Što je globalni sustav pozicioniranja? Razumijevanje GPS-a

Globalni sustav pozicioniranja ili GPS je globalni navigacijski satelitski sustav (GNSS) koji pruža sustav pozicioniranja, navigacije i mjerenja vremena (PNT). Razvilo ga je Ministarstvo obrane Sjedinjenih Država (SAD DoD) početkom 1970 -ih godina. Postoje i drugi satelitski navigacijski sustavi poput ruskog GLONASS -a, europskog Galileo -a i kineskog BeiDou -a, ali Globalni sustav pozicioniranja Sjedinjenih Država (GPS) i Ruski globalni navigacijski satelitski sustav (GLONASS) jedini su potpuno funkcionalni sateliti Navigacijski sustav s 32 satelitske konstelacije i 27 satelitskih konstelacija. Prije razvoja GPS tehnologije, glavna pomoć za navigaciju (po moru, kopnu ili vodi) bile su karte i kompas. S uvođenjem GPS-a, navigacija i pozicioniranje postali su vrlo jednostavni s preciznošću položaja od dva metra ili manje.Outline Povijest GPSGPS-a Pregled struktureGPS-segmentiSegmenti prostoraUpravljanje segmentomKorisnički segment Radni princip GPS-a Određivanje lokacije satelita Određivanje udaljenosti satelita i ponovnog GPS-a Prijemnik u 2-D ravni Položaj prijemnika u 3D prostoru Vrste GPS prijemnika Primjena globalnog sustava pozicioniranja (GPS) Povijest GPS-a Prije razvoja GPS-a, zemaljskih navigacijskih sustava kao što je LORAN (Long Range Navigation) u SAD-u i Decca Navigator System iz Velike Britanije su glavne tehnologije za navigaciju. Obje ove tehnike temelje se na radio valovima, a domet je bio ograničen na nekoliko stotina kilometara. Početkom 1960 -ih tri su vladine organizacije Sjedinjenih Država, naime Nacionalna uprava za aeronautiku i svemir (NASA), Ministarstvo obrane (DoD) i Ministarstvo prometa (DoT) zajedno s nekoliko drugih organizacija započeo je razvoj satelitskog navigacijskog sustava s ciljem pružanja visoke točnosti, rada neovisnog o vremenskim prilikama i globalne pokrivenosti. Ovaj program je evoluirao u navigacijski sustav za satelitsko mjerenje vremena i globalno pozicioniranje (NAVSTAR Global Positioning System). Ovaj sustav je najprije razvijen kao vojni sustav kako bi zadovoljio potrebe vojske Sjedinjenih Država. Sad Vojska je koristila NAVSTAR za navigaciju, kao i sustave za ciljanje oružja i sustave za navođenje projektila. Mogućnost da neprijatelji koriste ovaj navigacijski sustav protiv Sjedinjenih Država glavni je razlog zašto civili nisu imali pristup njemu. Prvi NAVSTAR satelit lansiran je 1978. godine, a do 1994. godine cijela konstelacija od 24 satelita postavljena je u orbitu i tako potpuno je operativan. 1996. u SAD -u Vlada je prepoznala važnost GPS -a za civile i proglasila sustav dvostruke namjene koji omogućuje pristup i vojsci i civilima. Pregled strukture GPS -a Osnovna tehnika satelitskog navigacijskog sustava Global Positioning System (GPS) je mjerenje udaljenosti između prijemnika i nekoliko satelita koji se istodobno promatraju. Položaji ovih satelita već su poznati i stoga mjerenjem udaljenosti između četiri od ovih satelita i prijemnika, tri koordinate položaja GPS prijamnika, tj. geografska širina, dužina i nadmorska visina mogu se ustanoviti. Budući da se promjena položaja prijemnika može vrlo točno odrediti, može se odrediti i brzina prijemnika.GPS segmenti Struktura ovog složenog globalnog sustava pozicioniranja podijeljena je na tri velika segmenta: Svemirski segment, Kontrolni segment i Korisnik Segment. Pri tome, zračne snage Sjedinjenih Država razvijaju, upravljaju i održavaju kontrolni i svemirski segment. Sljedeća slika prikazuje tri segmenta GPS sustava.Svemirski segmentSvemirski segment (SS) GPS-a sastoji se od konstelacije od 24 satelita koji kruže oko Zemlje u približno