מהי מערכת מיקום גלובלית? הבנת GPS

מערכת מיקום גלובלית או GPS היא מערכת לווין ניווט גלובלית (GNSS) המספקת מערכת מיקום, ניווט ותזמון (PNT). הוא פותח על ידי משרד ההגנה של ארצות הברית (ארה"ב DoD) בתחילת שנות ה -1970. ישנן מערכות ניווט אחרות המבוססות על לוויין כמו GLONASS הרוסי, גלילאו של אירופה וביידו של סין, אך מערכת המיקום הגלובלית של ארצות הברית (GPS) ומערכת הלוויין הניווט הגלובלית הרוסית (GLONASS) הן הלוויין התפקודי היחיד במלואן. מערכת ניווט עם 32 כוכבי לוויין ו -27 כוכבי לוויין בהתאמה. לפני פיתוח טכנולוגיית ה- GPS, העזר העיקרי לניווט (בים, ביבשה או במים) הוא מפות ומצפן. עם הכנסת ה- GPS, ניווט ומיקום המיקום הפכו לקלים מאוד עם דיוק מיקום של שני מטרים או פחות היסטוריית המתאר של סקירת מבנה GPSGPS פלחי מרחב פלח מרחב בקרת משתמשים פלח משתמש עקרון GPS קביעת מיקום הלוויינים קביעת המרחק בין הלוויינים ומקלט ה- GPS מיקום של מקלט במטוס דו ממדי מיקום המקלט בחלל תלת מימד סוגי מקלט GPS יישומי מערכת מיקום גלובלית (GPS) היסטוריית GPS לפני פיתוח מערכות GPS, מערכות ניווט קרקעיות כמו LORAN (ניווט לטווח ארוך) על ידי ארה"ב ו- Decca Navigator System מאת בריטניה הן הטכנולוגיות העיקריות לניווט. שתי הטכניקות הללו מבוססות על גלי רדיו והטווחים הוגבלו למאות קילומטרים ספורים. בתחילת שנות השישים, שלושה מארגוני ממשלת ארצות הברית, הלאומיים מינהל אווירונאוטיקה וחלל (NASA), משרד ההגנה (DoD) ומשרד התחבורה (DoT) יחד עם מספר ארגונים אחרים החלו בפיתוח מערכת ניווט מבוססת לוויין במטרה לספק דיוק גבוה, פעולה בלתי תלויה במזג אוויר וכיסוי עולמי. תוכנית זו התפתחה לניווט לוויין תזמון לוויין ומערכת מיקום גלובלית (NAVSTAR Global Positioning System). מערכת זו פותחה לראשונה כמערכת צבאית למילוי צרכי צבא ארצות הברית. עיבוד הבקשה הצבא השתמש ב- NAVSTAR לניווט, כמו גם למערכות מיקוד מערכות נשק ומנחות טילים. האפשרות של אויבים להשתמש במערכת ניווט זו נגד ארצות הברית היא הסיבה העיקרית מדוע לא ניתנה לאזרחים גישה אליה. הלוויין הראשון של NAVSTAR שוגר בשנת 1978 ועד שנת 1994 הונחה מערך מלא של 24 לוויינים במסלול ובכך גרם הוא פעל באופן מלא. בשנת 1996, ארה"ב הממשלה הכירה בחשיבותה של GPS לאזרחים והכריזה על מערכת שימוש כפול המאפשרת גישה לצבא ולאזרחים. סקירת מבנה ה- GPS הטכניקה הבסיסית של מערכת הניווט הגלובלית מבוססת מערכת המיקום הגלובלית (GPS) היא מדידת המרחקים בין המקלט לבין כמה לוויינים הנצפים בו זמנית. מיקומם של לוויינים אלה כבר ידוע ומכאן שמדידת המרחק בין ארבעה מלוויינים אלה למקלט, שלושת הקואורדינטות של מיקומו של מקלט ה- GPS כלומר ניתן לקבוע קו רוחב, אורך וגובה. מכיוון שניתן לקבוע את שינוי מיקומו של המקלט בצורה מדויקת מאוד, ניתן גם לקבוע את מהירות המקלט. פלחי GPS המבנה של מערכת המיקום הגלובלית המורכבת הזו מתחלק לשלושה פלחים עיקריים: פלח החלל, פלח הבקרה והמשתמש מִגזָר. בכך, קטע הבקרה וקטע החלל מפותחים, מופעלים ומתוחזקים על ידי חיל האוויר של ארצות הברית. התמונה הבאה מציגה את שלושת מקטעי מערכת ה- GPS קטע מרחב קטע החלל (SS) של ה- GPS מורכב