (GPS) GPS стал неотъемлемой частью глобальной инфраструктуры, аналогично Интернету. GPS был ключевым элементом в разработке широкого спектра приложений, охватывающих различные аспекты современной жизни. Увеличение масштабов производства и миниатюризация компонентов снизили стоимость GPS-приемников. Небольшой список приложений, в которых GPS играет важную роль, упомянут ниже. В современном сельском хозяйстве наблюдается рост производства с помощью GPS. Фермеры используют технологию GPS вместе с современными электронными устройствами для получения точной информации о площади поля, средней урожайности, расходе топлива, пройденном расстоянии и т. Д. В области автомобилей автоматизированные транспортные средства чаще всего используются в промышленных или потребительских целях. GPS позволяет этим транспортным средствам осуществлять навигацию и позиционирование. Граждане используют GPS-приемники для навигации. Приемник GPS может быть отдельным модулем или встроенным в мобильные телефоны и наручные часы. Они очень полезны в походах, автомобильных поездках, вождении и т. Д. Дополнительные функции включают точное время и скорость транспортного средства. Экстренные службы, такие как пожарная и скорая помощь, извлекают выгоду из точного определения местоположения бедствия с помощью GPS и могут вовремя реагировать. Военные используют высокоточные GPS-приемники для навигации, отслеживания целей и ракет системы наведения и др. Есть множество других приложений, в которых используется GPS, или огромная сфера его использования в будущем. Связанные сообщения: Беспроводная связь: Введение, типы и применения Мультиплексор и демультиплексор Почему ваш Интернет продолжает отключаться? Основы встроенной программы CЧто такое датчики MEMS?

Оставить сообщение 

Список сообщений