Uydu navigasyonu GPS, uzun süredir konumlandırma sistemleri oluşturmak için standart olmuştur ve çeşitli izleyici ve gezginlerde aktif olarak kullanılmaktadır. İÇİNDE arduino projeleri GPS, teorik temeller hakkında bilgi gerektirmeyen çeşitli modüller kullanılarak entegre edilmiştir. Ancak gerçek bir mühendis, bu teknolojinin yeteneklerini ve sınırlamalarını daha iyi anlamak için GPS'in ilkesini ve işleyişini anlamakla ilgilenmelidir.

GPS nasıl çalışır?

GPS, ABD Savunma Bakanlığı tarafından geliştirilmiş, kesin koordinatları ve zamanı belirleyen bir uydu navigasyon sistemidir. Tüm hava koşullarında dünyanın her yerinde çalışır. GPS üç bölümden oluşur - uydular, Dünya üzerindeki istasyonlar ve sinyal alıcıları.

Bir uydu navigasyon sistemi oluşturma fikri, geçen yüzyılın 50'li yıllarında ortaya çıktı. Sovyet uydularının fırlatılışını gözlemleyen Amerikalı bilim adamlarından oluşan bir ekip, uydu yaklaştıkça sinyal frekansının arttığını ve uzaklaştıkça azaldığını fark etti. Bu, uydunun konumunu ve hızını Dünya'daki koordinatlarını bilerek ölçmenin mümkün olduğunu ve bunun tersini anlamayı mümkün kıldı. Uyduların alçak dünya yörüngesine fırlatılması, navigasyon sisteminin geliştirilmesinde büyük bir rol oynadı. Ve 1973'te DNSS (NavStar) programı oluşturuldu, bu programa göre uydular orta dünya yörüngesine fırlatıldı. İsim GPS programı Aynı yıl 1973'te alındı.

GPS sistemi şu anda sadece askeri alanda değil, sivil amaçlarla da kullanılıyor. GPS için birçok uygulama var:

• Mobil bağlantı;
• Plaka tektoniği - plaka dalgalanmalarının izlenmesi;
• Sismik aktivitenin belirlenmesi;
• Araçların uydu takibi - araçların konumunu, hızlarını izleyebilir ve hareketlerini kontrol edebilirsiniz;
• Jeodezi - arsaların kesin sınırlarının belirlenmesi;
• haritacılık;
• Navigasyon;
• Oyunlar, coğrafi etiketleme ve diğer eğlence alanları.

Sistemin en önemli dezavantajı, belirli koşullar altında sinyal almanın imkansızlığı sayılabilir. GPS çalışma frekansları, desimetre dalga boyu aralığında yer alır. Bu, yüksek bulutlar, yoğun ağaç yaprakları nedeniyle sinyal seviyesinin düşebileceği gerçeğine yol açar. Radyo kaynakları, bozucular ve nadir durumlarda manyetik fırtınalar da normal sinyal iletimini engelleyebilir. Uydular Dünya üzerinde çok yükseğe çıkmadığından, kutup çevresi bölgelerde veri belirlemenin doğruluğu bozulacaktır.

GPS olmadan navigasyon

Ortaya çıkan denklemler, uydunun hesaplanan ve gerçek konumu arasındaki tutarsızlıkla düzeltilir. Bunun sonucunda oluşan hata efemeris olarak adlandırılır ve 1 ile 5 metre arasında değişir. Girişim de katkıda bulunur atmosfer basıncı, nem, sıcaklık, iyonosfer ve atmosferin etkisi. Toplamda, tüm hataların toplamı hatayı 100 metreye kadar getirebilir. Bazı hatalar matematiksel olarak ortadan kaldırılabilir.

Tüm hataları azaltmak için GPS'in diferansiyel modunu kullanın. İçinde, alıcı, baz istasyonundan koordinatlarda gerekli tüm düzeltmeleri havadan alır. Nihai ölçüm doğruluğu 1-5 metreye ulaşır. Diferansiyel modda, alınan verileri düzeltmenin 2 yöntemi vardır - bu, koordinatların kendilerinin düzeltilmesi ve düzeltmedir. gezinme seçenekleri. Tüm kullanıcıların aynı uydular üzerinde çalışması gerektiğinden, ilk yöntemin kullanımı elverişsizdir. İkinci durumda, konumu belirlemek için ekipmanın karmaşıklığı önemli ölçüde artar.

var yeni sınıfölçüm doğruluğunu 1 cm'ye çıkaran sistemler, uyduların yönleri arasındaki açının doğruluk üzerinde büyük etkisi vardır. Büyük bir açıyla, konum daha büyük bir doğrulukla belirlenecektir.

Ölçüm doğruluğu, ABD Savunma Bakanlığı tarafından yapay olarak azaltılabilir. Bunu yapmak için navigasyon cihazları ayarlanmıştır. özel mod S/A - sınırlı erişim. Mod, düşmana kesin koordinatları belirlemede bir avantaj sağlamamak için askeri amaçlar için tasarlanmıştır. Mayıs 2000'den bu yana kısıtlı erişim rejimi kaldırılmıştır.

Tüm hata kaynakları birkaç gruba ayrılabilir:

• Yörüngelerin hesaplanmasında hata;
• Alıcı ile ilgili hatalar;
• Sinyalin engellerden tekrar tekrar yansımasıyla ilgili hatalar;
• İyonosfer, troposferik sinyal gecikmeleri;
• Uyduların konumunun geometrisi.

Temel özellikleri

GPS sistemi 24 yapay Dünya uydusu, bir yer izleme istasyonları ağı ve navigasyon alıcıları içerir. Gözlem istasyonları, yörünge parametrelerini belirlemek ve kontrol etmek, balistik özellikleri hesaplamak, hareket yörüngelerinden sapmaları ayarlamak ve uzay aracındaki ekipmanı kontrol etmek için gereklidir.

GPS navigasyon sistemlerinin özellikleri:

• Uydu sayısı - 26, 21 ana, 5 yedek;
• Yörünge düzlemlerinin sayısı - 6;
• Yörünge yüksekliği - 20.000 km;
• Uyduların hizmet ömrü 7,5 yıldır;
• Çalışma frekansları - L1 = 1575,42 MHz; L2=12275.6MHz, sırasıyla güç 50W ve 8W;
• Seyir tespitinin güvenilirliği %95'tir.

Navigasyon alıcıları çeşitli tiplerdedir - taşınabilir, sabit ve havacılık. Alıcılar ayrıca bir dizi parametre ile karakterize edilir:

• Kanal sayısı - modern alıcılar 12 ila 20 kanal kullanır;
• anten tipi;
• Kartografik desteğin mevcudiyeti;
• ekran tipi;
• Ek fonksyonlar;
• Çeşitli özellikler- malzemeler, dayanıklılık, nem koruması, hassasiyet, hafıza kapasitesi ve diğerleri.

Navigatörün kendisinin çalışma prensibi - her şeyden önce, cihaz navigasyon uydusuyla iletişim kurmaya çalışır. Bağlantı kurulur kurulmaz almanak, yani aynı navigasyon sistemi içinde bulunan uyduların yörüngeleri hakkında bilgi iletilir. Doğru bir konum elde etmek için yalnızca bir uydu ile iletişim yeterli değildir, bu nedenle geri kalan uydular, sapmaları, pertürbasyon faktörlerini ve diğer parametreleri belirlemek için gerekli olan efemerislerini navigatöre iletir.

Soğuk, ılık ve sıcak başlatma GPS navigasyon cihazı

Navigatörü ilk kez açtığınızda veya uzun bir aradan sonra, veri almak için uzun bir bekleme başlar. Uzun bekleme süresi, almanak ve efemeris'in gezginin belleğinde eksik veya güncelliğini yitirmiş olmasından kaynaklanır, bu nedenle cihazın verileri almak veya güncellemek için bir dizi eylem gerçekleştirmesi gerekir. Bekleme süresi veya sözde soğuk başlatma süresi, çeşitli göstergelere bağlıdır - alıcının kalitesi, atmosferin durumu, gürültü, görüş alanındaki uyduların sayısı.

Başlamak için gezgin şunları yapmalıdır:

• Bir uydu bulun ve onunla bağlantı kurun;
• Almanak'ı alın ve hafızaya kaydedin;
• Uydudan efemeris alın ve kaydedin;
• Üç uydu daha bulun ve onlarla bağlantı kurun, onlardan efemeris alın;
• Gök günlüğü ve uydu konumlarını kullanarak koordinatları hesaplayın.

Ancak tüm bu döngüyü tamamladıktan sonra cihaz çalışmaya başlayacaktır. Böyle bir lansman denir soğuk başlangıç.

Sıcak başlatma, soğuk çalıştırmadan önemli ölçüde farklıdır. Navigatörün hafızası halihazırda geçerli almanak ve efemeris içerir. Almanak verileri 30 gün, efemeris 30 dakika geçerlidir. Bundan, cihazın kısa bir süre için kapatıldığı anlaşılmaktadır. Hızlı başlatma ile algoritma daha basit olacaktır - cihaz uydu ile bağlantı kurar, gerekirse efemeris'i günceller ve konumu hesaplar.

Sıcak bir başlangıç ​​var - bu durumda almanak güncel ve efemeris'in güncellenmesi gerekiyor. Sıcak bir başlangıçtan biraz daha fazla zaman alır, ancak soğuk bir başlangıçtan çok daha az zaman alır.