מקבוצת כוכבים של 24 לוויינים המסתובבים סביב כדור הארץ במסלולים עגולים בערך. הלוויינים ממוקמים בשישה מטוסים מסלולי כאשר כל מטוס מסלול מורכב מארבעה לוויינים. הנטייה של מטוסי המסלול ומיקום הלוויינים מסודרים בדרכים מסוימות כך שמינימום של שישה לוויינים תמיד נמצאים בטווח ראייה מכל מקום על פני כדור הארץ. לוויינים ממוקמים במסלול כדור הארץ הבינוני (MEO) בגובה של כ -20,000 ק"מ. כדי להגדיל את היתירות ולשפר את הדיוק, המספר הכולל של לווייני GPS בקונסטלציה הוגדל ל -32, מתוכם 31 לוויינים פעילים. ותחנות מעקב. המשימה העיקרית של קטע הבקרה היא לעקוב אחר המיקום של לווייני ה- GPS ולשמור אותם במסלולים תקינים בעזרת פקודות התמרון. בנוסף, מערכת הבקרה גם קובעת ושומרת על תקינות המערכת, תנאי האטמוספירה, נתונים משעונים אטומיים. פלח בקרת ה- GPS מחולק שוב לארבע מערכות משנה: תחנת בקרת מאסטר חדשה (NMCS), תחנת בקרת מאסטר חלופית (AMCS), ארבע אנטנות קרקע (GA) ורשת עולמית של תחנות מוניטור (MS). צומת הבקרה המרכזי של מערכת הלוויין GPS הוא תחנת הבקרה הראשית (MSC). הוא ממוקם בבסיס חיל האוויר Schriever, קולורדו ופועל 24 × 7. האחריות העיקרית של תחנת הבקרה הראשית היא: תחזוקת לוויין, ניטור מטען, סנכרון שעונים אטומיים, תמרון לוויין, ניהול ביצועי אותות GPS, העלאת נתוני הודעות ניווט, זיהוי כשלים באיתות GPS והתגובה לאותם כשלים. ישנן מספר תחנות צג (MS) אך שש מהן חשובות. הם ממוקמים בהוואי, קולורדו ספרינגס, איילת איילנד, דייגו גרסיה, קוואג'אלין וקייפ קנוורל. תחנות מוניטור אלה עוקבות ברציפות אחר מיקומם של הלוויינים והנתונים נשלחים לתחנת הבקרה הראשית לצורך ניתוח נוסף. על מנת להעביר נתונים ללוויינים, ישנן ארבע אנטנות קרקע (GA) הממוקמות כאי עלייה, קייפ קנוורל, דייגו גרסיה ו קוואייגאלין. אנטנות אלה משמשות להעלאת נתונים ללוויינים והנתונים יכולים להיות כל דבר כמו תיקון שעון, פקודות טלמטריה והודעות ניווט. פלח משתמש פלח המשתמש במערכת ה- GPS מורכב ממשתמש קצה של הטכנולוגיה כמו אזרחים וצבא לניווט, מדויק או סטנדרטי. מיקום ותזמון. באופן כללי, על מנת לגשת לשירותי ה- GPS, על המשתמש להיות מצויד במקלטי GPS כמו מודולי GPS עצמאיים, טלפונים ניידים המותאמים ל- GPS וקונסולות GPS ייעודיות. בעזרת מקבלי GPS אלה יכולים משתמשים אזרחיים לדעת מיקום סטנדרטי, מדויק. זמן ומהירות בזמן שהצבא משתמש בהם למיקום מדויק, הדרכת טילים, ניווט וכו 'עקרון העבודה של GPS בעזרת מקלטים GPS, אנו יכולים לחשב את מיקומו של אובייקט בכל מקום על פני כדור הארץ במרחב דו -ממדי או תלת -ממדי. . לשם כך, מקבלי GPS משתמשים בשיטה מתמטית הנקראת Trilateration, שיטה שבה ניתן לקבוע את המיקום של אובייקט על ידי מדידת המרחק בין האובייקט לבין כמה אובייקטים אחרים עם מיקומים ידועים כבר. כך, במקרה של מקלטים GPS, לפי הסדר כדי לברר את מיקומו של המקלט, על מודול המקלט לדעת את שני הדברים הבאים: • מיקום הלוויינים בחלל ו • המרחק בין הלוויינים למקלט ה- GPS קביעת מיקום הלוויינים על מנת לקבוע את מיקום הלוויין. לווייני, מקלטי ה- GPS עושים שימוש בשני סוגי נתונים המועברים על ידי לווייני ה- GPS: נתוני האלמנאך