GPS - это навигационная технология, которая с помощью спутников сообщает точную информацию о местоположении. В основном система GPS состоит из группы спутников и хорошо разработанных инструментов, таких как приемник. Однако система должна включать как минимум четыре спутника. Каждый спутник и приемник оснащены стабильными атомными часами. Часы спутников синхронизированы друг с другом и с наземными часами. GPS-приемник также имеет часы, но они не синхронизированы и нестабильны (менее стабильны). Любое отклонение фактического времени спутников от наземных часов должно корректироваться ежедневно. Четыре неизвестных величины (три координаты и отклонение часов от времени спутника) должны быть вычислены из синхронизированной сети спутников и приемника.Работа приемника GPS заключается в приеме сигналов от сети спутников для вычисления трех основных неизвестных уравнений времени и положения.
Сигнал GPS включает в себя псевдослучайные коды, время передачи и положение спутника в это время. Сигнал, передаваемый GPS, также называется несущей частотой с модуляцией. Далее, псевдослучайный код - это последовательность нулей и единиц. На практике положение приемника и смещение часов приемника относительно системного времени приемника вычисляются одновременно с использованием навигационных уравнений для обработки времени полета (TOF). TOF - это четыре значения, которые приемник формирует, используя время прибытия и время передачи сигнала. Местоположение обычно преобразуется в широту, долготу и высоту относительно геоидов (по сути, средний уровень моря). Затем координаты отображаются на экране.
Элементы GPS
Структура GPS - сложная. Он состоит из трех основных сегментов: космического сегмента, контрольного сегмента и пользовательского сегмента. Вывод спутника на среднюю околоземную орбиту - трудоемкая работа. Космический сегмент включает от 24 до 32 спутников или космических аппаратов на одной орбите, по 8 на трех круговых орбитах. По крайней мере, шесть спутников всегда находятся в зоне прямой видимости практически с любой точки земной поверхности.
Рядом с космическим сегментом находится контрольный сегмент. В сегменте управления находится главная станция управления, альтернативная главная станция управления, наземные антенны и станция мониторинга. Сегмент пользователей состоит из тысяч служащих гражданского, коммерческого и военного позиционирования. Приемник или устройство GPS состоит из антенны, настроенной на частоту, передаваемую через спутники. Он также включает экран для отображения местоположения и времени.
Приемник GPS классифицируется по количеству спутников, которые он может контролировать одновременно, то есть количеству каналов. Ресиверы обычно имеют от четырех до пяти каналов, но недавние достижения показали, что также было сделано до 20 каналов.
Спутниковая частота: все частоты спутникового вещания. Полоса частот состоит из пяти типов, таких как L1, L2, L3, L4 и L5. Эти полосы имеют частотные диапазоны от 1176 МГц до 1600 МГц.
Как работает GPS
Спутники GPS два раза в день совершают оборот вокруг Земли. Он вращается по очень точному курсу и отправляет на Землю указания и информацию. Приемники GPS получают всю информацию и применяют триангуляцию, чтобы определить точное местоположение пользователя. По сути, приемник GPS сравнивает продолжительность распространения сигнала спутником и определяет время его приема. Разница во времени определяет, как далеко приемник находится от спутников GPS. Он измеряет точное расстояние с несколькими спутниками, а приемник определяет положение пользователя и отображает его на карте электронного устройства.
Приемник должен быть привязан к сигналу, по крайней мере, с тремя спутниками, чтобы получить двухмерное положение, а также отслеживать движение пользователя. Используя четыре или более спутников, приемник может определять трехмерное положение пользователя, которое состоит из высоты, широты и долготы. После определения местоположения пользователя блок GPS вычисляет другую информацию, такую как скорость, пеленг, трек, расстояние, пункт назначения, время восхода и захода солнца.
Насколько точен GPS?
Приемники GPS очень точны из-за параллельной многоканальной конструкции. Параллельные каналы работают очень быстро и точно, хотя некоторые факторы, такие как атмосферный шум и помехи, могут иногда мешать и влиять на точность GPS-приемников в целом.
Пользователи также могут получить повышенную точность с помощью дифференциального GPS (DGPS), который корректирует сигналы GPS, чтобы они были окружены обычным расстоянием от трех до пяти метров. Береговая охрана США управляет самой распространенной службой коррекции DGPS. Система содержит расположение вышек, которые принимают сигналы GPS и передают точный сигнал радиомаяками. Чтобы получить точный сигнал, пользователи должны иметь дифференциальный приемник маяка и антенну маяка помимо GPS.
Источники ошибок сигнала GPS
Факторы, которые могут повлиять на точность сигналов GPS и, таким образом, повлиять на точность, включают следующее:
- Задержки в ионосфере и тропосфере. Спутниковый сигнал замедляется при пересечении слоев атмосферы. Система GPS использует встроенную модель, которая используется для расчета регулярной продолжительности помех, необходимой для исправления этого типа неточности.
- Многолучевость сигнала - эта ошибка возникает, когда сигнал отражается от объектов, таких как более высокие здания и большие камни, прежде чем он достигает приемника. Это увеличивает общую продолжительность прохождения сигнала и вызывает ошибки и неточности.
- Орбитальные ошибки - эти ошибки также известны как ошибки эфемерид, которые используются для вычисления неточностей местоположения спутника.
- Количество видимых спутников - точность зависит от точного количества спутников, видимых приемником GPS. Такие факторы, как здания, местность, электронные помехи, блокируют точность и прием сигнала, что приводит к ошибкам в определении местоположения, а иногда и к отсутствию считывания сигналов. Обычно он не работает в помещении, под водой и под землей.
Приложения
Устройство GPS широко известно не только для использования в военных целях, но и в гражданских и коммерческих службах. Некоторые гражданские приложения:
1. Астрономия: используется в расчетах астрометрии и небесной механики.
2. Автоматизированные транспортные средства: он также используется в автоматизированных транспортных средствах (транспортных средствах без водителя) для определения местоположения автомобилей и грузовиков.
3. Сотовая телефония. Современные мобильные телефоны оснащены программным обеспечением для отслеживания GPS. Он присутствует, потому что можно узнать свое местонахождение, а также можно отслеживать близлежащие коммунальные услуги, такие как банкоматы, кафе, устройства безопасности и т. Д. Первый GPS с поддержкой сотового телефона был выпущен в 1990-х годах. В сотовой телефонии он также используется для обнаружения экстренных вызовов и многих других приложений.
4. Помощь при стихийных бедствиях и другие службы экстренной помощи. В случае любого стихийного бедствия лучшим инструментом для определения местоположения является GPS. Даже до стихийных бедствий, таких как циклоны, GPS помогает рассчитать приблизительное время.
5. Отслеживание флота: GPS - это инструмент для разработчиков, известный своим потенциалом отслеживания военных кораблей во время войны.
6. Местоположение автомобиля. Автомобиль с поддержкой GPS упрощает отслеживание его местоположения.
7. Гео-фехтование. В гео-фехтовании мы используем GPS для отслеживания человека, животного или автомобиля. Устройство крепится к транспортному средству, человеку или на ошейнике животного. Он обеспечивает постоянное отслеживание и обновление.
8. Геотегирование: одно из основных приложений - геотегирование, то есть применение локальных координат к цифровым объектам.
9. GPS для добычи полезных ископаемых: использует точность позиционирования на сантиметровом уровне.
10. GPS-туры: помогает определить местоположение ближайших достопримечательностей.
11. Съемка: геодезисты используют Глобальную систему позиционирования для построения карт.