Ev yapımı GPS modüllerinin satın alınması ve kullanılmasıyla ilgili kısıtlamalar

Rus mevzuatı, üreticilerin alıcı tespitinin doğruluğunu azaltmasını şart koşuyor. Ham hassasiyetle çalışmak, yalnızca kullanıcının özel bir lisansa sahip olması durumunda yapılabilir.

yasaklandı Rusya Federasyonu gizlice bilgi elde etmek için tasarlanmış özel teknik araçlar vardır (STS NPI). Bunlar, araçların ve diğer nesnelerin hareketini gizlice kontrol etmek için kullanılan GPS izleyicileri içerir. Yasadışılığın ana işareti teknik araçlar- onun gizliliği. Bu nedenle, bir cihaz satın almadan önce özelliklerini dikkatlice incelemeniz gerekir; dış görünüş, gizli özellikler için ve ayrıca gerekli uygunluk sertifikalarını görüntüleyin.

Cihazın ne şekilde satıldığı da önemlidir. Demonte halde cihaz STS NPI için geçerli olmayabilir. Ancak monte edildiğinde, bitmiş cihaz zaten yasaklanmış olarak sınıflandırılabilir.

GPS (İngilizce Küresel Konumlandırma Sisteminin kısaltması - küresel konumlandırma sistemi) uydu sistemi navigasyon, dünya koordinat sistemi WGS 84'te çalışıyor. GPS, Dünya'nın hemen her yerindeki nesnelerin konumunu ve hızını belirlemenizi sağlar. İlginç bir şekilde, sistem ABD Savunma Bakanlığı tarafından geliştirilip uygulandı, ancak şu anda sivil amaçlar için kullanılıyor. Rusya, adı verilen kendi uydu navigasyon sistemini yarattı ve biz zaten onun hakkında yazdık. Sistemler benzer şekilde çalışır, ancak GLONASS uyduları daha kararlıdır.

Bir dönem önceleri GPS, telefonlarda nadiren kullanılıyordu ve bu nedenle insanları şaşırtabilecek bir merak konusuydu. Ancak o günler çok geride kaldı ve bugün GPS desteği olmayan bir akıllı telefon bulmak için çok çalışmanız gerekiyor.

Telefonunuzda/akıllı telefonunuzda/tabletinizde neden GPS'e ihtiyacınız var?

GPS, öncelikle cihazın konumunu belirlemek için kullanılır. Buna dayanarak, kullanıcı şu anda nerede olduğunu anlayabilir. Örneğin sürücüler tarafından kullanılan navigasyon haritaları bu prensibe dayanmaktadır. Ve İnternet ile birlikte, haritalar yalnızca cihazın konumunu ve hedefe giden yolu değil, aynı zamanda trafik sıkışıklığını da gösterebilir. Çarpıcı bir örnek Yandex.Haritalar'dır.

GPS'li akıllı telefonlar yalnızca sıradan sürücüler tarafından kullanılmaz, kuryeler ve taksi şoförleri arasında çok popülerdir - özellikle Konuşuyoruz büyük şehirler hakkında.

Konum özelliği bazı servislerde kullanılmaktadır. Örneğin, içinde sosyal ağ bir fotoğraf gönderebilir ve az önce çekildiği yerin koordinatlarını belirtebilirsiniz. Konumunuzu üzerinde değil işaretlemenize izin veren hizmetler var basit haritalar ve bir mağazada veya kafede - böylece kullanıcı mesajını arkadaşlarına gönderebilir ve onları davet edebilir.

Kullanıcının mevcut konumuna dayalı flört servisleri bile var. Böylece kullanıcı nerede olduğunu belirtir ve diğer kullanıcıları harita üzerinde görür. Örneğin, kullanıcılar harita üzerinde birbirlerine yakınlarsa birbirlerini tanıyabilirler.

GPS'in dezavantajları var mı?

Hal böyle olunca GPS'te herhangi bir eksiklik yok ancak hata payları olduğu için konumun her zaman güvenilir olmayabileceğini hatırlamakta fayda var. Daha doğru konumlandırma için, özellikle her ikisi de birçok cihazda kullanıldığından, her iki navigasyon sistemini de kullanabilirsiniz - GPS ve GLONASS.

GPS'in geri kalanının sağlam artıları var. Ek olarak, sistem aslında akıllı telefonların maliyetini takip edebileceğiniz cihazın maliyetini etkilemiyor: en ucuz cihazlarda bile GPS bulunuyor.

GPS uydusu yörüngede

Sistemi kullanmanın temel prensibi, navigasyon uydularından senkronize bir sinyalin tüketiciye ulaştığı zaman noktalarını ölçerek yerini belirlemektir. Mesafe, uydu tarafından gönderilmesinden GPS alıcı anteni tarafından alınmasına kadar olan sinyal yayılma gecikme süresinden hesaplanır. Yani, üç boyutlu belirlemek için GPS koordinatları- alıcının dört denklemi olması gerekir: "mesafe, ışık hızının ürününe ve tüketici sinyalinin alınma anları ile uydulardan senkron radyasyon anları arasındaki farka eşittir":

Burada: - -inci uydunun konumu, - tüketicinin saatine göre -inci uydudan sinyal alma anı, - tüm uydular tarafından sinyalin senkronize olarak yayınlandığı zamandaki bilinmeyen an tüketicinin saati, - ışık hızı, - tüketicinin bilinmeyen üç boyutlu konumu.

Hikaye

Uydu navigasyonu oluşturma fikri 50'li yıllarda doğdu. SSCB'nin Dünya'nın ilk yapay uydusunu fırlattığı anda, Richard Kershner liderliğindeki Amerikalı bilim adamları, Sovyet uydusundan yayılan sinyali gözlemlediler ve Doppler etkisi nedeniyle, uydu yaklaştıkça alınan sinyalin frekansının arttığını buldular. uzaklaştıkça azalır. Keşfin özü, Dünya üzerindeki koordinatlarınızı tam olarak biliyorsanız, o zaman uydunun konumunu ve hızını ölçmek mümkün hale gelir ve bunun tersi, uydunun tam konumunu bilerek kendi hızınızı ve koordinatlarınızı belirleyebilmenizdir. .

Bu fikir 20 yıl sonra gerçekleşti. 1973'te DNSS programı başlatıldı, daha sonra Navstar-GPS ve ardından GPS olarak yeniden adlandırıldı. İlk test uydusu 14 Temmuz 1974'te, tüm dünya yüzeyini kaplaması gereken 24 uydudan sonuncusu 1993'te fırlatıldı ve böylece GPS hizmete girdi. Füzeleri doğru bir şekilde sabit hale getirmek ve ardından havada ve yerdeki hareketli nesneleri doğru bir şekilde hedeflemek için GPS kullanmak mümkün hale geldi.

Başlangıçta GPS - küresel sistem konumlandırma, tamamen askeri bir proje olarak geliştirildi. Ancak 1983 yılında, içinde 269 yolcu bulunan ve içinde 269 yolcu bulunan Kore Havayolları'na ait bir uçağın, Sovyetler Birliği hava sahasını işgal eden mürettebatın uzayda yönünü kaybetmesi nedeniyle düşürülmesinin ardından, ABD Başkanı Ronald Reagan, gelecekte benzer trajedilerin yaşanmaması için izin verdi. navigasyon sisteminin sivil amaçlarla kısmen kullanılması. Sistemin askeri amaçlarla kullanılmasının önüne geçmek için özel bir algoritma ile doğruluğu azaltılmıştır. [ belirtmek]

Ardından, bazı şirketlerin L1 frekansındaki doğruluğu azaltmak için algoritmayı deşifre ettiği ve hatanın bu bileşenini başarıyla telafi ettiği bilgisi ortaya çıktı. 2000 yılında, ABD Başkanı Bill Clinton, bu kaba doğruluğu kararnamesiyle kaldırdı.

Teknik uygulama

uzay uyduları

Bir müzede sergilenen fırlatılmamış bir uydu. Antenlerin yanından görünüm.

Uydu yörüngeleri

GPS uydularının yörüngeleri. Dünya yüzeyindeki noktalardan birinden uyduların görünürlüğüne bir örnek. Görünür uydu, ideal koşullar altında (boş alan) gözlemcinin ufku üzerinde görünen uyduların sayısıdır.

NAVSTAR sisteminin uydu takımyıldızı, tüm uydular için aynı yükseklik ve dönme periyoduna sahip dairesel yörüngelerde Dünya etrafında döner. Yaklaşık 20.200 km yükseklikte dairesel bir yörünge, 11 saat 58 dakikalık bir yörünge periyoduna sahip bir günlük çoklu yörüngedir; böylece uydu, bir yıldız gününde (23 saat 56 dakika) Dünya çevresinde iki yörünge yapar. Yörünge eğimi (55°) de sistemdeki tüm uydular için ortaktır. Uyduların yörüngelerindeki tek fark, yükselen düğümün boylamı veya uydunun yörünge düzleminin ekvatorla kesiştiği noktadır: bu noktalar yaklaşık 60 derece ayrıdır. Böylece, aynı (yükselen düğümün boylamı hariç) yörünge parametrelerine rağmen, uydular Dünya'nın etrafında her birinde 4 uydu olmak üzere altı farklı düzlemde döner.