kružnim orbitama. Sateliti su smješteni u šest orbitalnih ravnina sa svakom orbitalnom ravninom koja se sastoji od četiri satelita. Nagib orbitalnih ravnina i pozicioniranje satelita raspoređeni su na određeni način tako da je najmanje šest satelita uvijek u vidnom polju s bilo kojeg mjesta na Zemlji. Dolazeći do rasporeda zviježđa u prostoru, GPS Sateliti se nalaze u srednjoj Zemljinoj orbiti (MEO) na visini od približno 20,000 KM. Kako bi se povećala redundancija i poboljšala točnost, ukupan broj GPS satelita u konstelaciji povećan je na 32, od kojih je 31 satelit u funkciji. Kontrolni segment Kontrolni segment (CS) GPS-a sastoji se od mreže za praćenje i kontrolu diljem svijeta i stanice za praćenje. Primarni zadatak kontrolnog segmenta je pratiti položaj GPS satelita i održavati ih u pravilnim orbitama uz pomoć naredbi za manevriranje. Dodatno, kontrolni sustav također određuje i održava integritet sustava na brodu, atmosferske uvjete, podatke iz atomskih satova i drugi parametri. GPS kontrolni segment ponovno je podijeljen u četiri podsustava: Nova glavna upravljačka stanica (NMCS), alternativna glavna upravljačka stanica (AMCS), četiri zemaljske antene (GA) i svjetska mreža nadzornih stanica (MS). Središnji kontrolni čvor za GPS satelitsku konstelaciju je glavna kontrolna stanica (MSC). Nalazi se u bazi Schriever Air Force Base, Colorado i djeluje 24×7. Glavne odgovornosti glavne kontrolne stanice su: održavanje satelita, praćenje tereta, sinkronizacija atomskih satova, manevriranje satelita, upravljanje performansama GPS signala, učitavanje podataka navigacijskih poruka, otkrivanje Greške GPS signalizacije i reagiranje na te greške. Postoji nekoliko nadzornih stanica (MS), ali šest od njih je važno. Nalaze se na Havajima, Colorado Springsu, otoku Ascension, Diego Garcia, Kwajalein i Cape Canaveral. Ove nadzorne stanice kontinuirano prate položaj satelita i podaci se šalju glavnoj kontrolnoj stanici na daljnju analizu. Kako bi se podaci prenijeli na satelite, postoje četiri zemaljske antene (GA) koje se nalaze kao otok Uzašašća, Cape Canaveral, Diego Garcia i Kwajalein. Te se antene koriste za uplink podataka do satelita, a podaci mogu biti bilo što poput korekcije sata, telemetrijskih naredbi i navigacijskih poruka. Korisnički segmentKorisnički segment GPS sustava sastoji se od krajnjih korisnika tehnologije poput civila i vojske za navigaciju, preciznu ili standardnu pozicioniranje i vrijeme. Općenito, kako bi pristupio GPS uslugama, korisnik mora biti opremljen GPS prijemnicima poput samostalnih GPS modula, mobilnih telefona s omogućenim GPS -om i namjenskim GPS konzolama. Pomoću ovih GPS prijamnika civilni korisnici mogu znati standardni položaj, točan vrijeme i brzinu dok ih vojska koristi za precizno pozicioniranje, navođenje projektila, navigaciju itd. Princip rada GPS-a Uz pomoć GPS prijemnika možemo izračunati položaj objekta bilo gdje na Zemlji bilo u dvodimenzionalnom ili trodimenzionalnom prostoru . U tu svrhu GPS prijemnici koriste matematičku metodu pod nazivom Trilateration, metodu pomoću koje se položaj objekta može odrediti mjerenjem udaljenosti između objekta i nekoliko drugih objekata s već poznatim položajima. Dakle, u slučaju GPS prijamnika, redom da bi saznao lokaciju prijemnika, prijemnički modul mora znati sljedeće dvije stvari: • položaj satelita u prostoru i • udaljenost između satelita i GPS prijamnika Određivanje lokacije satelita kako bi se odredilo mjesto GPS sateliti, GPS prijemnici koriste dvije vrste podataka koje GPS sateliti prenose: podatke almanaha i podatke efemeride. GPS sateliti neprestano odašilju svoj približni položaj. Ti se podaci nazivaju podaci