Wat is Global Positioning System? GPS begrijpen

Global Positioning System of GPS is een Global Navigation Satellite System (GNSS) dat plaatsbepalings-, navigatie- en timingsysteem (PNT) biedt. Het is ontwikkeld door het Amerikaanse ministerie van Defensie (US DoD) in de vroege jaren 1970. Er zijn andere satellietgebaseerde navigatiesystemen zoals het Russische GLONASS, Europa's Galileo en China's BeiDou, maar het Global Positioning System (GPS) van de Verenigde Staten en het Russian Global Navigation Satellite System (GLONASS) zijn de enige volledig functionele satellietgebaseerde Navigatiesysteem met respectievelijk 32 satellietconstellaties en 27 satellietconstellaties. Vóór de ontwikkeling van GPS-technologie waren kaarten en kompas de belangrijkste hulpmiddelen voor navigatie (in zee, land of water). Met de introductie van GPS werden de navigatie en locatiebepaling heel eenvoudig met een positienauwkeurigheid van twee meter of minder. Overzichtsgeschiedenis van GPSGPS StructuuroverzichtGPS-segmentenSpace SegmentControl SegmentGebruikerssegmentWerkprincipe van GPSDe locatie van de satellieten bepalenDe afstand bepalen tussen de satellieten en de GPS-ontvangerPositie van Ontvanger in 2D-vlak Positie van de ontvanger in 3D-ruimteTypen GPS-ontvangersToepassingen van Global Positioning System (GPS)Geschiedenis van GPSVóór de ontwikkeling van GPS, grondgebaseerde navigatiesystemen zoals LORAN (Long Range Navigation) door de VS en Decca Navigator System door het VK zijn de belangrijkste technologieën voor navigatie. Beide technieken zijn gebaseerd op radiogolven en het bereik was beperkt tot enkele honderden kilometers. In het begin van de jaren zestig waren er drie Amerikaanse overheidsorganisaties, namelijk National Aeronautics and Space Administration (NASA), Department of Defense (DoD) en Department of Transportation (DoT) samen met verschillende andere organisaties begonnen met de ontwikkeling van een satellietnavigatiesysteem met als doel een hoge nauwkeurigheid, weersonafhankelijke werking en wereldwijde dekking te bieden. Dit programma evolueerde naar Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System (NAVSTAR Global Positioning System). Dit systeem werd voor het eerst ontwikkeld als een militair systeem om te voldoen aan de behoeften van het Amerikaanse leger. De verwerking van de VS Het leger gebruikte NAVSTAR voor navigatie, evenals voor het richten van wapensystemen en raketgeleidingssystemen. De mogelijkheid dat vijanden dit navigatiesysteem tegen de Verenigde Staten gebruiken, is de belangrijkste reden waarom burgers er geen toegang toe kregen. De eerste NAVSTAR-satelliet werd gelanceerd in 1978 en in 1994 werd een volledige constellatie van 24 satellieten in de baan geplaatst, waardoor het volledig operationeel. In 1996, de VS De regering erkende het belang van GPS voor burgers en verklaarde een systeem voor tweeërlei gebruik, dat toegang geeft tot zowel militairen als burgers. Overzicht van de GPS-structuur De fundamentele techniek van het op satellieten gebaseerde navigatiesysteem Global Positioning System (GPS) is het meten van de afstanden tussen de ontvanger en een weinig satellieten die tegelijkertijd worden waargenomen. De posities van deze satellieten zijn al bekend en dus door de afstand tussen vier van deze satellieten en de ontvanger te meten, de drie coördinaten van de positie van de GPS-ontvanger, dwz breedtegraad, lengtegraad en hoogte kunnen worden vastgesteld. Omdat de positieverandering van de ontvanger zeer nauwkeurig kan worden bepaald, kan ook de snelheid van de ontvanger worden bepaald. GPS-segmenten De structuur van dit complexe Global Positioning System is verdeeld in drie hoofdsegmenten: het ruimtesegment, het besturingssegment en de gebruiker Segment. Hierin worden het besturingssegment en het ruimtesegment ontwikkeld, geëxploiteerd en onderhouden door de Amerikaanse luchtmacht. De volgende afbeelding toont de drie segmenten van het GPS-systeem. Ruimtesegment Het ruimtesegment (SS) van de GPS bestaat uit een constellatie van 24 satellieten die in ongeveer cirkelvormige banen om de aarde cirkelen. De satellieten zijn in zes baanvlakken geplaatst, waarbij elk baanvlak uit vier satellieten bestaat. De helling van de baanvlakken en de positionering van de satellieten is op een bepaalde manier gerangschikt, zodat minimaal zes satellieten altijd in zicht zijn vanaf elke locatie op aarde. Wat betreft de opstelling van de constellatie in de ruimte, de GPS Satellieten worden in de Medium Earth Orbit (MEO) op een hoogte van ongeveer 20,000 KM geplaatst. Om de redundantie te vergroten en de nauwkeurigheid te verbeteren, is het totale aantal GPS-satellieten in de constellatie verhoogd tot 32, waarvan 31 satellieten operationeel zijn.Control SegmentHet Control Segment (CS) van de GPS bestaat uit een netwerk van wereldwijde monitoring en controle en volgstations. De primaire taak van het besturingssegment is om de positie van de GPS-satellieten te volgen en ze in de juiste banen te houden met behulp van de hulpmanoeuvres. Bovendien bepaalt en onderhoudt het besturingssysteem ook de systeemintegriteit aan boord, atmosferische omstandigheden, gegevens van atoomklokken en andere parameters. Het GPS-besturingssegment is opnieuw onderverdeeld in vier subsystemen: een New Master Control Station (NMCS), een Alternate Master Control Station (AMCS), vier Ground Antennes (GA's) en een wereldwijd netwerk van Monitor Stations (MS's). Het centrale besturingsknooppunt voor de GPS-satellietconstellatie is het Master Control Station (MSC). Het bevindt zich op Schriever Air Force Base, Colorado en werkt 24×7. De belangrijkste verantwoordelijkheden van het Master Control Station zijn: satellietonderhoud, monitoring van de lading, synchroniseren van atoomklokken, manoeuvreren met satellieten, beheren van GPS-signaalprestaties, uploaden van gegevens van navigatieberichten, detecteren GPS-signalering van storingen en reageren op deze storingen. Er zijn verschillende Monitor Stations (MS), maar zes daarvan zijn belangrijk. Ze bevinden zich op Hawaii, Colorado Springs, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein en Cape Canaveral. Deze monitorstations volgen continu de positie van de satellieten en de gegevens worden voor verdere analyse naar het Master Control Station gestuurd. Kwajalein. Deze antennes worden gebruikt om gegevens naar satellieten te uplinken en de gegevens kunnen van alles zijn zoals klokcorrectie, telemetriecommando's en navigatieberichten. Gebruikerssegment Het gebruikerssegment van het GPS-systeem bestaat uit eindgebruikers van de technologie zoals burgers en militairen voor navigatie, nauwkeurig of standaard positionering en timing. Om toegang te krijgen tot de GPS-services, moet de gebruiker over het algemeen zijn uitgerust met GPS-ontvangers zoals stand-alone GPS-modules, mobiele telefoons met GPS en speciale GPS-consoles. Met deze GPS-ontvangers kunnen civiele gebruikers de standaardpositie weten, nauwkeurig tijd en snelheid terwijl het leger ze gebruikt voor nauwkeurige positionering, raketgeleiding, navigatie, enz. Werkingsprincipe van GPS Met behulp van GPS-ontvangers kunnen we de positie van een object overal op aarde berekenen, hetzij in een tweedimensionale of driedimensionale ruimte . Hiervoor gebruiken GPS-ontvangers een wiskundige methode genaamd Trilateration, een methode waarmee de positie van een object kan worden bepaald door de afstand te meten tussen het object en enkele andere objecten met reeds bekende posities. Dus, in het geval van GPS-ontvangers, om om de locatie van de ontvanger te achterhalen, moet de ontvangermodule de volgende twee dingen weten: • Locatie van de satellieten in de ruimte en • Afstand tussen de satellieten en de GPS-ontvanger De locatie van de satellieten bepalen Om de locatie van de satelliet te bepalen satellieten, maken de GPS-ontvangers gebruik van twee soorten gegevens die door de GPS-satellieten worden verzonden: de Almanak-gegevens en de Ephemeris-gegevens. De GPS-satellieten zenden continu hun geschatte positie uit. Deze gegevens worden de Almanak-gegevens genoemd, die periodiek worden bijgewerkt terwijl de satelliet in de baan beweegt. Deze gegevens worden ontvangen door de GPS-ontvanger en opgeslagen in zijn geheugen. Met behulp van Almanak-gegevens