Global Positioning System

Transkrypt

1 Global Positioning System GPSNAVSTAR (ang. Global Positioning System NAVigation Signal Timing And Ranging)) system nawigacji satelitarnej obejmuj±cy zasiêgiem ca³± kulê ziemsk±. Zasada dzia³ania polega na bardzo dok³adnym (atomowym) pomiarze czasu dotarcia sygna³u radiowego z satelitów do odbiornika. Znaj±c prêdko æ fali elektromagnetycznej mo na obliczyæ odleg³o æ odbiornika od satelitów. Maj±c wpisane do pamiêci urz±dzenia po³o enie satelitów w czasie, mikroprocesor odbiornika mo e obliczyæ pozycjê geograficzn± (d³ugo æ, szeroko æ geograficzn± oraz wysoko æ elipsoidaln±) w uk³adzie WGS84, a tak e aktualny czas GPS z dok³adno ci± do jednej milionowej sekundy.system GPS jest utrzymywany i zarz±dzany przez Departament Obrony USA. Korzystaæ z jego us³ug mo e w zasadzie ka dy wystarczy tylko posiadaæ odpowiedni odbiornik GPS. Takie odbiorniki s± produkowane przez niezale ne firmy komercyjne. System satelitów System pracuje na obszarze ca³ej Ziemi, bo w ka dym punkcie globu widoczne s± zawsze przynajmniej cztery satelity. Co najmniej 24 satelity kr± ± po orbitach na wysoko ci oko³o km. Jest to orbita ni sza od geostacjonarnej. System wielu nadajników jest bardzo kosztowny, Amerykanie regularnie musz± umieszczaæ na orbicie kolejne w zastêpstwie tych, które zesz³y z w³a ciwej orbity lub uleg³y awarii. Ciekawostk± jest fakt, e na ka dym satelicie jest zainstalowana aparatura szpiegowska NUDET (Nuclear Detection) przeznaczona do natychmiastowego wykrywania wybuchów nuklearnych na Ziemi. Generacje satelitów GPS Satelity bloku I (SVN1 SVN11): ju ich nie ma, posiada³y 3 zegary: 1 cezowy i 2 rubidowe, Satelity bloku II (SVN13 SVN21): silny sygna³, konstrukcja umo liwia³a dzia³anie w ci±gu 14 dni bez potrzeby kontaktu ze stacja kontroln±,

2 Satelity bloku IIA (SVN22 SVN40): zdolno æ transmisji sygna³u zdegradowanego przez degradacjê SA i AS, dzia³anie 180 dni bez potrzeby kontaktu ze stacjami kontrolnymi (degradacja danych nawigacyjnych), posiada³y 4 zegary atomowe: 2 cezowe i 2 rubidowe), ywotno æ satelity: lat, Satelity bloku IIR (SVN41 SVN62): dzia³anie prze 14 dni bez kontaktu ze stacjami kontrolnymi w przypadku korzystania z systemu autonomicznej nawigacji, mo liwo æ ³aczno ci miêdzy sob± i mo liwy pomiar odleg³o ci miêdzy satelitami, 3 zegary rubidowe, zdolno æ transmisji sygna³u zdegradowanego przez degradacjê SA i AS, ywotno æ satelity: lat,

3 Satelity bloku IIF: znacznie lepsza jako æ sygna³u; lustra laserowe; integracja z innymi technikami (inercjalnymi), mo liwa wzajemna ³±czno æ i wzajemny pomiar odleg³o ci, ywotno æ satelity: lat. {mospagebreak title=zasada dzia³ania} Zasada dzia³ania Sygna³ dociera do u ytkownika na dwóch czêstotliwo ciach no nych f1 = 1575,42 MHz i f2 = 1227,6 MHz. Druga czêstotliwo æ ze wzglêdu na utajnione szyfrowanie sygna³u jest dostêpna tylko dla armii USA. Porównanie ró nicy faz obu sygna³ów pozwala na dok³adne wyznaczenie czasu propagacji, który ulega nieznacznym wahaniom w wyniku zmiennego wp³ywu jonosfery. U ytkownicy cywilni przybli on± poprawkê jonosferyczn± otrzymuj± w depeszy nawigacyjnej lub dziêki systemowi DGPS. Identyfikacja satelitów oparta jest na metodzie podzia³u kodu CDMA (Code Division Multiple Access) oznacza to, e wszystkie satelity emituj± na tych samych czêstotliwo ciach, ale sygna³y s± modulowane ró nymi kodami. Odbiór sygna³u bez zastosowania anten parabolicznych, które w tym przypadku s± bezu yteczne ze wzglêdu na ich kierunkowo æ, wymaga zaawansowanych technik oddzielania sygna³u od szumu i przetwarzania sygna³u. Satelity s± w ci±g³ym ruchu; wyznaczenie pozycji odbiornika na podstawie pomiaru tzw. pseudoodleg³o ci od kilku satelitów jest równie z³o onym zadaniem, wymagaj±cym m.in. uwzglêdnienia spowolnienia up³ywu czasu w polu grawitacyjnym Ziemi. Dla poprawnej pracy systemu kluczowy jest czas. Ka dy satelita jest wyposa ony w zegar atomowy, dziêki czemu jego sygna³ jest dok³adnie zsynchronizowany z ca³ym systemem. Jednocze nie satelity tworz± razem z kilkoma nadajnikami naziemnymi swoista sieæ korekcji czasu. W efekcie odbiornik GPS podaje nie tylko pozycje, ale równie bardzo precyzyjny czas.

4 Aby okre liæ pozycjê w trójwymiarowej przestrzeni i czas systemu konieczny jest jednoczesny odbiór z przynajmniej czterech satelitów. Odbiornik oblicza trzy pseudodleg³o ci do satelitów oraz odchy³ki czasu (ró nicy miêdzy tanim i niedostatecznie dok³adnym wzorcem kwarcowym zainstalowanym na odbiorniku i precyzyjnym zegarem atomowym na satelicie). Dok³adne wspó³rzêdne satelity s± transmitowane w depeszy nawigacyjnej. W przypadku mo liwo ci odbioru tylko z trzech satelitów niektóre odbiorniki mog± pracowaæ w trybie 2D z ustawion± przez u ytkownika wysoko ci±. {mospagebreak title=parametry techniczne} Parametry techniczne Ze wzglêdów technicznych dok³adno æ obliczania wysoko ci nad poziomem morza jest oko³o 3 razy mniejsza ni d³ugo ci i szeroko ci geograficznej. Wynika to z geometrii wciêcia przestrzennego wykorzystanego do wyznaczenia pozycji. Jako æ wyznaczenia pozycji okre laj± parametry rozmycia precyzji DOP (Dilution Of Precision). Odbiorniki GPS wyposa ono w wiele funkcji. Miêdzy innymi: okre lenie wspó³rzêdnych wed³ug ró nych uk³adów odniesienia (standardowo WGS84) rejestrowanie ladu nawigacja "do punktu" oraz "po trasie" track back (czyli powrót do miejsca wyj cia "t± sam± tras±" pomiar odleg³o ci wyznaczenie powierzchni (np dzia³ki) obliczanie wschodów i zachodów s³oñca oraz pór ksiê yca

5 a w bardziej rozbudowanych odbiornikach: wy wietlanie map i nawigacja na mapach warstwowych komunikacja przez port szeregowy (RS232/USB) i bluetooth z innym sprzêtem elektronicznym (PC, PPC, Palm, elektroniczna mapa morska ECDIS) autorouting (wyznaczanie automatycznej trasy "po drogach") Wersje przeznaczone do eksploatacji na statkach posiadaj± bardzo rozbudowane mo liwo ci nawigacyjne. Wersje l±dowe mog± byæ wyposa one w cyfrowe mapy terenu (takie urz±dzenia s± czasami instalowane w samochodach) oraz lekkie odbiorniki przeno ne zasilane bateriami lub akumulatorami. Niektóre odbiorniki pozwalaj± na okre lanie pozycji z innych systemów, jak GLONASS, czy Loran C Dynamicznie rozwija siê segment odbiorników GPS do tzw. palmtopów / PDA. Dziêki niskiej cenie i mo liwo ci wyboru oprogramowania, które najlepiej spe³nia oczekiwania u ytkownika, jest to alternatywne rozwi±zanie dla urz±dzeñ typu wszystkowjednym. Dostêpne opcje pozwalaj± na pod³±czenie odbiornika na kablu, na karcie rozszerzeñ (CF lub SD) lub bezprzewodowo (bluetooth). Popularne staj± siê równie palmtopy / PDA z wbudowanym odbiornikiem GPS. Dostêpny jest bardzo szeroki wybór oprogramowania zarówno do nawigacji samochodowej (np. Automapa, Navigo), morskiej jak i specjalistyczne programy (np. do pomiaru powierzchni). Coraz czê ciej GPS stosuje siê w telefonach komórkowych. Do tego celu wystarczy odbiornik GPS z bluetooth i kompatybilny telefon. Równie na telefony powsta³o wiele aplikacji obs³uguj±cych GPS. Np. TOMTOM mobile, NaviExpert. ród³o: