A GPS olyan navigációs technológia, amely műholdak segítségével pontos információkat közöl a helyről. Alapvetően a GPS rendszer műholdak csoportjából és jól fejlett eszközökből áll, mint például vevő. A rendszernek azonban legalább négy műholdból kell állnia. Minden műhold és a vevő stabil atomórával van ellátva. A műholdas órák szinkronban vannak egymással és a földi órákkal. A GPS-vevőnek van órája is, de nincs szinkronizálva és nem stabil (kevésbé stabil). A műholdak tényleges idejének bármilyen eltérését a földi órától naponta korrigálni kell. Négy ismeretlen mennyiséget (három koordinátát és az óra eltérését a műholdas időtől) kell kiszámítani a műholdak szinkronizált hálózatából és a vevőből.A GPS-vevő feladata, hogy jeleket fogadjon a műholdak hálózatából, hogy kiszámolja az idő és a helyzet három ismeretlen alapvető egyenletét.
A GPS jel tartalmaz álvéletlen kódokat, az átvitel idejét és a műhold helyzetét abban az időben. A GPS által sugárzott jelet modulációval vivőfrekvenciának is nevezik. Ezenkívül az álvéletlen kód nullák és egerek sorozata. Gyakorlatilag a vevő helyzetét és a vevő óra eltolását a vevő rendszer idejéhez viszonyítva egyszerre számítják ki, a navigációs egyenletek felhasználásával a repülési idő (TOF) feldolgozásához. A TOF az a négy érték, amelyet a vevő a jel érkezési és továbbítási idejének felhasználásával alakít ki. A helyet általában szélességre, hosszúságra és magasságra konvertálják a geoidokhoz viszonyítva (lényegében az átlagos tengerszintet). Ezután a koordináták megjelennek a képernyőn.
A GPS elemei
A GPS szerkezete összetett. Az űrszegmens három fő szegmenséből, egy vezérlő szegmensből és egy felhasználói szegmensből áll. A műhold közepes földi pályára juttatása megerőltető munka. Az űrszegmens 24-32 műholdat vagy űrjárművet tartalmaz ugyanazon a pályán, mindegyikből 8 három körpályán. Legalább hat műhold mindig látótávolságban van a föld felszínének szinte mindenhonnan.
Az űrszegmens mellett található a vezérlő szegmens. A vezérlő szegmensben van egy fő vezérlő állomás, egy alternatív fő vezérlő állomás, földi antennák és monitor állomás. A felhasználói szegmens polgári, kereskedelmi és katonai helymeghatározó szolgálatok ezreiből áll. A GPS vevő vagy készülék antennákból áll, amelyek a műholdak által továbbított frekvenciára vannak hangolva. Ez magában foglalja a kijelzőt is a hely és az idő megadásához.
A GPS-vevőt az egyidejűleg megfigyelhető műholdak, azaz a csatornák száma alapján osztályozzák. A vevőkészülékek általában négy-öt csatornával rendelkeznek, de a legújabb fejlemények azt mutatják, hogy akár 20 csatornát is készítettek.
Műholdas frekvencia: Minden műholdas műsorszórási frekvencia. A frekvenciasáv öt típusból áll, például L1, L2, L3, L4 és L5. Ezeknek a sávoknak a frekvenciatartománya 1176 MHz és 1600 M Hz között van.
Hogyan működik a GPS
A GPS műholdak naponta kétszer forognak a Föld körül. Nagyon pontos irányban forog, és jelzéseket és információkat küld a földre. A GPS vevői megkapják az összes információt, és háromszögelést alkalmaznak a felhasználó pontos helyének felderítéséhez. Alapvetõen a GPS vevõje szembeállítja azt az idõtartamot, amely alatt egy műhold szétszórja a jelet, és kijelöli a vétel idejét. Az időeltolódás megfogalmazza, hogy a vevő milyen távolságra van a GPS műholdjaitól. Néhány pontos műhold méri a pontos távolságot, és a vevő meghatározza a felhasználó helyzetét, és megjeleníti azt az elektronikus készülék térképén.
A vevőt legalább három műhold segítségével a jelhez kell rögzíteni, hogy kétdimenziós helyzetet hozzon létre, és nyomon követi a felhasználó mozgását is. Négy vagy több műhold használatával a vevő meghatározhatja a felhasználó háromdimenziós helyzetét, amely magasságból, szélességből és hosszúságból áll. A felhasználó helyzetének meghatározása után a GPS-egység kiszámítja az egyéb információkat, például a sebességet, a csapágyat, a nyomvonalat, a távolságot, a célt, a napfelkeltét és a napnyugta idejét.
