Què és el sistema de posicionament global? Comprensió del GPS

El sistema de posicionament global o GPS és un sistema global de navegació per satèl·lit (GNSS) que proporciona un sistema de posicionament, navegació i cronometratge (PNT). Va ser desenvolupat pel Departament de Defensa dels Estats Units (US DoD) a principis de la dècada de 1970. Hi ha altres sistemes de navegació basats en satèl·lits com el GLONASS de Rússia, el Galileo europeu i el BeiDou de la Xina, però el Sistema de Posicionament Global (GPS) dels Estats Units i el Sistema de Satèl·lit Global de Navegació Rus (GLONASS) són l’únic sistema de satèl·lit completament funcional Sistema de navegació amb 32 constel·lacions de satèl·lits i 27 constel·lacions de satèl·lits respectivament. Abans del desenvolupament de la tecnologia GPS, les principals ajudes per a la navegació (en mar, terra o aigua) són els mapes i la brúixola. Amb la introducció del GPS, la navegació i el posicionament de la ubicació es van fer molt fàcils amb una precisió de posició de dos metres o menys. Receptor en pla 2-D Posició del receptor en espai 3D Tipus de receptors GPS Aplicacions del sistema de posicionament global (GPS) Història del GPS Abans del desenvolupament de sistemes de navegació terrestres GPS com LORAN (Long Range Navigation) pels EUA i Decca Navigator System pel Regne Unit són les principals tecnologies per a la navegació. Ambdues tècniques es basen en ones de ràdio i els rangs es limitaven a uns quants centenars de quilòmetres. A principis dels anys seixanta, tres de les organitzacions del govern dels Estats Units, a saber, l'Administració Nacional d'Aeronàutica i Espai (NASA), el Departament de Defensa (DoD) i el Departament de Transport. (DoT), juntament amb diverses altres organitzacions, van començar a desenvolupar un sistema de navegació basat en satèl·lit amb l'objectiu de proporcionar una alta precisió, un funcionament independent de la meteorologia i una cobertura global. Aquest programa va evolucionar cap al sistema de posicionament global de cronometratge i abast per satèl·lit de navegació (NAVSTAR Global Positioning System). Aquest sistema es va desenvolupar per primera vegada com un sistema militar per satisfer les necessitats de l'exèrcit dels Estats Units. Els EUA Els militars van utilitzar NAVSTAR per a la navegació, així com per a sistemes d'armes i sistemes de guia de míssils. La possibilitat que els enemics utilitzin aquest sistema de navegació contra els Estats Units és la principal raó per la qual no es va donar accés als civils. El primer satèl·lit NAVSTAR es va llançar el 1978 i el 1994 es va col·locar una constel·lació completa de 24 satèl·lits a l’òrbita i va fer així El 1996, als EUA El govern va reconèixer la importància del GPS per als civils i va declarar un sistema de doble ús, que permetia l’accés tant a militars com a civils. Visió general de l’estructura GPS La tècnica fonamental del sistema de navegació basat en satèl·lits Global Positioning System (GPS) és mesurar les distàncies entre el receptor i un pocs satèl·lits que s’observen simultàniament. Les posicions d’aquests satèl·lits ja són conegudes i, per tant, mesurant la distància entre quatre d’aquests satèl·lits i el receptor, les tres coordenades de la posició del receptor GPS, és a dir, es poden establir la latitud, la longitud i l'altitud. Com que el canvi de posició del receptor es pot determinar amb molta precisió, també es pot determinar la velocitat del receptor. Segments GPSL'estructura d'aquest complex sistema de posicionament global es divideix en tres grans segments: el segment espacial, el segment de control i l'usuari Segment. En això, el segment de control i el segment espacial són desenvolupats, operats i mantinguts per la Força Aèria dels Estats Units. La imatge següent mostra els tres segments del sistema GPS.Segment espacialEl Segment espacial (SS) del GPS consisteix en una constel·lació de 24 satèl·lits que orbiten al