ונתוני אפמריס. לווייני ה- GPS משדרים ללא הרף את מיקומם המשוער. נתונים אלה נקראים נתוני האלמנאך, המתעדכנים מעת לעת כאשר הלוויין נע במסלולו. נתונים אלה מתקבלים על ידי מקלט ה- GPS ונשמרים בזיכרון שלו. בעזרת נתוני אלמנאך, מקלט ה- GPS יכול להיות מסוגל לקבוע את מסלולי הלוויינים וגם היכן הלוויינים אמורים להיות. לא ניתן לחזות את התנאים בחלל ויש סיכוי עצום שהלוויינים יכולים לסטות ממנה דרכם האמיתית. תחנת הבקרה הראשית (MCS) יחד עם תחנות הצג הייעודיות (MS) עוקבות אחר נתיב הלוויינים יחד עם מידע אחר כמו גובה, מהירות, מסלול ומיקום. אם יש שגיאה באחד הפרמטרים, הנתונים המתוקנים הם נשלח ללוויינים כך שהם יישארו במיקום מדויק. הנתונים המסלוליים האלה שנשלחו על ידי ה- MCS ללוויין נקראים Ephemeris Data. הלוויין, עם קבלת נתונים אלה, מתקן את מיקומו ושולח נתונים אלה גם למקלט ה- GPS בעזרת שני הנתונים כלומר Almanac ו- Ephemeris, מקלט ה- GPS יכול לדעת כל הזמן את המיקום המדויק של הלוויינים. הנוסחה לחישוב מרחק הלוויין ממקלט ה- GPS ניתנת להלן: מרחק = מהירות האור x זמן מעבר של אות הלוויין כאן, זמן המעבר הוא הזמן שלוקח לאות הלוויין (אות בצורת גלי רדיו, נשלח על ידי הלוויין למקלט GPS) כדי להגיע למקלט. מהירות האור היא ערך קבוע ושווה ל- C = 3 x 108 m/s. על מנת לחשב את הזמן, ראשית עלינו להבין את האות הנשלח על ידי הלוויין. האות המקודד המשודר על ידי הלוויין נקרא Pseudo Random Noise (PRN). כאשר הלוויין יוצר קוד זה ומתחיל לשדר, מקלט ה- GPS גם מתחיל לייצר את אותו קוד ומנסה לסנכרן אותו. מקלט ה- GPS מחשב את זמן העיכוב שהקוד שנוצר צריך לקבל לפני שהוא מסונכרן עם הלוויין המשודר. לאחר שמיקומם של הלוויינים ומרחקם ממקלט ה- GPS ידוע, ניתן לברר את מיקומו של מקלט ה- GPS בחלל דו-ממדי או בחלל תלת-ממדי בשיטה הבאה. מיקום המקלט במטוס דו-ממדי כדי למצוא את המיקום של האובייקט או מקלט ה- GPS ב 2 - מרחב ממדי כלומר מטוס XY, כל שעלינו למצוא הוא המרחק בין מקלט ה- GPS לשניים מהלוויינים. תנו D1 ו- D2 להיות המרחק של המקלט מלוויין 1 ולוויין 2. בהתאמה. כעת, כשהלוויינים במרכז ורדיוס של D1 ו- D2, ציירו שני מעגלים סביבם במטוס XY. הייצוג הציורי של מקרה זה מוצג בתמונה הבאה. מהתמונה לעיל, ברור כי מקלט ה- GPS יכול להיות ממוקם באחת משתי הנקודות בהן שני המעגלים מצטלבים. אם האזור מעל הלוויינים אינו נכלל, נוכל להצביע על המיקום של מקלט ה- GPS בנקודת החיתוך של המעגלים מתחת ללוויינים. מידע המרחק משני לוויינים מספיק כדי לקבוע את המיקום של מקלט ה- GPS ב מטוס דו-ממדי או XY. אבל העולם האמיתי הוא שטח תלת מימדי ואנחנו צריכים לקבוע את המיקום התלת ממדי של מקלט ה- GPS כלומר קו הרוחב, האורך והגובה שלו. נראה צעד אחר צעד לקביעת המיקום התלת ממדי של מקלט ה- GPS. מיקומו של המקלט בחלל תלת -ממדי נניח כי מיקומם של הלוויינים ביחס למקלט ה- GPS כבר ידוע. אם לוויין 1 נמצא במרחק של D1 מהמקלט, אז ברור שמיקום המקלט יכול להיות בכל מקום על פני הכדור שנוצר עם הלוויין 1 במרכז וה- D1 כרדיוס שלו. לוויין שני (לוויין 2) מהמקלט הוא D2, ואז ניתן להגביל את מיקומו של המקלט למעגל הנוצר על ידי חיתוך של שתי תחומים עם רדיוס D1 ו- D2 עם לוויין 1 ו -2 במרכזים בהתאמה. , ניתן לצמצם את מיקומו של מקלט ה- GPS לנקודה במעגל הצומת. אם נוסיף לוויין שלישי (לוויין 3) עם מרחק D3 ממקלט ה- GPS לשני הלוויינים הקיימים, אז מיקומו של המקלט מוגבל לצומת של שלוש הכדורים כלומר אחת משתי הנקודות.