GPS to technologia nawigacyjna, która za pomocą satelitów przekazuje dokładne informacje o lokalizacji. Zasadniczo system GPS składa się z grupy satelitów i dobrze rozwiniętych narzędzi, takich jak odbiornik. System powinien jednak zawierać co najmniej cztery satelity. Każdy satelita i odbiornik są wyposażone w stabilny zegar atomowy. Zegary satelitarne są zsynchronizowane ze sobą i zegarami naziemnymi. Odbiornik GPS również posiada zegar, ale nie jest zsynchronizowany i nie jest stabilny (mniej stabilny). Wszelkie odchylenia rzeczywistego czasu satelitów od zegara naziemnego powinny być codziennie korygowane. Cztery nieznane wielkości (trzy współrzędne i odchylenie zegara od czasu satelitarnego) są wymagane do obliczenia z zsynchronizowanej sieci satelitów i odbiornika.Zadaniem odbiornika GPS jest odbiór sygnałów z sieci satelitów w celu obliczenia trzech podstawowych nieznanych równań czasu i położenia.
Sygnał GPS zawiera kody pseudolosowe oraz czas transmisji i pozycję satelity w tym czasie. Sygnał nadawany przez GPS nazywany jest również częstotliwością nośną z modulacją. Ponadto kod pseudolosowy to sekwencja zer i jedynek. W praktyce, pozycja odbiornika i przesunięcie zegara odbiornika względem czasu systemu odbiornika są obliczane jednocześnie, przy użyciu równań nawigacji do przetwarzania czasu lotu (TOF). TOF to cztery wartości, które odbiornik tworzy, wykorzystując czas nadejścia i czas transmisji sygnału. Lokalizacja jest zwykle konwertowana na szerokość i długość geograficzną oraz wysokość względem geoid (zasadniczo jest to średni poziom morza). Następnie współrzędne są wyświetlane na ekranie.
Elementy GPS
Struktura GPS jest złożona. Składa się z trzech głównych segmentów segmentu kosmicznego, segmentu kontrolnego i segmentu użytkownika. Wystrzelenie satelity na średnią orbitę okołoziemską to żmudna praca. Segment kosmiczny składa się z 24 do 32 satelitów lub pojazdów kosmicznych na tej samej orbicie, po 8 na trzech orbitach kołowych. Co najmniej sześć satelitów jest zawsze w polu widzenia z prawie każdego miejsca na powierzchni Ziemi.
Obok segmentu kosmicznego znajduje się segment kontrolny. W segmencie kontrolnym znajduje się główna stacja kontrolna, alternatywna główna stacja kontrolna, anteny naziemne i stacja monitorująca. Segment użytkowników składa się z tysięcy cywilnych, handlowych i wojskowych usług pozycjonowania. Odbiornik lub urządzenie GPS składa się z anteny dostrojonej do częstotliwości nadawanej przez satelity. Zawiera również ekran do wskazywania lokalizacji i czasu.
Odbiornik GPS jest klasyfikowany na podstawie liczby satelitów, które może monitorować jednocześnie, czyli liczby kanałów. Odbiorniki mają na ogół od czterech do pięciu kanałów, ale ostatnie postępy pokazały, że utworzono również do 20 kanałów.
Częstotliwość satelitarna: Wszystkie częstotliwości transmisji satelitarnej. Pasmo częstotliwości obejmuje pięć typów, takich jak L1, L2, L3, L4 i L5. Te pasma mają zakresy częstotliwości od 1176 MHz do 1600 MHz.
Jak działa GPS
Satelity GPS obracają się wokół Ziemi dwa razy dziennie. Obraca się po bardzo dokładnym kursie i wysyła wskazówki i informacje na ziemię. Odbiorniki GPS otrzymują wszystkie informacje i stosują triangulację, aby odkryć dokładną lokalizację użytkownika. Zasadniczo odbiornik GPS kontrastuje czas, w którym sygnał był rozpraszany przez satelitę i przydziela czas, w którym został odebrany. Różnica czasu określa odległość odbiornika od satelitów GPS. Mierzy dokładną odległość z kilkoma innymi satelitami, a odbiornik określa pozycję użytkownika i wyświetla ją na mapie urządzenia elektronicznego.
Odbiornik musi być zsynchronizowany z sygnałem z co najmniej trzema satelitami, aby uzyskać dwuwymiarową pozycję, a także śledzić ruch użytkownika. Używając czterech lub więcej satelitów, odbiornik może określić trójwymiarową pozycję użytkownika, na którą składa się wysokość, szerokość i długość geograficzna. Po określeniu pozycji użytkownika urządzenie GPS oblicza inne informacje, takie jak prędkość, namiar, ślad, odległość, miejsce docelowe, wschód i zachód słońca.