RF özellikleri

Uydular şu aralıklarda kullanıma açık sinyaller yayar: L1=1575,42 MHz ve L2=1227,60 MHz (Blok IIR-M'den başlayarak) ve IIF modelleri de L5=1176,45 MHz'de yayın yapar. Navigasyon bilgileri bir anten tarafından alınabilir (genellikle uyduların görüş hattındadır) ve bir GPS alıcısı kullanılarak işlenebilir.

L1 bandında iletilen standart hassas kodlu sinyal (C/A kodu - BPSK modülasyonu (1)) (ve IIR-M cihazlarıyla başlayan L2 bandındaki L2C sinyali (BPSK modülasyonu)) kullanım kısıtlaması olmadan dağıtılır. Başlangıçta L1'de kullanılan yapay sinyal kabalaştırma (seçici erişim modu - SA), Mayıs 2000'den beri devre dışı bırakılmıştır. 2007'den beri Amerika Birleşik Devletleri nihayet yapay kabalaştırma tekniğini terk etti. Block III cihazlarının lansmanı ile L1 bandında yeni bir L1C sinyalinin (BOC(1,1) modülasyonu) tanıtılması planlanmaktadır. Geriye dönük uyumluluğa, geliştirilmiş yol izleme özelliğine sahip olacak ve Galileo L1 sinyalleriyle daha uyumlu olacak.

Askeri kullanıcılar için, gürültüye dayanıklı kriptoya dayanıklı P (Y) kodu (BPSK (10) modülasyonu) ile modüle edilmiş L1 / L2 bantlarındaki sinyaller ayrıca mevcuttur. IIR-M cihazlarından başlayarak yeni bir M kodu devreye alındı ​​(modülasyon BOC (15,10) kullanılıyor). M kodunun kullanılması, sistemin Navwar konsepti (navigasyon savaşı) çerçevesinde çalışmasını sağlamayı mümkün kılar. M kodu, mevcut L1 ve L2 frekanslarında iletilir. Bu sinyal, gürültü bağışıklığını artırmıştır ve kesin koordinatları belirlemek için yeterlidir (P kodu durumunda, C / A kodunun alınması da gerekliydi). M kodunun bir başka özelliği de, sinyal gücünün 20 desibel daha yüksek olacağı birkaç yüz kilometre çapındaki belirli bir alana iletme yeteneği olacaktır. Geleneksel M sinyali, IIR-M uydularında zaten mevcutken, dar ışın yalnızca GPS-III uydularında mevcut olacaktır.

IIF uydusunun fırlatılmasıyla birlikte yeni bir frekans olan L5 (1176.45 MHz) tanıtıldı. Bu sinyal aynı zamanda can güvenliği (insan yaşamının korunması) olarak da adlandırılır. L5 sinyali, sivil sinyalden 3 dB daha güçlüdür ve 10 kat daha geniş bir bant genişliğine sahiptir. Sinyal, insan yaşamını tehdit eden kritik durumlarda kullanılabilir. Tam sinyal 2014'ten sonra kullanılacaktır.

Sinyaller iki tür sözde rastgele dizi (PRN) ile modüle edilir: C/A kodu ve P kodu. C/A (Temiz erişim) - genel kod - 1023 döngü tekrarlama periyoduna ve 1023 MHz darbe tekrarlama oranına sahip bir PRN'dir. Tüm sivil GPS alıcıları bu kodla çalışır. P (Korumalı/kesin) kodu genel kullanıma kapalı sistemlerde kullanılır, tekrarlama süresi 2*1014 devirdir. P kodu modülasyonlu sinyaller iki frekansta iletilir: L1 = 1575,42 MHz ve L2 = 1227,6 MHz. C/A kodu yalnızca L1 frekansında iletilir. Taşıyıcı, PRN kodlarına ek olarak bir navigasyon mesajıyla da modüle edilir.

24 uydu, dünyanın herhangi bir yerinde %100 sistem çalışabilirliği sağlar, ancak her zaman güvenilir alım ve iyi konum hesaplaması sağlayamazlar. Bu nedenle, arıza durumunda konumlandırma doğruluğunu ve rezervini artırmak için, yörüngedeki toplam uydu sayısı korunur. Daha(Mart 2010'da 31 birim).

Uzay segmentinin yer kontrol istasyonları

Ana makale: uydu navigasyon sisteminin yer bölümü

Yörünge takımyıldızı, Schriever Hava Kuvvetleri Üssü, Colorado, ABD'de bulunan ana kontrol istasyonundan ve üç istasyonun uydulara radyo sinyalleri şeklinde düzeltme verileri gönderebildiği 10 izleme istasyonunun yardımıyla izlenir. 2000-4000 MHz frekansı. uydular son nesil alınan verileri diğer uydular arasında dağıtmak.

GPS uygulaması

GPS sinyal alıcısı

GPS projesi başlangıçta askeri amaçlara yönelik olmasına rağmen, günümüzde GPS yaygın olarak sivil amaçlar için kullanılmaktadır. GPS alıcıları birçok elektronik mağazasında satılmaktadır ve cep telefonlarında, akıllı telefonlarda, PDA'larda ve onboarder'larda yerleşiktir. Tüketicilere de sunulan çeşitli cihazlar Ve yazılım ürünleri, konumunuzu görmenizi sağlar elektronik harita; yol işaretlerini, izin verilen dönüşleri ve hatta trafik sıkışıklığını dikkate alarak rota belirleme yeteneğine sahip olmak; Belirli evler ve sokaklar, ilgi çekici yerler, kafeler, hastaneler, benzin istasyonları ve diğer altyapılar için harita üzerinde arama yapın.

İridyum ve GPS sistemlerini entegre etme önerileri var.

Kesinlik

Sözde mesafe ölçümünde tek bir uydunun hatasını etkileyen bileşenler aşağıda verilmiştir:

Toplam hata, bileşenlerin toplamına eşit değildir.

Modern GPS alıcılarının yatay düzlemdeki tipik doğruluğu, iyi uydu görünürlüğü ve düzeltme algoritmalarının kullanılmasıyla yaklaşık 6-8 metredir. ABD, Kanada, Japonya, Çin, Avrupa Birliği ve Hindistan topraklarında, hatayı bölgede 1-2 metreye düşüren diferansiyel mod için düzeltmeler ileten WAAS, EGNOS, MSAS vb. İstasyonlar vardır. bu ülkelerden Daha karmaşık diferansiyel modlar kullanıldığında, koordinat belirleme doğruluğu 10 cm'ye çıkarılabilir Herhangi bir SNS'nin doğruluğu, büyük ölçüde alanın açıklığına, kullanılan uyduların ufkun yüksekliğine bağlıdır.

Yakın gelecekte, mevcut GPS standardına sahip tüm cihazların yerini, girişime karşı daha dirençli olmak da dahil olmak üzere bir takım avantajlara sahip olan daha yeni bir GPS IIF sürümü alacaktır.

Ancak asıl olan, GPS IIF'in koordinat belirlemede çok daha yüksek bir doğruluk sağlamasıdır. Mevcut uydular 6 metrelik bir doğruluk sağlıyorsa, yeni uydular beklendiği gibi en az 6 metrelik bir doğrulukla konumu belirleyebilecektir. 60-90 cm. Bu tür bir doğruluk yalnızca askeri değil sivil uygulamalar için de geçerliyse, bu GPS navigasyon cihazı sahipleri için iyi bir haber.

Ekim 2011 itibariyle, ilk iki uydu Yeni sürüm A: GPS IIF SV-1 2010'da ve GPS IIF-2 16 Temmuz 2011'de piyasaya sürüldü.

Toplamda, ilk sözleşme 33 yeni nesil GPS uydusunun fırlatılmasını sağladı, ancak daha sonra teknik problemler fırlatma başlangıcı 2006'dan 2010'a ertelendi ve uydu sayısı 33'ten 12'ye düşürüldü. Hepsi yakın gelecekte yörüngeye oturtulacak.

Yeni nesil GPS uydularının geliştirilmiş doğruluğu, daha doğru atomik saatlerin kullanılmasıyla mümkün olmaktadır. Uydular yaklaşık 14.000 km/sa (3.874 km/s) hızla hareket ettiğinden (ilk kaçış hızı 20.200 km'de), altıncı hanede bile zaman doğruluğunu iyileştirmek nirengi için çok önemlidir.

Kusurlar

Herhangi bir radyo navigasyon sistemini kullanmanın yaygın bir dezavantajı, belirli koşullar altında sinyal alıcıya ulaşmayabilir veya önemli ölçüde bozulma veya gecikmeyle gelir. Örneğin, betonarme bir bina içindeki bir apartmanın derinliklerinde, bir bodrum katında veya bir tünelde, profesyonel jeodezik alıcılarla bile tam olarak konumunuzu belirlemek neredeyse imkansızdır. GPS'in çalışma frekansı desimetre radyo dalgası aralığında yer aldığından, uydulardan alınan sinyal seviyesi, yoğun ağaç yaprakları altında veya çok yoğun bulutlar nedeniyle ciddi şekilde bozulabilir. GPS sinyallerinin normal alımı, birçok karasal radyo kaynağının yanı sıra (nadir durumlarda) manyetik fırtınalardan veya kasıtlı olarak "karıştırıcılar" tarafından yaratılan parazitlerden etkilenebilir ( Bu method uydu araba alarmlarına karşı mücadele genellikle araba hırsızları tarafından kullanılır).

GPS yörüngelerinin düşük eğimi (yaklaşık 55), GPS uyduları ufkun üzerinde çok yükseğe çıkmadığından, Dünya'nın kutup çevresi bölgelerinde doğruluğu ciddi şekilde düşürür.