Almanaha, koji se povremeno ažuriraju kako se satelit kreće u orbiti. GPS prijemnik prima te podatke i pohranjuje u njegovu memoriju. Uz pomoć podataka iz Almanaha, GPS prijemnik može odrediti orbite satelita, kao i mjesto gdje bi se sateliti trebali nalaziti. Uvjeti u prostoru se ne mogu predvidjeti i postoji velika šansa da sateliti odstupe od njihov stvarni put. Glavna kontrolna stanica (MCS) zajedno s namjenskim nadzornim stanicama (MS) prate putanju satelita zajedno s drugim informacijama kao što su visina, brzina, orbita i lokacija. Ako postoji greška u bilo kojem od parametara, ispravljeni podaci su poslao na satelite tako da ostanu u točnom položaju. Ovi orbitalni podaci koje MCS šalje na satelit nazivaju se efemeridni podaci. Satelit po prijemu ovih podataka ispravlja svoj položaj i također šalje te podatke GPS prijamniku. Uz pomoć oba podatka, tj. Almanah i Efemeris, GPS prijamnik može cijelo vrijeme znati točan položaj satelita. Određivanje udaljenosti između satelita i GPS prijamnika Kako bi se izmjerila udaljenost između GPS prijamnika i satelita, vrijeme ima veliku ulogu. Formula za izračunavanje udaljenosti satelita od GPS prijamnika data je u nastavku: Udaljenost = brzina svjetlosti x vrijeme prolaska satelitskog signala Ovdje je vrijeme prolaska vrijeme potrebno satelitskom signalu (signal u obliku radio valova, šalje satelit GPS prijemniku) kako bi stigao do prijemnika.Brzina svjetlosti je konstantna vrijednost i jednaka je C = 3 x 108 m/s. Kako bismo izračunali vrijeme, prvo moramo razumjeti signal koji šalje satelit. Transkodirani signal koji satelit prenosi naziva se Pseudo Random Noise (PRN). Kako satelit generira ovaj kod i počinje odašiljati, GPS prijemnik također počinje generirati isti kod i pokušava ga sinkronizirati. GPS prijamnik zatim izračunava količinu vremenskog kašnjenja koju mora proći kod generiranog prijemnika prije nego što se sinkronizira sa satelitskim prijenosom code. Nakon što su lokacija satelita i njihova udaljenost od GPS prijemnika poznati, tada se pronalaženje položaja GPS prijemnika u 2D ili 3D prostoru može obaviti pomoću sljedeće metode. Položaj prijemnika u 2-D PlaneIn kako bi se pronašao položaj objekta ili GPS prijemnika u 2 – Dimenzionalnom prostoru tj avionom XY, sve što trebamo pronaći je udaljenost između GPS prijamnika i dva satelita. Neka su D1 i D2 udaljenost prijemnika od satelita 1 i satelita 2. Odnosno, sa satelitima u središtu i radijusom D1 i D2, nacrtajte dva kruga oko njih na ravnini XY. Slikovni prikaz ovog slučaja prikazan je na sljedećoj slici. Iz gornje slike je jasno da se GPS prijamnik može nalaziti na bilo kojoj od dvije točke gdje se sijeku dvije kružnice. Ako je područje iznad satelita isključeno, možemo odrediti položaj GPS prijamnika na točki sjecišta krugova ispod satelita. Informacije o udaljenosti od dva satelita dovoljne su da se odredi položaj GPS prijamnika u 2-D ili XY ravninu. Ali stvarni svijet je trodimenzionalni prostor i moramo odrediti trodimenzionalni položaj GPS prijamnika, tj. njegova zemljopisna širina, dužina i nadmorska visina. Vidjet ćemo postupak korak po korak za određivanje trodimenzionalne lokacije GPS prijemnika. Položaj prijemnika u 3D prostoru Pretpostavimo da su lokacije satelita u odnosu na GPS prijemnik već poznate. Ako je satelit 1 na udaljenosti od D1 od prijemnika, onda je jasno da položaj prijemnika može biti bilo gdje na površini kugle koja je formirana sa satelitom 1 kao središtem i D1 kao polumjerom. Ako je udaljenost od drugi satelit (Satelit 2) s prijemnika je D2, tada se položaj prijemnika može ograničiti na krug nastao presjekom dviju sfera radijusa D1 i D2 sa satelitima 1 i 2 u središtima. S