voltant de la Terra en òrbites aproximadament circulars. Els satèl·lits es col·loquen en sis plans orbitals amb cada pla orbital format per quatre satèl·lits. La inclinació dels plans orbitals i el posicionament dels satèl·lits s'organitzen d'una manera particular de manera que un mínim de sis satèl·lits estiguin sempre en línia de visió des de qualsevol lloc de la Terra. Arribats a la disposició de la constel·lació a l'espai, el GPS Els satèl·lits es col·loquen a l'òrbita terrestre mitjana (MEO) a una altitud d'aproximadament 20,000 km. Per augmentar la redundància i millorar la precisió, s’ha augmentat el nombre total de satèl·lits GPS a la constel·lació a 32, dels quals 31 satèl·lits estan operatius. Segment de control El segment de control (CS) del GPS consisteix en una xarxa de control i control mundial i estacions de seguiment. La tasca principal del segment de control és rastrejar la posició dels satèl·lits GPS i mantenir-los en òrbites adequades amb l'ajuda de les ordres de maniobra. A més, el sistema de control també determina i manté la integritat del sistema a bord, les condicions atmosfèriques, les dades dels rellotges atòmics. i altres paràmetres. El segment de control de GPS es divideix de nou en quatre subsistemes: una nova estació de control mestra (NMCS), una estació de control mestra alternativa (AMCS), quatre antenes terrestres (GA) i una xarxa mundial d'estacions de monitoratge (MS). El node de control central de la constel·lació de satèl·lit GPS és l'estació de control mestra (MSC). Es troba a la base de la força aèria de Schriever, Colorado i opera les 24 hores del dia, els 7 hores del dia. Les principals responsabilitats de l'estació de control mestra són: manteniment de satèl·lits, monitorització de càrrega útil, sincronització de rellotges atòmics, maniobres per satèl·lit, gestió del rendiment del senyal GPS, càrrega de dades de missatges de navegació, detecció. Error de senyalització GPS i resposta a aquests errors. Hi ha diverses estacions de monitoratge (MS), però sis d’elles són importants. Es troben a Hawaii, Colorado Springs, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein i Cap Canaveral. Aquestes estacions de monitoratge rastregen contínuament la posició dels satèl·lits i les dades s'envien a l'estació de control mestra per a més anàlisis. Per transmetre dades als satèl·lits, hi ha quatre antenes terrestres (GA) situades a l'illa de l'Ascensió, Cap Canaveral, Diego Garcia i Kwajalein. Aquestes antenes s'utilitzen per enllaçar dades a satèl·lits i les dades poden ser com la correcció del rellotge, les ordres de telemetria i els missatges de navegació. posició i sincronització. Generalment, per accedir als serveis GPS, l’usuari ha d’estar equipat amb receptors GPS com mòduls GPS autònoms, telèfons mòbils compatibles amb GPS i consoles GPS dedicades. Amb aquests receptors GPS, els usuaris civils poden conèixer la posició estàndard, precisa temps i velocitat mentre que els militars els utilitzen per a un posicionament precís, guia de míssils, navegació, etc. Principi de funcionament del GPS Amb l'ajuda dels receptors GPS, podem calcular la posició d'un objecte en qualsevol lloc de la Terra, ja sigui en un espai bidimensional o tridimensional. . Per a això, els receptors GPS utilitzen un mètode matemàtic anomenat Trilateració, un mètode que permet determinar la posició d’un objecte mesurant la distància entre l’objecte i pocs objectes amb posicions ja conegudes. Per tant, en el cas dels receptors GPS, Per esbrinar la ubicació del receptor, el mòdul receptor ha de conèixer les dues coses següents: • Ubicació dels satèl·lits a l’espai i • Distància entre els satèl·lits i el receptor GPS Determinació de la ubicació dels satèl·lits Per determinar la ubicació del satèl·lit Els satèl·lits GPS transmeten contínuament la seva posició aproximada. Aquestes dades s'anomenen dades de l'Almanac, que s'actualitzen periòdicament a mesura que el satèl·lit es mou en l'òrbita. Aquestes dades les rep el receptor GPS i s'emmagatzemen a la seva memòria. Amb l'ajuda de les dades de l'almanac, el receptor GPS pot determinar les òrbites dels satèl·lits i també on se suposa que estan. Les condicions de l'espai no es poden predir i hi ha una gran possibilitat que els satèl·lits es desviïn de el seu camí real. L'estació de control mestra (MCS) juntament amb les estacions de monitoratge dedicades (MS) fan un seguiment de la trajectòria dels satèl·lits juntament amb altra informació com l'altitud, la velocitat, l'òrbita i la ubicació. Si hi ha algun error en algun dels paràmetres, les dades corregides són enviats als satèl·lits perquè es mantinguin en la posició exacta. Aquestes dades orbitals enviades pel MCS al satèl·lit s'anomenen dades d'efemèrides. El satèl·lit, en rebre aquestes dades, corregeix la seva posició i també envia aquestes dades al receptor GPS. Amb l'ajuda de les dues dades, és a dir Almanac i efemèrides, el receptor GPS pot saber la posició exacta dels satèl·lits, tot el temps. Determinació de la distància entre els satèl·lits i el receptor GPS Per mesurar la distància entre el receptor GPS i els satèl·lits, el temps ocupa un paper important. A continuació es mostra la fórmula per calcular la distància del satèl·lit al receptor GPS: Distància = Velocitat de la llum x Temps de trànsit del senyal de satèl·lit Aquí, el temps de trànsit és el temps que pren el senyal de satèl·lit (senyal en forma d’ones de ràdio, enviat pel satèl·lit al receptor GPS) per arribar al receptor. La velocitat de la llum és un valor constant i és igual a C = 3 x 108 m / s. Per calcular el temps, primer hem d'entendre el senyal enviat pel satèl·lit. El senyal transcodificat que transmet el satèl·lit s'anomena pseudo soroll aleatori (PRN). A mesura que el satèl·lit genera aquest codi i comença a transmetre, el receptor GPS també comença a generar el mateix codi i intenta sincronitzar-lo. Aleshores, el receptor GPS calcula el temps de retard que ha de patir el codi generat pel receptor abans de sincronitzar-se amb el satèl·lit transmès. Un cop coneguda la ubicació dels satèl·lits i la seva distància des del receptor GPS, esbrinar la posició del receptor GPS a l'espai 2D o a l'espai 3D es pot fer mitjançant el mètode següent. Posició del receptor en un pla 2D per trobar la posició de l'objecte o del receptor GPS en l'espai 2-dimensional, és a dir un avió XY, tot el que hem de trobar és la distància entre el receptor GPS i dos dels satèl·lits. Siguin D1 i D2 la distància del receptor des del satèl·lit 1 i del satèl·lit 2, respectivament. Ara, amb els satèl·lits al centre i un radi de D1 i D2, dibuixeu dos cercles al seu voltant en un pla XY. La representació pictòrica d’aquest cas es mostra a la següent imatge. De la imatge anterior, és clar que el receptor GPS es pot ubicar en qualsevol dels dos punts on es creuen els dos cercles. Si s’exclou l’àrea per sobre dels satèl·lits, podem assenyalar la posició del receptor GPS al punt d’intersecció dels cercles sota els satèl·lits. La informació de distància de dos satèl·lits és suficient per determinar la posició del receptor GPS a un pla 2-D o XY. Però el món real és un espai tridimensional i hem de determinar la posició tridimensional del receptor GPS, és a dir la seva latitud, longitud i altitud. Veurem un procediment pas a pas per determinar la ubicació tridimensional del receptor GPS. Posició del receptor a l'espai 3D Suposem que les ubicacions dels satèl·lits respecte al receptor GPS ja es coneixen. Si el satèl·lit 1 es troba a una distància de D1 del receptor, és clar que la posició del receptor pot ser en qualsevol lloc de la superfície de l’esfera que es forma amb el satèl·lit 1 com a centre i D1 com a radi. un segon satèl·lit (satèl·lit 2) del receptor és D2, llavors la posició del receptor es pot limitar al cercle format per la intersecció de dues esferes amb radis D1 i D2 amb els satèl·lits 1 i 2 als