kan de GPS-ontvanger de banen van de satellieten bepalen en ook waar de satellieten zouden moeten zijn. De omstandigheden in de ruimte zijn niet te voorspellen en de kans is groot dat de satellieten afwijken van hun eigenlijke pad. Het Master Control Station (MCS) en de speciale Monitor Stations (MS) volgen het pad van de satellieten samen met andere informatie zoals hoogte, snelheid, baan en locatie. Als er een fout is in een van de parameters, worden de gecorrigeerde gegevens naar de satellieten gestuurd zodat ze exact op hun plaats blijven. Deze orbitale gegevens die door de MCS naar de satelliet worden verzonden, worden Ephemeris-gegevens genoemd. Na ontvangst van deze gegevens corrigeert de satelliet zijn positie en stuurt deze gegevens ook naar de GPS-ontvanger. Met behulp van zowel de gegevens, dwz Almanak en Ephemeris, de GPS-ontvanger kan altijd de exacte positie van de satellieten kennen. Afstand tussen de satellieten en de GPS-ontvanger bepalen Om de afstand tussen de GPS-ontvanger en de satellieten te meten, speelt tijd een grote rol. De formule voor het berekenen van de afstand van de satelliet tot de GPS-ontvanger wordt hieronder gegeven: Afstand = lichtsnelheid x transittijd van het satellietsignaalHier is de transittijd de tijd die het satellietsignaal in beslag neemt (signaal in de vorm van radiogolven, verzonden door de satelliet naar de GPS-ontvanger) om de ontvanger te bereiken. De snelheid van het licht is een constante waarde en is gelijk aan C = 3 x 108 m/s. Om de tijd te berekenen, moeten we eerst het signaal begrijpen dat door de satelliet wordt verzonden. Het getranscodeerde signaal dat door de satelliet wordt verzonden, wordt Pseudo Random Noise (PRN) genoemd. Terwijl de satelliet deze code genereert en begint te zenden, begint de GPS-ontvanger ook dezelfde code te genereren en probeert deze te synchroniseren. De GPS-ontvanger berekent vervolgens de hoeveelheid tijd die de door de ontvanger gegenereerde code moet ondergaan voordat deze wordt gesynchroniseerd met de verzonden satelliet code.Zodra de locatie van de satellieten en hun afstand tot de GPS-ontvanger bekend zijn, kunt u de positie van de GPS-ontvanger in 2D Space of 3D Space op de volgende manier achterhalen. Positie van de ontvanger in 2D PlaneIn om de positie van het object of de GPS-ontvanger in 2-dimensionale ruimte te vinden, dwz een XY-vlak is, hoeven we alleen de afstand tussen de GPS-ontvanger en twee van de satellieten te vinden. Laat D1 en D2 de afstand zijn van de ontvanger tot respectievelijk Satelliet 1 en Satelliet 2. Teken nu, met de satellieten in het midden en een straal van D1 en D2, twee cirkels eromheen op een XY-vlak. De afbeelding van dit geval wordt getoond in de volgende afbeelding. Uit de bovenstaande afbeelding is het duidelijk dat de GPS-ontvanger kan worden geplaatst op een van de twee punten waar de twee cirkels elkaar kruisen. Als het gebied boven de satellieten wordt uitgesloten, kunnen we de positie van de GPS-ontvanger bepalen op het snijpunt van de cirkels onder de satellieten. De afstandsinformatie van twee satellieten is voldoende om de positie van de GPS-ontvanger in een 2D- of XY-vlak. Maar de echte wereld is een 3-dimensionale ruimte en we moeten de 3-dimensionale positie van de GPS-ontvanger bepalen, dwz zijn breedtegraad, lengtegraad en hoogte. We zullen een stapsgewijze procedure zien om de 3-dimensionale locatie van de GPS-ontvanger te bepalen. Positie van de ontvanger in de 3D-ruimte. Laten we aannemen dat de locaties van de satellieten ten opzichte van de GPS-ontvanger al bekend zijn. Als Satelliet 1 zich op een afstand van D1 van de Ontvanger bevindt, dan is het duidelijk dat de positie van de ontvanger overal kan zijn op het oppervlak van de bol die wordt gevormd met satelliet 1 als middelpunt en D1 als straal. een tweede satelliet (satelliet 2) van de ontvanger is D2, dan kan de positie van de ontvanger worden beperkt tot de cirkel gevormd door het snijpunt van twee bollen met stralen D1 en D2 met respectievelijk satellieten 1 en 2 in het midden. , kan de positie van de GPS-ontvanger worden beperkt tot een punt op de snijcirkel. Als we een derde satelliet (satelliet 3) toevoegen met een afstand D3 van de GPS-ontvanger tot de bestaande twee satellieten, dan is de locatie van de ontvanger beperkt tot het snijpunt van de drie bollen, dwz een van de twee punten. In realtime situaties is het niet haalbaar om de dubbelzinnigheid van de GPS-ontvanger op een van de twee posities te hebben. Dit kan worden opgelost door een vierde satelliet (satelliet 4) te introduceren met een afstand D4 van de ontvanger. De vierde satelliet zal de locatie van de GPS-ontvanger kunnen bepalen vanaf de mogelijke twee locaties die eerder waren bepaald met slechts drie satellieten. Daarom zijn er in realtime minimaal 4 satellieten nodig om de exacte locatie van het object te bepalen. Praktisch werkt het GPS-systeem zodanig dat er altijd minimaal 6 satellieten zichtbaar zijn voor een object (GPS-ontvanger) dat zich overal op aarde bevindt. van GPS-ontvangersDe GPS wordt gebruikt door zowel burgers als militairen. Daarom kunnen de typen GPS-ontvangers worden ingedeeld in civiele GPS-ontvangers en militaire GPS-ontvangers. Maar de standaardmanier van classificatie is gebaseerd op het type code dat de ontvanger kan detecteren. In principe zijn er twee soorten codes die een GPS-satelliet verzendt: Coarse Acquisition Code (C/A Code) en P-Code. De GPS-ontvangers voor consumenten kunnen alleen C/A-codes detecteren. Deze code is niet nauwkeurig en daarom wordt het civiele positioneringssysteem Standard Positioning Service (SPS) genoemd. De P-code daarentegen wordt gebruikt door het leger en is een zeer nauwkeurige code. Het positioneringssysteem dat door het leger wordt gebruikt, wordt Precise Positioning Service (PPS) genoemd. De GPS-ontvangers kunnen worden geclassificeerd op basis van het vermogen om deze signalen te decoderen. Een andere manier om in de handel verkrijgbare GPS-ontvangers te classificeren is gebaseerd op het vermogen om signalen te ontvangen. Met behulp van deze methode kunnen GPS-ontvangers worden onderverdeeld in: enkele - frequentiecode-ontvangers enkele - frequentiedrager - afgevlakte code-ontvangers enkele - frequentiecode- en draaggolfontvangers Dubbele - frequentieontvangers Toepassingen van Global Positioning System (GPS) GPS is een essentieel onderdeel geworden van de wereldwijde infrastructuur, vergelijkbaar met internet. GPS is het belangrijkste element geweest in de ontwikkeling van een breed scala aan toepassingen die zich over verschillende aspecten van het moderne leven verspreiden. Toename van grootschalige productie en miniaturisatie van componenten heeft de prijs van GPS-ontvangers verlaagd. Hieronder vindt u een kleine lijst met toepassingen waarbij GPS een belangrijke rol speelt. De moderne landbouw heeft met behulp van GPS een boost gekregen in de productie. Boeren gebruiken GPS-technologie samen met moderne elektronische apparaten om nauwkeurige informatie te krijgen over het veldoppervlak, de gemiddelde opbrengst, het brandstofverbruik, de afgelegde afstand, enz. Op het gebied van auto's worden automatisch geleide voertuigen het vaakst gebruikt in industriële of consumententoepassingen. GPS stelt deze voertuigen in staat om te navigeren en te positioneren. Burgers gebruiken GPS-ontvangers voor navigatiedoeleinden. De GPS-ontvanger kan een speciale module zijn of een ingebouwde module in mobiele telefoons en polshorloges. Ze zijn erg handig bij trekking, roadtrips, autorijden, enz. Extra functies zijn onder meer nauwkeurige tijd en snelheid van het voertuig. Hulpdiensten zoals brandweer en ambulance profiteren van de nauwkeurige positionering van de ramplocatie door GPS en kunnen op tijd reageren. Militair maakt gebruik van zeer nauwkeurige GPS-ontvangers voor navigatie, het volgen van doelen, raketten geleidingssystemen, enz. Er zijn tal van andere toepassingen waarbij GPS wordt gebruikt of in de toekomst een enorm toepassingsgebied zal hebben. Gerelateerde berichten: Draadloze communicatie: introductie, typen en toepassingen Multiplexer en demultiplexer Waarom blijft uw internet verbinding verbreken? Basisprincipes van Embedded C-programma Wat zijn MEMS-sensoren?

Laat een bericht achter 

Message List