GPS'in temel bir özelliği, ABD Savunma Bakanlığı'ndan bir sinyal alma koşullarının tamamen bağımlı olmasıdır.

Şimdi [ Ne zaman?] ABD Savunma Bakanlığı, GPS sisteminin tam bir yükseltmesini başlatmaya karar verdi. Uzun zaman önce planlanmıştı, ancak proje ancak şimdi başlatılabildi. Yükseltme sırasında eski uydular, Lockheed Martin ve Boeing tarafından tasarlanan ve üretilen yenileriyle değiştirilecektir. 0.5 metrelik bir hata ile konumlandırma doğruluğu sağlayabilecekleri iddia ediliyor.

Bu programın uygulanması biraz zaman alacak [ Hangi?] zaman. ABD Savunma Bakanlığı, sistemin yükseltilmesinin ancak 10 yıl sonra tamamen tamamlanmasının mümkün olacağını iddia ediyor. Uydu sayısı değişmeyecek, yine 30:24 çalışır durumda ve 6 beklemede olacak.

kronoloji

Ayrıca bakınız

• Transit (ilk uydu navigasyon sistemi, 1960'lar - 1996)
• Galileo (Avrupa navigasyon sistemi)
• GLONASS (Rus navigasyon sistemi)

notlar

Edebiyat

• Aleksandrov I. Uzay radyo navigasyon sistemi NAVSTAR (Rusça) // Yabancı askeri inceleme. - M., 1995. - No. 5. - S. 52-63. - ISSN 0134-921X.
• Kozlovski E. Konumlandırma sanatı // dünya çapında. - M., 2006. - No. 12 (2795). -S.204-280.
• Shebshaevich V. S., Dmitriev P. P., Ivantsev N. V. ve ark. Ağ uydu radyo navigasyon sistemleri / ed. V. S. Shebshaevich. - 2. baskı, gözden geçirilmiş. ve ek - M .: Radyo ve iletişim, 1993. - 408 s. - ISBN 5-256-00174-4

Bağlantılar

• ABD hükümetinin resmi sitesi ve uydu takımyıldızı statüsüne sahip GPS sistemi (İng.)

• Küresel Navigasyon Uydu Sistemleri (GNSS). Nasıl çalışır? , gps-club.ru

• Galileo ve GPS
• GLONASS ve GPS Tamamlayıcılığı ve Uyumluluğuna İlişkin Ortak Bildiri ( (kullanılamayan bağlantı), kopyala)

27 Mayıs 2008 Bogomazov Alexey 1

Küresel Konumlandırma Sistemi veya kısaca GPS, dünyanın tek tam özellikli uydu navigasyon sistemidir. 25'ten fazla özel uydu, dünyanın her yerindeki GPS alıcıları tarafından toplanan doğru (her şeyden önce zamanında) radyo sinyalleri gönderir. Bu yayın, alıcıların (alıcıların) dünyanın herhangi bir yerinde, günün herhangi bir saatinde, herhangi bir hava koşulunda konumlarını (boylam, enlem, deniz seviyesinin üzerindeki konum) doğru bir şekilde belirlemelerini sağlar.

İLE şimdiki an Küresel Konumlama Sistemi zaten hayati bir sistem haline geldi, karada, denizde, havada modern navigasyonun ayrılmaz bir parçası, ayrıca haritaların derlenmesi ve dünya yüzeyinin manzarasındaki değişiklikleri gözlemlemek için önemli bir araçtır. Bu sistem, telekomünikasyon ve çeşitli bilimsel araştırma türleri (örneğin, depremlerin doğasının incelenmesi) gibi görünüşte üçüncü taraf endüstrilere belirli bir katkı sağlar.

GPS sistemi kendisi tarafından kontrol edilen ABD Savunma Bakanlığı tarafından geliştirilmiştir. Bu sistemin bakımı yaklaşık maliyetine rağmen $400 000 000 yılda (uyduların eskimesini sayarsanız), sıradan ölümlüler bunu mütevazı ihtiyaçları için kullanmakta özgürdür.

2005 yılı sonunda fırlatılan uydulara yeni nesil bir uydu daha eklendi. Bu uydunun bir numarası vardı. Ek özellikler Bunlardan biri, L2C olarak adlandırılan ve bir bütün olarak sistemin doğruluğunu ve güvenilirliğini artırmak için tasarlanmış ikinci bir sivil GPS sinyalini desteklemektir. Önümüzdeki yıllarda, giderek daha fazla modernize edilmiş uyduların fırlatılması planlanıyor, gelecekte üçüncü ve dördüncü sinyalleri eklemeleri gerekiyor ve ek olarak, yalnızca ordu tarafından kullanılacak bir dizi yeni özellik (kim bundan şüphe duyabilir) ).

Ağustos 2000'de, Geniş Alan Arttırma Sistemi (WAAS) halka açıldı ve insani bir ifadeyle, taşınabilir bir cihazın konumunu belirlemeyi mümkün kılan panoramik bir görüş sistemi oldu. GPS alıcısı iki metre hassasiyetle. İki metre elbette fena değil, ancak Diferansiyel GPS (DGPS) kullanıyorsanız bir santimetrelik bir doğruluk elde edebilirsiniz.

GPS kullanım alanları

Muhtemelen çoğu kişi duymuş Küresel Konumlama Sistemi birçok kişi günlük olarak kullanır. Bununla birlikte, insanların büyük çoğunluğu için bu, yalnızca Dünya yüzeyindeki konumlarını belirlemelerine izin veren bir teknoloji olarak kalmaktadır. Aslında bu biraz farklı, bu teknoloji insan faaliyetinin çok çeşitli alanlarında kullanılıyor.

Doğru zaman senkronizasyonu olmadan bilgi aktarımındaki hata seviyesinin anında artacağı ve bazı durumlarda aktarımın imkansız hale geleceği söylenmelidir. Bu, ekipmanın uygulanmasının nüanslarından kaynaklanmaktadır. Örneğin, sıradan bir iletimin belirli bir uygulamasıyla yerel ağlar, ağ kartları neredeyse her baytın aktarımından sonra senkronize edilmelidir. Bu elbette tamamen uzak bir örnek, ancak çok daha ciddi endüstriyel ve bilimsel tesislerde senkronizasyonun ne düzeyde olması gerektiğini bir düşünün.

Uydulardaki atomik saatler geri sayıyor " GPS zamanı". Bu süre gün, saat, dakika, saniye vb. Dünyanın dönüşünden bağımsız.Bir GPS günü SI'da 86400 saniyedir (bu arada, Sİ, bu bir ölçüm sistemi değil, uluslararası sistem , önemsiz gibi görünüyor, ancak herkes bilmiyor), Uluslararası Atom Saati (TAI) standardı (Uluslararası Atom Saati).

İÇİNDE 1980 GPS zamanı, Eşgüdümlü Evrensel Zaman'a (UTC) eşittir. Böylece, GPS saati 6 Ocak 1980'de 00:00:00 UTC'de (00:00:19 TAI) işlemeye başladı ve belirsiz "artık saniyeler" nedeniyle 19 saniyelik fark ortaya çıktı. Ama biz zaten özel disiplinler ormanına giriyoruz, bu yüzden ilgilenen varsa devam edin, aynı zamanda görelilik teorisini de öğrenin, burada her adımda bulunur.

• Jeofizik ve jeoloji . Dünyanın farklı katmanlarının voltajının yüksek hassasiyetli ölçümleri GPS kullanılarak yapılabilir. Öncelikle voltajla ilgilenelim, pillerle hiçbir ilgisi yok, burada daha çok kayaların herhangi bir kuvvetin etkisi altında deformasyonu ve yer değiştirmesidir. Bu değeri ölçmek için, biri sabit (mümkün olduğunca) olması gereken 2 GPS alıcısı almak yeterlidir, ardından ikinci alıcının istenen değer olacak olan birinciye göre ofsetini belirlemek kolaydır. . Bu teknoloji, volkanların gözlemlenmesinde uygulama bulur ve çevredeki manzarada gelecekteki değişikliklerin nedenini ve şeklini önceden tahmin etmenize olanak tanır.

GPS geliştirme tarihi

Gelişim Küresel Konumlama Sistemi kısmen benzerlerine dayalı yer sistemleri gibi radyo navigasyon LORAN(1940'ların başında geliştirildi ve II. Dünya Savaşı sırasında kullanıldı). Bu sistemin geliştirilmesine ek bir itici güç, 1957'de SSCB'de ilk yapay uydunun fırlatılmasıydı. Dr. liderliğindeki Amerikalı bilim adamlarından oluşan bir ekip. Richard B. Kershner, uydudan radyo sinyallerinin iletimini izledi. İlginç bir model fark ettiler. Doppler etkisine göre, uydudan gönderilen radyo sinyalinin frekansı uydudan uzaklaştıkça azalır (sinyal ne kadar çok seyahat ederse, frekansı o kadar düşük olur). Kısa süre sonra, dünya üzerindeki tam konumlarını ve uydu tarafından gönderilen sinyallerin frekansını bilerek, uydunun dünya yörüngesindeki konumunu yüksek doğrulukla (hesaplamalarına göre) belirleyebilecekleri anlaşıldı. aynı Doppler). Tersi ifadenin de doğru olduğunu anlamak kolaydır, uydunun yerini ve sinyalin frekansını bilerek, Dünya üzerindeki konumunuzu belirleyebilirsiniz.