Mennyire pontos a GPS?
A GPS vevői nagyon pontosak a párhuzamos többcsatornás kialakítás miatt. A párhuzamos csatornák nagyon gyorsak és pontosak, bár bizonyos tényezők, például a légköri zaj és a zavarok, néha zavarhatják és befolyásolhatják a GPS-vevők pontosságát.
A felhasználók jobb pontosságot érhetnek el a differenciál GPS-sel (DGPS) is, amely korrigálja a GPS-jeleket három-öt méteres szabályos körbevételével. Az amerikai parti őrség működteti a leggyakoribb DGPS korrekciós szolgálatot. A rendszer olyan tornyok elrendezését tartalmazza, amelyek GPS jeleket kapnak és pontos jelet sugároznak jeladóval. A pontos jel elérése érdekében a felhasználóknak differenciál jeladó-vevővel és jeladó antennával kell rendelkezniük a GPS-től eltekintve.
A GPS jel hibáinak forrásai
Azok a tényezők, amelyek károsíthatják a GPS-jelek pontosságát és ezáltal befolyásolhatják a pontosságot, a következőket tartalmazzák:
- Az ionoszféra és a troposzféra késése - A műholdas jel lelassul, amikor átlépi a légköri rétegeket. A GPS-rendszer beépített modellt használ, amely kiszámítja az ilyen típusú pontatlanság kijavításához szükséges akadályok rendszeres időtartamát.
- Signal multipath - Ez a hiba akkor fordul elő, amikor a jel az objektumokról, például a magasabb épületekről és a nagyobb sziklákról visszaverődik, mielőtt az eléri a vevőt. Ez megnöveli a jel mozgásának teljes időtartamát, hibákat és pontatlanságokat okoz.
- Orbitális hibák - Ezeket a hibákat efemerisz hibáknak is nevezik, amelyek a műhold helyének pontatlanságainak kiszámítására szolgálnak.
- A látható műholdak száma - a pontosság a GPS-vevő által látható műholdak pontos számától függ. Az olyan tényezők, mint az épületek, a terep, az elektronikus interferencia blokkolja a jel pontosságát és vételét, ami hibát okoz a helyzetben, és néha nem olvas le jeleket. Általában nem működik zárt térben, víz alatt és föld alatt.
Alkalmazások
A katonai célú GPS-gép nemcsak a polgári és a kereskedelmi szolgáltatások területén széles körben ismert. Néhány polgári alkalmazás:
1. Csillagászat: Az asztrometriában és az égi mechanika számításaiban használják.
2. Automatizált járművek: Automatizált járművekben (vezető nélküli járművek) is alkalmazzák személygépkocsik és teherautók elhelyezésére.
3. Mobiltelefon: A modern mobiltelefonok GPS nyomkövető szoftverrel vannak felszerelve. Azért van jelen, mert ismerheti helyzetét, és nyomon követheti a közeli segédprogramokat, például ATM-eket, kávézókat, korlátozásokat stb. Az első mobiltelefonos GPS-t az 1990-es években indították el. A cellás telefonálás során sürgősségi hívások és sok más alkalmazás észlelésére is használják.
4. Katasztrófa-elhárítás és egyéb sürgősségi szolgáltatások: Bármely természeti katasztrófa esetén a GPS a legjobb eszköz a hely azonosításához. A GPS még a katasztrófák, például ciklonok előtt is segít a becsült idő kiszámításában.
5. Flottakövetés: A GPS olyan fejlesztői eszköz, amely arról ismert, hogy képes a katonai hajók nyomon követésére a háború idején.
6. Autó helye: A GPS-kompatibilis autó megkönnyíti a helyének követését.
7. Földrajzi vívás: A földrajzi vívás során GPS-t használunk ember, állat vagy autó nyomon követésére. A berendezés a járműhöz, személyhez vagy az állat gallérjához van rögzítve. Folyamatos nyomon követést és frissítést biztosít.
8. Földrajzi címkézés: az egyik fő alkalmazás a földrajzi címkézés, vagyis a digitális objektumok helyi koordinátáinak alkalmazása.
9. GPS bányászathoz: centiméteres helymeghatározási pontosságot használ.
10. GPS túrák: segít meghatározni a közeli érdekes helyek helyét.
11. Felmérés: A földmérők a globális helymeghatározó rendszert használják a térképek ábrázolásához.