Jak dokładny jest GPS?
Odbiorniki GPS są bardzo dokładne ze względu na równoległą konstrukcję wielokanałową. Kanały równoległe są bardzo szybkie i precyzyjne, chociaż niektóre czynniki, takie jak hałas atmosferyczny i zakłócenia, mogą czasami zakłócać i wpływać na dokładność odbiorników GPS w ogóle.
Użytkownicy mogą również uzyskać lepszą precyzję dzięki różnicowemu GPS (DGPS), który koryguje sygnały GPS tak, aby otaczały je regularne od trzech do pięciu metrów. US Coast Guard obsługuje najpopularniejszą usługę korekty DGPS. System zawiera układ wież, które odbierają sygnały GPS i nadają dokładny sygnał przez nadajniki beacon. Aby uzyskać dokładny sygnał, użytkownicy muszą mieć oprócz GPS odbiornik i antenę radiolatarni.
Źródła błędów sygnału GPS
Czynniki, które mogą wpływać na precyzję sygnałów GPS, a tym samym wpływać na dokładność, obejmują:
- Opóźnienia jonosfery i troposfery - sygnał satelitarny zwalnia, gdy przekracza warstwy atmosfery. System GPS wykorzystuje wbudowany model, który służy do obliczania regularnego czasu trwania przeszkody wymaganej do skorygowania tego typu niedokładności.
- Sygnał wielodrożny - ten błąd występuje, gdy sygnał odbija się od obiektów, takich jak wyższe budynki i większe skały, zanim dotrze do odbiornika. Zwiększa to całkowity czas trwania ruchu sygnału i powoduje błędy i niedokładności.
- Błędy orbitalne - te błędy są również znane jako błędy efemeryd, które są używane do obliczania niedokładności lokalizacji satelity.
- Liczba widocznych satelitów - dokładność zależy od dokładnej liczby satelitów, które może zobaczyć odbiornik GPS. Czynniki takie jak budynki, ukształtowanie terenu, zakłócenia elektroniczne blokują dokładność i odbiór sygnału, co powoduje błąd pozycji i czasami brak odczytu sygnałów. Zwykle nie działa w pomieszczeniach, pod wodą ani pod ziemią.
Aplikacje
Urządzenie GPS nie tylko do celów wojskowych jest powszechnie znane ze stosowania w usługach cywilnych i handlowych. Niektóre aplikacje cywilne to:
1. Astronomia: stosowana w astrometrii i obliczeniach mechaniki nieba.
2. Pojazdy zautomatyzowane: jest również stosowany w pojazdach zautomatyzowanych (pojazdach bez kierowcy) do określania lokalizacji dla samochodów osobowych i ciężarowych.
3. Telefonia komórkowa: Nowoczesne telefony komórkowe są wyposażone w oprogramowanie do śledzenia GPS. Jest obecny, ponieważ można poznać swoją pozycję, a także śledzić pobliskie media, takie jak bankomaty, kawiarnie, ograniczenia itp. Pierwszy GPS z włączonym telefonem komórkowym został wprowadzony na rynek w latach 90. W telefonii komórkowej jest również używany do wykrywania połączeń alarmowych i wielu innych zastosowań.
4. Pomoc w przypadku katastrof i inne służby ratunkowe: W przypadku jakiejkolwiek klęski żywiołowej GPS jest najlepszym narzędziem do określenia lokalizacji. Nawet przed katastrofami, takimi jak cyklony, GPS pomaga obliczyć szacowany czas.
5. Śledzenie floty: GPS to narzędzie programistyczne znane ze swojego potencjału do śledzenia okrętów wojskowych w czasie wojny.
6. Lokalizacja samochodu: Samochód z włączoną funkcją GPS ułatwia śledzenie jego lokalizacji.
7. Geo-fencing: W geo-fencing używamy GPS do śledzenia człowieka, zwierzęcia lub samochodu. Urządzenie jest przymocowane do pojazdu, osoby lub na obroży zwierzęcia. Zapewnia ciągłe śledzenie i aktualizację.
8. Geotagowanie: jednym z głównych zastosowań jest geotagowanie, czyli stosowanie lokalnych współrzędnych do obiektów cyfrowych.
9. GPS dla górnictwa: wykorzystuje dokładność pozycjonowania na poziomie centymetra.
10. Wycieczki GPS: pomaga w określaniu lokalizacji pobliskich punktów zainteresowania.
11. Geodezja: Geodeci używają Globalnego Systemu Pozycjonowania do kreślenia map.