İlk uydu navigasyon sistemi taşıma(ABD Donanması tarafından kullanılan) 1960 yılında başarıyla test edildi. Bu sistem 5 uydu kullanıyordu ve yaklaşık olarak saatte bir navigasyon düzeltmelerinin yapılmasına izin veriyordu. 1967'de ABD Donanması, doğru bir saati (GPS'nin dayandığı teknoloji) gemiye yerleştirmeyi ve aslında yörüngeye yerleştirmeyi mümkün kılan Timation adlı yeni bir uydu geliştirdi. 1970'lerde Omega Navigasyon Sistemi, tüm dünyayı kapsayan ilk radyo navigasyon sistemi oldu. Bu sistem, sinyallerin fazlarının karşılaştırılmasına dayanıyordu.

İlk deneysel blok ben GPS uydusu Şubat 1978'de fırlatıldı. İlk GPS uyduları Rockwell International tarafından yapıldı ve şimdi Lockheed Martin tarafından yapılıyor. 1983 olaylarından sonra, SSCB hava savunma sistemi bir yolcu uçağını düşürdüğünde KAL 007 ABD Başkanı Ronald Reagan, hava sahasında (yolcu yanlışlıkla SSCB hava sahasına girdi) gemideki herkesi (toplam 269 kişi) öldürdü, GPS'in inşaatı tamamlandıktan hemen sonra sivillerin kullanımına sunulabileceğini söyledi. 1985 yılına gelindiğinde bir başka 10 Blok I uydular. İlk modern Block-II uydusu fırlatıldı 14 Şubat 1989. Aralık 1993'te, uydu sayısı sistemin halihazırda çalışabileceği sayıya çıkarıldı ve 17 Ocak 1994'te 24 uydunun tamamı yörüngedeydi.

1996'da ABD Başkanı Bill Clinton, GPS'in yalnızca askeri amaçlar için değil sivil kullanım için de önemini tam olarak anladı. Bundan sonra, GPS'in durumunu ikili bir sistem (hem askeri hem de sivil) olarak belirleyen bir yönerge gelir. 1998'de ABD Başkan Yardımcısı Al Gore, sistemin doğruluğunu ve güvenilirliğini artırmak ve daha yüksek bir uçuş güvenliği sağlamak için GPS'e iki sivil sinyal daha eklemeyi planladığını duyurdu.

Son uydu fırlatması 2019 yılında yapılmıştır. Eylül 2005, şu anda çalışır durumda olan en eski GPS uydusunun fırlatma tarihi ise Şubat 1989.

GPS uyduları

GPS sistemi, belirli bir şekilde, özellikle de belirli bir yerde bulunan uyduları kullanır. Ara dairesel yörünge (ICO). Bunlar, Dünya yörüngesi (1400 km) ile jeosenkronize yörünge (35790 km) arasına alınmış yörüngelerdir. Ayrıca öngörülemeyen durumlara ve her türlü arıza ve hataya karşı sabit yörüngede bulunan kullanılmayan üç uydu bulunmaktadır. Her uydu, 20.200 km yükseklikte Dünya'yı günde tam olarak iki kez çevreler. Yörüngeler, herhangi bir zamanda, dünya yüzeyindeki hemen hemen her nokta aynı anda dört uydunun kapsama alanı içinde olacak şekilde yerleştirilmiştir. Altı yörünge düzleminin her birinde altı aktif uydu vardır. Her uydunun yörüngesi ekvator düzleminden 55 derece sapmıştır.

Uyduların konumu, dünya çapında bulunan beş yer istasyonu (Hawaii, Kwajalein, Ascension Island, Diego Garcia, Colorado Springs) tarafından izlenir. Ayrıca bir ana istasyon (hava üssü) bulunmaktadır. Şahin adet olarak Tüm bilgileri ikincil izleme istasyonları aracılığıyla uydulara ileten Colorado). Bu bilgi genellikle bir mikrosaniye hassasiyetle bir zaman ayarlaması içerir.

Her uydu, atomik saatine göre zamanı ve diğer bilgileri dijital biçimde dış dünyaya düzenli olarak iletir. Tipik olarak, uydular yörüngedeki tam konumlarını ve diğer tüm aktif GPS uydularının yaklaşık konumlarını yayınlar. Görünüşe göre, neden kalan uyduların konumu hakkında bilgi iletiyor, ancak yer tabanlı alıcılar alınan en güçlü sinyali seçiyor ve ardından alınan bilgileri kullanarak diğer uydulardan daha az güçlü sinyaller yakalamaya çalışıyorlar.

GPS alıcıları

Bir GPS alıcısının temel amacı, Dünya yüzeyindeki konumunu belirlemektir. Bu konum, coğrafi enlem ve boylam ile deniz seviyesinin üzerindeki konum olmak üzere üç parametre kullanılarak benzersiz bir şekilde belirlenir. Ayrıca alıcı, saatin kaç olduğu anlamında değil, uydu ile doğru senkronizasyon anlamında tam zamanı belirlemelidir. Tüm bu parametreler proses tarafından belirlenir. trilaterasyon. Özetle, trilaterasyon, bilinen koordinatlara ve her noktadan nesneye bilinen mesafelere sahip en az dört noktayı kullanarak bir nesnenin konumunu bulmaktan oluşur. Genel olarak konuşursak, mesafe bulmazlar, ancak sözde menzil (sözde aralık), mesafenin ilk yaklaşımıdır.

Böylece uydular kendi koordinatlarını ve sinyalin gönderildiği zamanı şifreleyen bir sinyal gönderir. Alıcı sinyali aldıktan sonra kodu çözer, uyduların her birinin yörüngesini hesaplar ve ardından bu uydulara olan mesafeyi bulur. Mesafenin hesaplanması, sinyalin gönderildiği zaman ile alındığı zaman arasındaki gecikme dikkate alınarak yapılır. Böylece sinyalin geldiği zamanı bilmek, sinyalin hızı ile çarparak mesafeyi bulmak kolaydır.

Gecikmeyi doğru bir şekilde belirleme süreci belki de en çok zaman alan süreçtir. Her uydu periyodik olarak gönderir 1023 bit sözde keyfi dizi ( sözde rastgele dizi), keyfi birinin yalnızca bazı özelliklerine sahip bir dizidir. Her uydunun, kod bölmeli paralel erişimi kullanarak aynı radyo frekanslarını paylaşmalarına izin veren kendi dizisi vardır ( Kod Bölmeli Çoklu Erişim). Alıcı, uyduların her birinin gönderdiği dizileri oluşturur ve alınanlarla karşılaştırır, böylece alıcı, uyduların her birini kolayca tanıyabilir.

Trilaterasyon konusuna dönelim. Alıcı zaten 4 uydu konumu ve bunlara 4 mesafe belirlemiştir. Şimdi uyduların olduğu yerde merkezlenmiş ve yarıçapları uydulara olan mesafelere eşit olan 4 küre hayal edin. Genel olarak, okul stereometrisine göre 3 seçenek mümkündür: 2 kesişme noktası, bir kesişme noktası ve kesişme noktası yok. Bariz nedenlerden dolayı, kesişme noktası alıcının konumudur. Tüm uydular aynı düzlemdeyse iki nokta mümkündür ki bu her zaman mümkün değildir (3 uydu her zaman aynı düzlemde bulunur). Prensip olarak bu seçenek de kabul edilebilir, çünkü bir nokta Dünya üzerinde bir yerde bulunur ve ikincisi, uyduların bulunduğu düzleme veya daha doğrusu uzayda bir yere göre simetriktir. Doğru olanı seçmek oldukça basittir. Yalnızca bir kesişme noktası varsa, o zaman istenen noktadır.

Gerçek alıcılarla çalışırken, oldukça özel birkaç nedenden dolayı her şey biraz daha karmaşıktır. Bir GPS alıcısının maliyeti, $90 ve atomik saatlerin maliyeti yaklaşık olarak Alman otomobil endüstrisinin birkaç düzine ürününün maliyetine eşittir ve 50 Mercedes açıkça 50 dolardan daha pahalıdır. Bu nedenle, mesafeyi hesaplamak o kadar kolay değildir. Neyse ki, sıradan bir saat, neyse ki, sinyal zamanı için oldukça doğru bir karşılaştırma yapabilen yeterince doğrudur. Sonuç olarak, coğrafi konumun belirlenmesinde şans eseri küçük bir hata vardır (küreler yaklaşık bir noktada kesişir).

Biraz yukarılarda mesafe hesaplama derken sinyal hızını boşuna kaçırmadım, GPS'in en büyük sorunlarından biri bu. Fizikte okul problemlerini çözdüyseniz, bu hız ışığın boşluktaki hızına eşit kabul edilir, bu genel olarak doğru değildir, ışık havada daha yavaş hareket eder, başka bir şey de bu hızların oranının bire eşit olmasıdır. ve sıfırdan sonraki ilk rakam yeterince uzak bir yerde. Ancak kesin konum hesaplanırken bu rakamlar önemli bir katkı sağlıyor. En kötüsü, iyonosferdeki sinyalin hızının (sorun esas olarak buradadır) neredeyse tahmin edilemeyecek şekilde değişmesi ve sinyalin içinden geçmesi gereken katman ne kadar kalınsa, hata o kadar büyük olabilir. Uydu doğrudan alıcının üzerinde geziniyorsa, hata minimum düzeydedir. Değilse, uydunun ufuktan sapma açısıyla birlikte hata artar. Bu hatayı düzeltmek için önce alıcının yaklaşık konumu belirlenir, ardından matematiksel bir model kurulur ve buna göre hata giderilir.