centres respectivament.A partir d'aquesta imatge , la posició del receptor GPS es pot reduir fins a un punt del cercle d'intersecció. Si afegim un tercer satèl·lit (Satèl·lit 3) amb una distància D3 des del receptor GPS als dos satèl·lits existents, la ubicació del receptor es limita a la intersecció de les tres esferes, és a dir, qualsevol dels dos punts. En situacions de temps real, no és viable tenir l'ambigüitat del receptor GPS situat en una de les dues posicions. Això es pot resoldre introduint un quart satèl·lit (satèl·lit 4) amb una distància D4 des del receptor. El quart satèl·lit serà capaç d'indicar la ubicació del receptor GPS a partir de les dues ubicacions possibles que es van determinar abans amb només tres satèl·lits. Per tant, en temps real, calen un mínim de 4 satèl·lits per determinar la ubicació exacta de l'objecte. Pràcticament, el sistema GPS funciona de manera que almenys 6 satèl·lits són sempre visibles per a un objecte (receptor GPS) situat a qualsevol lloc de la Terra. de receptors GPSEl GPS és utilitzat tant per civils com per militars. Per tant, els tipus de receptor GPS es poden classificar en receptors GPS civils i receptors GPS militars. Però la forma estàndard de classificació es basa en el tipus de codi que el receptor pot detectar. Bàsicament, hi ha dos tipus de codis que transmet un satèl·lit GPS: el codi d'adquisició gruixuda (codi C/A) i el codi P. Les unitats receptores GPS de consum només poden detectar el codi C/A. Aquest codi no és precís i, per tant, el sistema de posicionament civil s'anomena Servei de Posicionament Estàndard (SPS). El codi P, d'altra banda, és utilitzat pels militars i és un codi molt precís. El sistema de posicionament utilitzat pels militars s'anomena Precise Positioning Service (PPS). Els receptors GPS es poden classificar segons la capacitat de descodificar aquests senyals. Una altra forma de classificar els receptors GPS disponibles comercialment es basa en la capacitat de rebre senyals. Mitjançant aquest mètode, els receptors GPS es poden dividir en: únic - Receptors de codi de freqüència únic - Portador de freqüència - Receptors de codi suavitzatSimple - Receptors de codi de freqüència i portadorDoble - Receptors de freqüènciaAplicacions del sistema de posicionament global (GPS) El GPS s'ha convertit en una part essencial de la infraestructura global, semblant a Internet. El GPS ha estat l'element clau en el desenvolupament d'una àmplia gamma d'aplicacions que s'estenen per diferents aspectes de la vida moderna. L'augment de la fabricació a gran escala i la miniaturització de components ha reduït el preu dels receptors GPS. A continuació s'esmenta una petita llista d'aplicacions on el GPS té un paper important. L'agricultura moderna ha vist un augment de la producció amb l'ajuda del GPS. Els agricultors utilitzen la tecnologia GPS juntament amb els dispositius electrònics moderns per obtenir informació precisa sobre l’àrea del camp, el rendiment mitjà, el consum de combustible, la distància recorreguda, etc. El GPS permet a aquests vehicles la navegació i el posicionament. Els civils utilitzen receptors GPS per a la navegació. El receptor GPS pot ser un mòdul dedicat o un mòdul incrustat en telèfons mòbils i rellotges de polsera. Són de gran ajuda en trekking, viatges per carretera, conducció, etc. Les funcions addicionals inclouen l’hora i la velocitat precises del vehicle. Els serveis d’emergència, com el foc i l’ambulància, es beneficien del posicionament precís de la ubicació del desastre mitjançant el GPS i poden respondre a temps. sistemes de guiatge, etc. Hi ha moltes altres aplicacions on s'utilitza el GPS o un gran àmbit d'ús en el futur. Publicacions relacionades: Comunicació sense fils: Introducció, tipus i aplicacionsMultiplexor i DemultiplexerPer què la vostra Internet continua desconnectant? Conceptes bàsics del programa C incrustat Què són els sensors MEMS?

Deixa un missatge 

Llista de missatges