במצבים בזמן אמת, אין עמידות לאחר שהעמימות של מקלט GPS ממוקמת באחת משתי העמדות. ניתן לפתור זאת על ידי הצגת לוויין רביעי (לוויין 4) עם מרחק D4 מהמקלט. הלוויין הרביעי יוכל להצביע על מיקומו של מקלט ה- GPS משני המיקומים האפשריים שנקבעו קודם לכן עם שלושה לוויינים בלבד. לפיכך, בזמן אמת, נדרשים מינימום של 4 לוויינים כדי לקבוע את המיקום המדויק של האובייקט. למעשה, מערכת ה- GPS פועלת כך שלפחות 6 לוויינים תמיד נראים לאובייקט (מקלט GPS) הנמצא בכל מקום על פני כדור הארץ. של מקלט GPS ה- GPS משמש הן אזרחים והן צבאיים. מכאן שניתן לסווג את סוגי מקלט ה- GPS למקלטות GPS אזרחיות ולמקלטות GPS צבאיות. אבל דרך הסיווג הסטנדרטית מבוססת על סוג הקוד שהמקלט יכול לזהות. ביסודו של דבר, ישנם שני סוגים של קודים ש- Satellite GPS משדר: קוד רכישה גס (קוד C/A) ו- P - קוד. יחידות מקלט GPS לצרכן יכולות לזהות רק קוד C/A. קוד זה אינו מדויק ומכאן שמערכת המיקום האזרחית נקראת שירות מיקום רגיל (SPS). קוד ה- P, לעומת זאת משמש את הצבא והוא קוד מדויק ביותר. מערכת המיצוב בה משתמש הצבא נקראת שירות מיקום מדויק (PPS). ניתן לסווג את מקבלי ה- GPS על סמך היכולת לפענח אותות אלה. דרך נוספת לסווג מקבלי GPS זמינים מסחרית מבוססת על היכולת של קבלת אותות. באמצעות שיטה זו ניתן לחלק את מקבלי ה- GPS ל: מקבלי - תדרי מקלט תדרים יחיד - מוביל תדרים - מקבלי קוד מוחלק יחיד - תדרי קוד ומקלטים מנשא כפול - מקלט תדרים יישומי מערכת מיקום גלובלית (GPS) GPS הפך לחלק מהותי בתשתית העולמית, דומה לאינטרנט. GPS היה המרכיב המרכזי בפיתוח מגוון רחב של יישומים המתפשטים בהיבטים שונים של החיים המודרניים. עלייה בייצור בקנה מידה גדול ומזעור רכיבים הוזילה את מחיר מקלטי ה- GPS. רשימה קטנה של יישומים שבהם GPS משחק תפקיד חשוב מוזכרת להלן. החקלאות המודרנית ראתה עלייה בייצור בעזרת GPS. החקלאים משתמשים בטכנולוגיית GPS יחד עם מכשירים אלקטרוניים מודרניים כדי לקבל מידע מדויק על שטח השדה, תשואה ממוצעת, צריכת דלק, מרחק מרחק וכו '. GPS מאפשר לרכבים אלה בניווט ומיקום. אזרחים משתמשים במקלטי GPS למטרות ניווט. מקלט ה- GPS יכול להיות מודול ייעודי או מודול מוטבע בטלפונים ניידים ושעוני יד. הם מאוד מועילים בטרקים, טיולי כביש, נהיגה וכו '. תכונות נוספות כוללות את הזמן והמהירות המדויקים של הרכב. שירותי חירום כמו כיבוי ואמבולנס נהנים ממיקום מדויק של מיקום האסון באמצעות GPS ויכולים להגיב בזמן. צבא משתמש במקלטי GPS דיוק גבוהים לניווט, מעקב אחר מטרות, טילים. מערכות הדרכה וכו '. ישנם יישומים רבים אחרים בהם נעשה שימוש ב- GPS או היקף שימוש עצום בעתיד. פוסטים קשורים: תקשורת אלחוטית: מבוא, סוגים ויישומים מרבב ומכפלת מדוע האינטרנט שלך ממשיך להתנתק? יסודות התוכנית המשובצת C מה הם חיישני MEMS?

השאר הודעה 

רשימת הודעות