ove slike , položaj GPS prijamnika može se suziti do točke na krugu raskrižja. Ako na postojeća dva satelita dodamo treći satelit (Satelit 3) s udaljenosti D3 od GPS prijamnika, tada je lokacija prijemnika ograničena na sjecište triju sfera, tj. bilo koju od dviju točaka. U situacijama u stvarnom vremenu, dvosmislenost GPS prijemnika koji se nalazi na jednoj od dvije pozicije nije održiva. To se može riješiti uvođenjem četvrtog satelita (Satelit 4) s udaljenošću D4 od prijemnika. Četvrti satelit moći će odrediti lokaciju GPS prijamnika s moguća dva mjesta koja su ranije utvrđena sa samo tri satelita. Stoga su u stvarnom vremenu potrebna najmanje 4 satelita za određivanje točne lokacije objekta. Praktično, GPS sustav radi tako da je najmanje 6 satelita uvijek vidljivo objektu (GPS prijemniku) koji se nalazi bilo gdje na Zemlji. Vrste GPS prijemnika GPS koriste i civili i vojska. Stoga se tipovi GPS prijamnika mogu klasificirati u civilne GPS prijamnike i vojne GPS prijamnike. No standardni način klasifikacije temelji se na vrsti koda koji prijemnik može otkriti. U osnovi postoje dvije vrste kodova koje GPS satelit odašilje: Kôd grube akvizicije (C/A kod) i P - kôd. Jedinice GPS prijemnika potrošača mogu otkriti samo C/A kod. Ovaj kod nije točan i stoga se civilni sustav pozicioniranja naziva Standard Positioning Service (SPS). P – kod, s druge strane, koristi vojska i vrlo je točan kod. Sustav pozicioniranja koji koristi vojska naziva se Precise Positioning Service (PPS). GPS prijemnici se mogu klasificirati na temelju sposobnosti dekodiranja ovih signala. Drugi način klasifikacije komercijalno dostupnih GPS prijemnika temelji se na sposobnosti primanja signala. Koristeći ovu metodu, GPS prijemnici se mogu podijeliti na: Jednostruki – Prijemnici frekvencijskog koda Jednostruki – Prijemnici frekvencije – Prijemnici izglađenog koda Jednostruki – Prijemnici s frekvencijskim kodom i Prijemnici nositelja Dvostruki – Frekventni prijemnici Primjena Globalnog pozicioniranja (GPS) GPS je postao bitan dio globalne infrastrukture. slično Internetu. GPS je bio ključni element u razvoju širokog spektra aplikacija koje se šire kroz različite aspekte modernog života. Povećanje proizvodnje velikih razmjera i minijaturizacija komponenti smanjila je cijenu GPS prijemnika. Dolje se spominje mali popis aplikacija u kojima GPS igra važnu ulogu. Moderna poljoprivreda doživjela je povećanje proizvodnje uz pomoć GPS-a. Poljoprivrednici koriste GPS tehnologiju zajedno s modernim elektroničkim uređajima kako bi dobili precizne informacije o površini polja, prosječnom prinosu, potrošnji goriva, prijeđenoj udaljenosti itd. U području automobila, automatizirana vođena vozila najčešće se koriste u industrijskim ili potrošačkim aplikacijama. GPS ovim vozilima omogućuje navigaciju i pozicioniranje. Civilno stanovništvo koristi GPS prijamnike za navigaciju. GPS prijemnik može biti namjenski modul ili ugrađeni modul u mobilnim telefonima i ručnim satovima. Vrlo su korisni pri trekingu, putovanjima, vožnji itd. Dodatne značajke uključuju točno vrijeme i brzinu vozila. Hitne službe poput vatrogasaca i hitne pomoći imaju koristi od preciznog pozicioniranja lokacije katastrofe pomoću GPS-a i mogu odgovoriti na vrijeme. Vojska koristi visokoprecizne GPS prijemnike za navigaciju, praćenje ciljeva, projektil sustavi navođenja itd. Postoje brojne druge aplikacije u kojima se koristi GPS ili veliki opseg upotrebe u budućnosti. Povezani postovi: Bežična komunikacija: Uvod, vrste i aplikacije Multiplekser i demultiplekser Zašto se vaš internet stalno prekida? Osnove ugrađenog C programa Što su MEMS senzori?

Ostavite poruku 

Lista Poruka