İyonosferdeki bir radyo sinyalinin hızındaki değişiklik frekansına bağlıdır, dolayısıyla ikinci frekans L2(aşağıda daha fazlası) bu hatayı düzeltmek için. Bazı askeri ve pahalı sivil (genellikle izleme için kullanılır) alıcılar frekansları karşılaştırabilir L1 Ve L2, atmosferdeki sinyal gecikmesini hesaplayın ve ince ayarlar yapın.

GPS sinyalleri, çevredeki yüzeylerden - binalar, arazi, yoğun topraklar, vb. - saçılma ve yansımaya tabidir. Bu, başka bir hatanın nedenidir. Pek çok alım tekniği bu hatayı azaltmak için tasarlanmıştır (özellikle Dar İlişkilendirici aralığı- oldukça spesifik bir soru, anladığım kadarıyla, ortaya çıkan işlevi oldukça katı koşullarda olması gerekenle karşılaştırıyorlar). Sinyal kaybolursa ve uzun süre bir yerde seyahat ederse, alıcının kendisi bunu tanıyabilir ve böyle bir sinyali görmezden gelebilir. Sinyal yalnızca örneğin dünyanın yüzeyinden yansıtılıyorsa, onu filtrelemek çok daha zordur (özel antenler kullanılır). Bunun nedeni, bu tür hataların ana sinyalle karşılaştırıldığında neredeyse hiç fark edilmemesi ve hava kütlelerinin olağan hareketlerinden kaynaklanan bozulmalara çok benzer olmasıdır.

Birçok GPS alıcısı, bilgileri kullanarak bir PC'ye veya diğer cihazlara iletebilir. NMEA0183 protokol. NMEA2000- daha yeni, ancak daha az yaygın bir protokol.

GPS frekansları

Öyleyse, GPS'in elektromanyetik dalgaları (radyo dalgaları) spektrumunda bulunan birkaç frekansa bakalım: (Neden birkaç tane? Sistem yarı askeri, kimse size tüm gerçeği söylemeyecek).

• L1 (1575,42 MHz): birinci taşıyıcı frekansı;
• L2 (1227,60 MHz): ikinci taşıyıcı frekansı; Uydu bu iki frekansta sinüzoidal sinyaller yayar. Yukarıda bahsedildiği gibi, gönderilmeden önce, bu sinyaller sözde rasgele bir dizi (faz anahtarlama) ile modüle edilir. L1 frekansı iki tür kodla modüle edilir: C/A kodu (ücretsiz erişim kodu) ve P(Y) kodu (yetkili erişim kodu) ve L2 frekansı yalnızca P koduyla modüle edilir. Bu sinyalde de bulunan uyduların konumu ve zaman hakkındaki bilgileri unutmayınız. Kaba Edinme C/A (ücretsiz erişim kodu) 1023 MHz darbe frekansına ve 0,001 saniye tekrar süresine sahiptir. Bu kodun kodu sorunsuz bir şekilde çözülür, ancak onun yardımıyla tam konumu belirlemek neredeyse imkansızdır. Korumalı kod P(Y) (yetkili erişim kodu) 10.23 MHz darbe tekrarlama hızına ve 7 günlük tekrar süresine sahiptir. Bu kod haftada bir kez değişir ve yalnızca ABD Savunma Bakanlığı'nın yetkili kişileri üzerinde değişiklik yapabilir. Daha doğrusu yapabilirlerdi, Amerikalılar bir hata yaptı ve onlardan bilgi sızdırdı. kabul etmek zorunda kaldım ek önlemler güvenlik: Kimlik Sahtekarlığına Karşı Koruma modu herhangi bir zamanda başlatılabilir. Bu durumda, P sinyali kodlanır ve yalnızca donanım tarafından kodu çözülebilen bir Y sinyaline dönüştürülür. Seçici Kullanılabilirlik SA (SA, Seçici Erişim Modu), yetkisiz kullanıcılara karşı koruma sağlamak için özel olarak tasarlanmıştır. Bu mod çalışırken, bilgi mesajında ​​​​uyduların konumu ve zaman hakkında bilgi gönderilmez, ancak biraz düzeltilmiş bilgi gönderilir. Küçük düzeltmeler yapılır (yatay olarak 10 metre ve dikey olarak 30 metre, elbette yaklaşık olarak) ve tespitin doğruluğu anında önemli ölçüde azalır.
• L3 (1381,05 MHz): Bu, uyduların ABD savunma programına katkısıdır, bu frekans, füze fırlatmalarını, nükleer patlamaları ve emisyonların eşlik ettiği diğer olayları tespit etmek için tasarlanmıştır. Büyük bir sayı enerji;
• L4 (1841,40 MHz): sinyal iyonosferden geçtiğinde ek hata düzeltme sinyali;
• L5 (1176,45 MHz): SOC (hayat güvenliği (SoL)) sinyali gönderme frekansı. İmdat sinyalleri bu frekansta minimum alım hatasıyla veya hiç tahmin edilmeden gönderilecek. Bu frekansta yayın yapabilen ilk Block-IIF uydusunun 2008 yılında fırlatılması planlanıyor.

GPS'i iyileştirme fırsatları

• Diferansiyel GPS (DGPS) - diferansiyelKüresel Konumlama Sistemi. Tespit doğruluğunu 4-20 metreden 1-3 metreye çıkarmanızı sağlar. Prensip, koordinatlarını (her zaman bir hataya sahip olan) uyduların okumalarına dayalı olarak hesaplayan ve önceden bilinen koordinatlarıyla karşılaştıran sabit GPS alıcılarından oluşan karasal bir ağ oluşturmaktır. Düzeltme yerel alanda bir FM sinyali olarak yayınlanır. Bu yöntem, ucuz sivil alıcıların doğruluğunu büyük ölçüde artırmasına olanak tanır.
• Geniş Alan Büyütme Sistemi (WAAS) - panoramik görüş sistemi. Yaklaşık olarak bir önceki durumda olduğu gibi işgal eden yer istasyonları inşa ediliyor, sadece havada yayınlamıyorlar, ancak jeosenkronize yörüngedeki ek uydulara iletiyorlar ve sırayla havada yayınlıyorlar. ek olarak, iyonosferdeki sinyal gecikmesi vb. hakkında bilgi verirler. Bu sistem, zayıf ve sıfır görüş koşullarında havacılıkta önemli ölçüde yardımcı olabilir. Ne yazık ki, şu anda yalnızca birkaç WAAS uydusu fırlatılıyor. Şu anda, bu sistem yalnızca Amerika Birleşik Devletleri'nin batı ve doğu kıyılarında faaliyet göstermektedir. Ancak, bu sistemin benzerleri Avrupa'da EGNOS, Euro Geostationary Navigation Overlay Service) ve Japonya (MSAS, Multi-Functional Satellite Augmentation System) tarafından oluşturulmaktadır. Bu sistemler neredeyse WAAS ile aynıdır.
• Bir Yerel Alan Büyütme Sistemi (LAAS) . Düzeltme önceki duruma benzer, ancak yayın bir uydudan değil, yakınında daha fazla doğruluk gerektiren bir yer istasyonundan (örneğin, bir havaalanı) yapılır.

Block 2F, geliştirilmiş senkronizasyon, anti-karışma askeri sinyal ve uydulardan daha güçlü sivil sinyal ile beşinci nesil GPS uydularıdır. önceki nesiller. GPS-2F, yörüngede 12-15 yıl çalışacak şekilde tasarlanmıştır ve yazılım yüklemelerini destekleyen yeniden programlanabilir bir işlemci ile donatılmıştır.

Her GPS-2F (veya GPS IIF) serisi uydu aşağıdaki avantajları sağlar:

• gelişmiş atomik saat teknolojisi sayesinde gelişmiş navigasyon doğruluğu;
• yeni bir sivil sinyal L5 mevcuttur (L5 sinyali, radyo bandında yalnızca havacılık güvenlik hizmetleri için yayınlanan üçüncü sivil sinyaldir);
• agresif ortamlarda robotlar için askeri sinyalin artan gücü ve gürültü bağışıklığı;
• uydunun ömrünün 12 yıla çıkarılması sistemin bir bütün olarak işletim maliyetlerinin düşürülmesine;
• alabilen yeniden programlanabilir bir işlemci kullanarak yazılım güncellemeleri sistem performansını iyileştirmek için.

Uydu özellikleri:

• İşletme süresi 12-15 yıldır;
• Ağırlık - 1630 kg;
• Yörünge - 20200 km × 20200 km, 55.0°.

Küresel Konumlama Sistemi

KÜRESEL KONUMLAMA SİSTEMİ ( Küresel Konumlandırma Sistemi- küresel konumlandırma sistemi, GPS ile okunur) - mesafeyi, zamanı ölçen ve dünya koordinat sistemi WGS 84'teki konumu belirleyen bir uydu navigasyon sistemi. nesnelerin yerini ve hızını belirlemek için Dünya'ya yakın uzay alanı. Sistem, ABD Savunma Bakanlığı tarafından geliştirildi, uygulandı ve işletildi, şu anda sivil kullanım için mevcut - yalnızca bir navigasyon cihazına veya GPS alıcısı olan başka bir cihaza (örneğin bir akıllı telefon) ihtiyacınız var.

Sistemi kullanmanın temel prensibi, tüketicinin anteni ile navigasyon uydularından senkronize bir sinyal alma zaman noktalarını ölçerek yer tespiti yapmaktır. Üç boyutlu GPS-WAN koordinatlarını belirlemek için, alıcının dört denkleme sahip olması gerekir: “mesafe, ışık hızının ürününe ve tüketici tarafından sinyal alma anları ile senkron anı arasındaki farka eşittir. uydulardan emisyon”: . Burada: - -inci uydunun konumu, - tüketicinin saatine göre -inci uydudan sinyal alma anı, - tüketicinin saatine göre tüm uydular tarafından senkron sinyal yayımının bilinmeyen zamanı, - ışık hızı , - tüketicinin bilinmeyen üç boyutlu konumu.

Hikaye

Uydu navigasyonu oluşturma fikri 1950'lerde doğdu. SSCB'de ilk yapay Dünya uydusunun fırlatıldığı anda, Richard Kershner liderliğindeki Amerikalı bilim adamları, Sovyet uydusundan gelen sinyali gözlemlediler ve Doppler etkisi nedeniyle, uydu yaklaştıkça alınan sinyalin frekansının arttığını ve uzaklaştıkça azalır. Keşfin özü, Dünya üzerindeki koordinatlarınızı tam olarak biliyorsanız, o zaman uydunun konumunu ve hızını ölçmek mümkün hale gelir ve bunun tersi, uydunun tam konumunu bilerek kendi hızınızı ve koordinatlarınızı belirleyebilmenizdir. .

1973'te DNSS programı başlatıldı, daha sonra Navstar-GPS ve ardından GPS olarak yeniden adlandırıldı. İlk test uydusu 14 Temmuz 1974'te yörüngeye yerleştirildi. 1982'de Sovyet konumlandırma sistemi uydusunun fırlatılması, ABD Kongresine para ayırması ve çalışmaları hızlandırması için bir neden verdi. Soğuk bir savaş vardı, silahlanma yarışı ivme kazanıyordu. 1983'te GPS'in oluşturulması için yoğun çalışmalar başladı ve dünya yüzeyini tamamen kaplamak için gereken 24 uydunun sonuncusu 1993'te yörüngeye fırlatıldı ve GPS hizmete girdi. Füzeleri doğru bir şekilde sabit hale getirmek ve ardından havada ve yerdeki hareketli nesneleri doğru bir şekilde hedeflemek için GPS kullanmak mümkün hale geldi.

Başlangıçta, küresel konumlandırma sistemi tamamen askeri bir proje olarak geliştirildi. Ancak 269 yolcu ve mürettebatla Sovyet hava sahasını işgal eden bir Korean Airlines Boeing 747, 1983 yılında Sakhalin Adası yakınlarında bir Sovyet savaş uçağı tarafından düşürüldükten sonra, bunun nedeni olarak mürettebatın uzaydaki yönelim bozukluğu gösterildi, ABD Başkanı Ronald Reagan benzer bir olaydan kaçınmak için Gelecekteki trajediler, navigasyon sisteminin tüm dünyada sivil amaçlarla kullanılmasına izin verdi. Sistemin askeri kullanımını önlemek için, doğruluk özel bir algoritma ile azaltıldı.

Ardından, bazı şirketlerin L1 frekansındaki doğruluğu azaltmak için algoritmayı deşifre ettiği ve hatanın bu bileşenini başarıyla telafi ettiği bilgisi ortaya çıktı. 2000 yılında, ABD Başkanı Bill Clinton, bu kaba doğruluğu kararnamesiyle kaldırdı.

Teknik uygulama

GPS üç ana bölümden oluşur: uzay, kontrol ve kullanıcı. GPS uyduları uzaydan bir sinyal yayınlar ve tüm GPS alıcıları bu sinyali uzaydaki konumlarını gerçek zamanlı olarak üç koordinatta hesaplamak için kullanır.

Uzay bölümü, dünyanın yörüngesinde dönen 32 uydudan oluşur.

1 Haziran 2014 itibariyle, yalnızca 29 tanesi amacına uygun olarak kullanılmaktadır. 1 adet uzay aracının sisteme alınması aşamasında 2 adet uzay aracı bakıma alındı.

Kontrol bölümü, ana kontrol istasyonudur ve birkaç ek istasyonlar, karasal antenler ve izleme istasyonlarının yanı sıra, bahsedilen kaynakların bir kısmı diğer projelerle paylaşılmaktadır.

Kullanıcı segmenti, devlet kurumları tarafından işletilen GPS alıcıları ve sıradan kullanıcılara ait yüz milyonlarca cihaz tarafından temsil edilmektedir.

uzay uyduları

Bir müzede sergilenen fırlatılmamış bir uydu. Antenlerin yanından görünüm.

Uydu yörüngeleri

GPS uydularının yörüngeleri. Dünya yüzeyindeki noktalardan birinden uyduların görünürlüğüne bir örnek. Görünür uydu, ideal koşullar altında (boş alan) gözlemcinin ufku üzerinde görünen uyduların sayısıdır.

NAVSTAR sisteminin uydu takımyıldızı, tüm uydular için aynı yükseklik ve dönme periyoduna sahip dairesel yörüngelerde Dünya etrafında döner. Yaklaşık 20.200 km yükseklikte dairesel bir yörünge, 11 saat 58 dakikalık bir yörünge periyoduna sahip bir günlük çoklu yörüngedir; böylece uydu, bir yıldız gününde (23 saat 56 dakika) Dünya çevresinde iki yörünge yapar. Yörünge eğimi (55°) de sistemdeki tüm uydular için ortaktır. Uyduların yörüngelerindeki tek fark, yükselen düğümün boylamı veya uydunun yörünge düzleminin ekvatorla kesiştiği noktadır: bu noktalar yaklaşık 60 derece ayrıdır. Böylece, aynı (yükselen düğümün boylamı hariç) yörünge parametrelerine rağmen, uydular Dünya'nın etrafında her birinde 4 uydu olmak üzere altı farklı düzlemde döner.

RF özellikleri

Uydular şu aralıklarda kullanıma açık sinyaller yayar: L1=1575,42 MHz ve L2=1227,60 MHz (Blok IIR-M'den başlayarak) ve IIF modelleri de L5=1176,45 MHz'de yayın yapar. Navigasyon bilgileri bir anten tarafından alınabilir (genellikle uyduların görüş hattındadır) ve bir GPS alıcısı kullanılarak işlenebilir.

L1 bandında iletilen standart hassas kod sinyali (C/A kodu - BPSK(1) modülasyonu) (ve IIR-M cihazlarıyla başlayan L2 bandındaki L2C sinyali (BPSK modülasyonu)), kullanım kısıtlaması olmadan dağıtılır. Başlangıçta L1'de kullanılan yapay sinyal kabalaştırma (seçici erişim modu - S / A) Mayıs 2000'den beri devre dışı bırakılmıştır. 2007'den beri Amerika Birleşik Devletleri nihayet yapay kabalaştırma tekniğini terk etti. Block III cihazlarının lansmanı ile L1 bandında yeni bir L1C sinyalinin (BOC (1,1) modülasyonu) tanıtılması planlanmaktadır. Geriye dönük uyumluluğa, geliştirilmiş yol izleme özelliğine sahip olacak ve Galileo L1 sinyalleriyle daha uyumlu olacak.

Askeri kullanıcılar için, gürültüye dayanıklı kriptoya dayanıklı P (Y) kodu (BPSK (10) modülasyonu) ile modüle edilen L1 / L2 bantlarındaki sinyaller ayrıca mevcuttur. IIR-M cihazlarından başlayarak yeni bir M kodu devreye alındı ​​(modülasyon BOC (15,10) kullanılıyor). M kodunun kullanılması, sistemin Navwar konsepti (navigasyon savaşı) çerçevesinde çalışmasını sağlamayı mümkün kılar. M kodu, mevcut L1 ve L2 frekanslarında iletilir. Bu sinyal, gürültü bağışıklığını artırmıştır ve kesin koordinatları belirlemek için yeterlidir (P kodu durumunda, C / A kodunun alınması da gerekliydi). M kodunun bir başka özelliği de, sinyal gücünün 20 desibel daha yüksek olacağı birkaç yüz kilometre çapındaki belirli bir alana iletme yeteneği olacaktır. Geleneksel M sinyali, IIR-M uydularında zaten mevcutken, dar ışın yalnızca GPS-III uydularında mevcut olacaktır.

IIF blok uydusunun lansmanı ile yeni bir frekans L5 (1176.45 MHz) tanıtıldı. Bu sinyal aynı zamanda can güvenliği(insan hayatının korunması). L5 sinyali, sivil sinyalden 3 dB daha güçlüdür ve 10 kat daha geniş bir bant genişliğine sahiptir. Sinyal, insan yaşamını tehdit eden kritik durumlarda kullanılabilir. Tam sinyal 2014'ten sonra kullanılacaktır.

Sinyaller iki tür sözde rastgele dizi (PRN) ile modüle edilir: C/A kodu ve P kodu. C/A (Temiz erişim) - genel kod - 1023 devirlik tekrar periyoduna ve 1.023 MHz darbe tekrarlama oranına sahip bir PRN'dir. Tüm sivil GPS alıcıları bu kodla çalışır. P (Korumalı/kesin)-kodu genel kullanıma kapalı sistemlerde kullanılır, tekrarlanma süresi 2·10 14 devirdir. P kodu modülasyonlu sinyaller iki frekansta iletilir: L1 = 1575,42 MHz ve L2 = 1227,6 MHz. C/A kodu yalnızca L1 frekansında iletilir. Taşıyıcı, PRN kodlarına ek olarak bir navigasyon mesajı ile de modüle edilir.

24 uydu, sistemin dünyanın herhangi bir yerinde tamamen çalışır durumda olmasını sağlar, ancak her zaman güvenilir alım ve iyi konum hesaplaması sağlayamaz. Bu nedenle, arıza durumunda konumlandırma doğruluğunu ve rezervini artırmak için, yörüngedeki toplam uydu sayısı daha fazla tutulur (Mart 2010'da 31 uydu).

Uzay segmentinin yer kontrol istasyonları

Yörünge takımyıldızı, Schriever Hava Kuvvetleri Üssü, Colorado, ABD'de bulunan ana kontrol istasyonundan ve üçü uydulara belirli bir frekansa sahip radyo sinyalleri şeklinde düzeltme verileri gönderebilen 10 izleme istasyonunun yardımıyla izlenir. 2000-4000 MHz. En yeni nesil uydular, alınan verileri diğer uydular arasında dağıtır.

GPS uygulaması

GPS sinyal alıcısı

GPS projesi başlangıçta askeri amaçlara yönelik olmasına rağmen, günümüzde GPS yaygın olarak sivil amaçlar için kullanılmaktadır. GPS alıcıları birçok elektronik eşya mağazasında satılmaktadır. Cep telefonları, akıllı telefonlar, bilek Dijital saat, PDA ve onboarders. Tüketicilere elektronik harita üzerinde konumlarını görmelerini sağlayan çeşitli cihaz ve yazılım ürünleri de sunulmaktadır; yol işaretlerini, izin verilen dönüşleri ve hatta trafik sıkışıklığını dikkate alarak rota belirleme yeteneğine sahip olmak; Belirli evler ve sokaklar, ilgi çekici yerler, kafeler, hastaneler, benzin istasyonları ve diğer altyapılar için harita üzerinde arama yapın.

• Jeodezi: GPS kullanılarak, noktaların kesin koordinatları ve arsaların sınırları belirlenir.
• Haritacılık: GPS, sivil ve askeri haritacılıkta kullanılır.
• Navigasyon: GPS kullanılarak hem deniz hem de karayolu navigasyonu gerçekleştirilir.
• Ulaşımın uydudan izlenmesi: GPS yardımıyla arabaların konumu ve hızı izlenir ve hareketleri kontrol edilir.
• Hücresel: GPS'li ilk cep telefonları 90'larda ortaya çıktı. Amerika Birleşik Devletleri gibi bazı ülkelerde bu, 911'i arayan bir kişiyi hızlı bir şekilde bulmak için kullanılır. Rusya'da 2010 yılında benzer bir proje olan Era-Glonass başlatıldı.
• Tektonik, Plaka Tektoniği: GPS, plaka hareketlerini ve salınımlarını gözlemlemek için kullanılır.
• Açık Hava Etkinlikleri: Geocaching vb. gibi GPS kullanan çeşitli oyunlar vardır.
• Coğrafi etiketleme: fotoğraflar gibi bilgiler, yerleşik veya harici GPS alıcıları kullanılarak koordinatlara "etiketlenir".

İridyum ve GPS sistemlerini entegre etme önerileri var.

Kesinlik

Sözde aralık ölçümünde tek bir uydunun hatasına katkıda bulunan bileşenler aşağıda verilmiştir:

Toplam hata, bileşenlerin toplamına eşit değildir.

İki bitişik GPS alıcısının hatalarının korelasyon katsayısı (kod modunda çalışırken), sinyal-gürültü oranına bağlı olarak 0,15-0,4'tür. Sinyal-gürültü oranı ne kadar büyük olursa, korelasyon da o kadar büyük olur. Bazı uyduları gölgelendirip sinyali yeniden yansıtırken, korelasyon sıfıra ve hatta negatif değerlere düşebilir. Ayrıca, hata korelasyon katsayısı geometrik faktöre bağlıdır. PDOP ile< 1,5 корреляция может достигать значения 0,7. Так как погрешность GPS складывается из многих составляющих, она не может быть представлена в виде нормального белого шума. По форме распределения погрешность есть сумма нормальной погрешности, взятой с коэффициентом 0,6-0,8 и погрешности, имеющей распределение Лапласа с коэффициентом 0,2-0,4. Автокорреляция суммарной погрешности GPS падает до значения 0,5 в течение приблизительно 10 секунд.

Modern GPS alıcılarının yatay düzlemdeki tipik doğruluğu, iyi uydu görünürlüğü ve düzeltme algoritmalarının kullanılmasıyla yaklaşık 6-8 metredir. Amerika Birleşik Devletleri, Kanada, Japonya, Çin, Avrupa Birliği ve Hindistan'da diferansiyel mod düzeltmeleri yayınlayan WAAS, EGNOS, MSAS vb. istasyonlar bulunmakta olup bu ülkelerde hatayı 1-2 metreye kadar düşürebilmektedir. Daha karmaşık diferansiyel modlar kullanıldığında, koordinat belirleme doğruluğu 10 cm'ye çıkarılabilir Herhangi bir SNS'nin doğruluğu, büyük ölçüde alanın açıklığına, kullanılan uyduların ufkun yüksekliğine bağlıdır.

Yakın gelecekte, mevcut GPS standardına sahip tüm cihazların yerini, girişime karşı daha dirençli olmak da dahil olmak üzere bir takım avantajlara sahip olan daha yeni bir GPS IIF sürümü alacaktır.

Ancak asıl olan, GPS IIF'in koordinat belirlemede çok daha yüksek bir doğruluk sağlamasıdır. Mevcut uydular 6 metrelik bir hata veriyorsa, yeni uydular beklendiği gibi konumu en fazla olmayan bir hatayla belirleyebilecektir. 60-90cm. Bu tür bir doğruluk yalnızca askeri değil sivil uygulamalar için de geçerliyse, bu GPS navigasyon cihazı sahipleri için iyi bir haber.

Toplamda, ilk sözleşme 33 yeni nesil GPS uydusunun fırlatılmasını sağladı, ancak daha sonra teknik sorunlar nedeniyle fırlatma başlangıcı 2006'dan 2010'a ertelendi ve uydu sayısı 33'ten 12'ye düşürüldü. Eylül 2014, yeni sürümdeki ilk yedi uydu yörüngeye yerleştirildi: GPS IIF SV-1 (28 Mayıs 2010'da fırlatıldı), GPS IIF-2 (16 Temmuz 2011'de fırlatıldı), GPS IIF-3 (4 Ekim'de fırlatıldı, 2012), GPS IIF-4 (15 Mayıs 2013'te piyasaya sürüldü), GPS IIF-5 (21 Şubat 2014'te piyasaya sürüldü), GPS IIF-6 (17 Mayıs 2014'te piyasaya sürüldü), GPS IIF-7 (2 Ağustos 2014'te piyasaya sürüldü) .

Yeni nesil GPS uydularının geliştirilmiş doğruluğu, daha doğru atomik saatlerin kullanılmasıyla mümkün olmaktadır. Uydular yaklaşık 14.000 km/sa (3.874 km/s) hızla hareket ettiğinden (ilk kaçış hızı 20.200 km'de), altıncı burçta bile zaman doğruluğunu iyileştirmek trilaterasyon için çok önemlidir. Bununla birlikte, jeodezideki bazı görevler için, özellikle bitişik arazi parsellerinin sınırlarını araziye bağlamak için 10 cm'lik bir doğruluk bile yeterli değildir. 10 cm hata ile 600 m² arsa alanı 10 m² azalabilir veya artabilir.

Kusurlar

Herhangi bir radyo navigasyon sistemini kullanmanın yaygın bir dezavantajı, belirli koşullar altında sinyal alıcıya ulaşmayabilir veya önemli ölçüde bozulma veya gecikmeyle gelir. Örneğin, betonarme bir bina içindeki bir apartmanın derinliklerinde, bir bodrum katında veya bir tünelde, profesyonel jeodezik alıcılarla bile tam olarak konumunuzu belirlemek neredeyse imkansızdır. GPS'in çalışma frekansı desimetre radyo dalgası aralığında yer aldığından, uydulardan alınan sinyal seviyesi, yoğun ağaç yaprakları altında veya çok yoğun bulutlar nedeniyle ciddi şekilde bozulabilir. GPS sinyallerinin normal alımı, birçok karasal radyo kaynağının yanı sıra (nadir durumlarda) manyetik fırtınalardan veya kasıtlı olarak "karıştırıcılar" tarafından oluşturulan parazitlerden zarar görebilir (uydu araba alarmlarıyla başa çıkmak için bu yöntem genellikle araba hırsızları tarafından kullanılır) ).

GPS yörüngelerinin düşük eğimi (yaklaşık 55), GPS uyduları ufkun üzerinde çok yükseğe çıkmadığından, Dünya'nın kutup çevresi bölgelerinde doğruluğu ciddi şekilde düşürür.

GPS, ABD Savunma Bakanlığı tarafından uygulanır ve işletilir ve bu nedenle, diğer kullanıcıların doğru bir GPS sinyali alması için tamamen söz konusu kuruluşa bağımlıdır.

kronoloji