Cum funcționează GPS-ul
Coordonatele exacte pot fi calculate pentru un loc pe suprafața Pământului prin măsurarea distanțelor față de un grup de sateliți (dacă se cunoaște poziția lor în spațiu). În acest caz, sateliții sunt puncte cu coordonate cunoscute. Să presupunem că distanța de la un satelit este cunoscută și putem descrie sfera unei raze date în jurul acestuia. Sistemul global de poziționare (GPS sau Global Positioning System) este un sistem prin satelit și este operat de Departamentul Apărării al SUA. Sistemul este global, la toate condițiile meteo și oferă posibilitatea de a obține coordonate precise și timp 24 de ore pe zi.
Cum funcționează?
Elementele de bază ale sistemului GPS pot fi împărțite în cinci paragrafe principale:
Trilaterarea prin satelit este baza sistemului
Difuzarea prin satelit - măsurarea distanțelor față de sateliți
Programarea exactă - de ce trebuie să potriviți ceasul în receptor și pe satelit și ceea ce este necesar pentru a 4-a nava spațiale
Localizarea sateliților - determinarea poziției exactă a sateliților în spațiu
Corectarea erorilor - constatarea erorilor cauzate de întârzieri în troposferă și ionosferă
Trilaterarea prin satelit
Coordonatele exacte pot fi calculate pentru un loc pe suprafața Pământului prin măsurarea distanțelor față de un grup de sateliți (dacă se cunoaște poziția lor în spațiu). În acest caz, sateliții sunt puncte cu coordonate cunoscute. Să presupunem că distanța de la un satelit este cunoscută și putem descrie sfera unei raze date în jurul acestuia.
Dacă știm și distanța față de al doilea satelit, locația determinată va fi localizată undeva în cercul definit de intersecția celor două sfere.
Al treilea satelit definește două puncte pe cerc.
Acum rămâne doar să alegem punctul corect. Cu toate acestea, unul dintre puncte poate fi întotdeauna eliminat, deoarece are o viteză mare de mișcare sau este localizat pe sau sub suprafața Pământului.
Astfel, știind distanța până la trei sateliți, puteți calcula coordonatele punctului determinat.
Constatări prin satelit
Distanța de la sateliți se determină prin măsurarea timpului de tranzit al semnalului radio de la nava spațială la receptor, înmulțit cu viteza luminii. Pentru a determina timpul de propagare a semnalului, trebuie să știm când a părăsit satelitul. Pentru aceasta, același cod pseudo-aleator este generat simultan pe satelit și în receptor.
Receptorul verifică semnalul de intrare de la satelit și determină când a generat același cod. Diferența obținută, înmulțită cu viteza luminii (
300000 km / s) oferă distanța necesară.
Utilizarea codului permite receptorului să determine întârzierea în orice moment. În plus, sateliții pot emite un semnal la aceeași frecvență, deoarece fiecare satelit este identificat prin codul său pseudo-aleator (codul PRN sau PseudoRandom Number).
Precizie de sincronizare
Așa cum se poate vedea din cele de mai sus, calculele depind în mod direct de precizia ceasului. Codul trebuie să fie generat simultan pe satelit și pe receptor. Sateliții au un ceas atomic cu o precizie de aproximativ o nanosecundă. Cu toate acestea, este prea scump să instalați un astfel de ceas în fiecare receptor GPS, prin urmare măsurătorile de la cel de-al patrulea satelit sunt folosite pentru a elimina erorile ceasului receptorului.
Aceste măsurători pot fi utilizate pentru a elimina erorile care apar dacă ceasul de pe satelit și receptor nu sunt sincronizate. Pentru claritate, ilustrațiile de mai jos iau în considerare situația avionului, deoarece sunt necesare doar trei sateliți pentru a calcula locația obiectului.
Dacă ceasul de pe satelit și din receptor are aceeași precizie, locația exactă poate fi găsită din măsurătorile distanței la doi sateliți.
Dacă măsurătorile sunt luate de la trei sateliți și toate ceasurile sunt exacte, atunci cercul descris de vectorul de rază de la al treilea satelit se va intersecta după cum se arată în figură.
Cu toate acestea, dacă ceasul din receptor se aprinde timp de o secundă, imaginea va arăta astfel.
Dacă măsurați până la cel de-al treilea satelit, atunci vectorul radius rezultat nu se intersectează cu celelalte două așa cum se arată în figură.
Când receptorul GPS primește o serie de măsurători care nu se intersectează într-un punct, calculatorul din receptor începe să scadă (sau să adauge) timpul prin iterație succesivă până când ia toate măsurătorile până la un punct. După aceasta, se calculează corecția și se efectuează ajustarea corespunzătoare.
Dacă aveți nevoie de oa treia dimensiune, aveți nevoie de un al patrulea satelit pentru a elimina erorile ceasului din receptor. Astfel, atunci când lucrați într-un câmp, trebuie să aveți cel puțin patru sateliți pentru a determina coordonatele tridimensionale ale obiectului.
Amplasarea sateliților
Departamentul Apărării al Statelor Unite (DoD) efectuează urmărirea continuă a sateliților. Fiecare satelit are câteva ceasuri atomice de înaltă precizie și transmit în mod continuu semnale radio cu propriul cod de identificare unic *. Ministerul Apărării al SUA are 4 posturi de urmărire prin satelit, trei stații de comunicații și un centru care controlează și gestionează întregul segment de pământ al sistemului. Posturile de urmărire monitorizează continuu sateliții și transmit date către centrul de control. În centrul de control se calculează elementele rafinate ale orbitelor satelit și coeficienții de corecție ai scalelor de satelit prin care aceste date sunt transmise prin canalele canalului de comunicații către sateliți cel puțin o dată pe zi.
Corectarea erorilor
Unele surse de erori cauzate de funcționarea GPS sunt greu de eliminat. Calculele presupun că semnalul se propagă la o rată continuă care este egală cu viteza luminii. Cu toate acestea, în realitate, totul este mult mai complicat. Viteza luminii este constantă numai în vid. Când semnalul trece prin ionosferă (un strat de particule încărcate la o altitudine de 130-290 km) și troposferă, viteza de propagare scade, ceea ce duce la erori în măsurătorile domeniului. În receptoarele moderne GPS folosiți diverse algoritmi pentru a elimina aceste întârzieri.
Uneori apar erori în timpul ceasurilor atomice și al orbitelor sateliților, dar ele sunt de obicei nesemnificative și urmărite cu atenție de la stațiile de urmărire.
Interferența cu mai multe căi introduce și erori în poziționarea prin GPS. Acest lucru se întâmplă atunci când semnalul este reflectat de obiectele situate pe suprafața pământului, ceea ce creează o interferență notabilă cu semnale care vin direct de la sateliți. O tehnică specială de procesare a semnalelor și o proiectare a antenei bine gândite fac posibilă reducerea la minimum a acestei surse de erori.
Trimiteți-le prietenilor: