Το GPS είναι μια τεχνολογία πλοήγησης η οποία, με τη χρήση δορυφόρων, λέει τις ακριβείς πληροφορίες σχετικά με μια τοποθεσία. Βασικά, ένα σύστημα GPS αποτελείται από ομάδα δορυφόρων και καλά αναπτυγμένα εργαλεία όπως δέκτης. Το σύστημα, ωστόσο, θα πρέπει να περιλαμβάνει τουλάχιστον τέσσερις δορυφόρους. Κάθε δορυφόρος και ο δέκτης είναι εξοπλισμένοι με σταθερό ατομικό ρολόι. Τα δορυφορικά ρολόγια συγχρονίζονται μεταξύ τους και τα ρολόγια εδάφους. Ο δέκτης GPS έχει επίσης ρολόι, αλλά δεν είναι συγχρονισμένος και δεν είναι σταθερός (λιγότερο σταθερός). Οποιαδήποτε απόκλιση του πραγματικού χρόνου των δορυφόρων από το ρολόι εδάφους θα πρέπει να διορθώνεται καθημερινά. Απαιτούνται τέσσερις άγνωστες ποσότητες (τρεις συντεταγμένες και απόκλιση ρολογιού από το χρόνο του δορυφόρου) από το συγχρονισμένο δίκτυο δορυφόρων και του δέκτη.Το έργο του δέκτη GPS είναι να λαμβάνει σήματα από το δίκτυο δορυφόρων για να υπολογίσει τρεις βασικές άγνωστες εξισώσεις χρόνου και θέσης.
Ένα σήμα GPS περιλαμβάνει ψευδοτυχαίους κωδικούς και ώρα μετάδοσης και δορυφορική θέση εκείνη τη στιγμή. Το σήμα που μεταδίδεται από το GPS ονομάζεται επίσης συχνότητα φορέα με διαμόρφωση. Επιπλέον, ένας ψευδοτυχαίος κώδικας είναι μια ακολουθία μηδενικών και αυτών. Πρακτικά, η θέση του δέκτη και η μετατόπιση του ρολογιού του δέκτη σε σχέση με τον χρόνο του συστήματος του δέκτη υπολογίζονται ταυτόχρονα, χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις πλοήγησης για την επεξεργασία του χρόνου πτήσης (TOF) Το TOF είναι οι τέσσερις τιμές που διαμορφώνει ο δέκτης χρησιμοποιώντας την ώρα άφιξης και την ώρα μετάδοσης του σήματος. Η τοποθεσία συνήθως μετατρέπεται σε γεωγραφικό πλάτος, μήκος και ύψος σε σχέση με τα γεωειδή (ουσιαστικά, μέση στάθμη της θάλασσας). Στη συνέχεια, οι συντεταγμένες εμφανίζονται στην οθόνη.
Στοιχεία GPS
Η δομή του GPS είναι πολύπλοκη. Αποτελείται από τρία κύρια τμήματα ενός διαστημικού τμήματος, ένα τμήμα ελέγχου και ένα τμήμα χρήστη. Η εκτόξευση του δορυφόρου σε τροχιά μέσης γης είναι μια επίπονη δουλειά. Το διαστημικό τμήμα περιλαμβάνει 24 έως 32 δορυφόρους ή διαστημικά οχήματα στην ίδια τροχιά, 8 το καθένα σε τρεις κυκλικές τροχιές. Τουλάχιστον έξι δορυφόροι είναι πάντα σε οπτική γωνία από σχεδόν παντού στην επιφάνεια της γης.
Δίπλα στο διαστημικό τμήμα βρίσκεται το τμήμα ελέγχου. Στο τμήμα ελέγχου υπάρχει ένας κύριος σταθμός ελέγχου, ένας εναλλακτικός κεντρικός σταθμός ελέγχου, κεραίες εδάφους και σταθμός παρακολούθησης. Το τμήμα χρήστη αποτελείται από χιλιάδες πολιτικές, εμπορικές και στρατιωτικές υπηρεσίες τοποθέτησης. Ένας δέκτης GPS ή ένας σχεδιασμός αποτελείται από μια κεραία, συντονισμένη στη συχνότητα που μεταδίδεται από τους δορυφόρους. Περιλαμβάνει επίσης οθόνη προβολής για την παροχή τοποθεσίας και χρόνου.
Ένας δέκτης GPS ταξινομείται στον αριθμό των δορυφόρων που μπορεί να παρακολουθεί ταυτόχρονα, δηλαδή τον αριθμό των καναλιών. Οι δέκτες έχουν γενικά τέσσερα έως πέντε κανάλια, αλλά πρόσφατες εξελίξεις έχουν δείξει ότι έχουν πραγματοποιηθεί έως και 20 κανάλια.
Δορυφορική συχνότητα: Όλες οι συχνότητες δορυφορικής μετάδοσης. Η ζώνη συχνοτήτων περιλαμβάνει πέντε τύπους όπως L1, L2, L3, L4 και L5. Αυτές οι ζώνες έχουν εύρος συχνοτήτων από 1176MHz έως 1600 M Hz.
Πώς λειτουργεί το GPS
Οι δορυφόροι GPS περιστρέφονται σε όλη τη γη δύο φορές την ημέρα. Περιστρέφεται σε μια πολύ ακριβή πορεία και στέλνει ένδειξη και πληροφορίες στη γη. Οι δέκτες του GPS λαμβάνουν όλες τις πληροφορίες και εφαρμόζουν τριγωνισμό για να ανακαλύψουν την ακριβή τοποθεσία του χρήστη. Βασικά, ο δέκτης του GPS έρχεται σε αντίθεση με τη διάρκεια κατά την οποία ένα σήμα διαδόθηκε από έναν δορυφόρο και κατανέμει τον χρόνο λήψης του. Η διαφορά ώρας καθορίζει πόσο μακριά ο δέκτης είναι μακριά από τους δορυφόρους του GPS. Μετρά την ακριβή απόσταση με λίγους περισσότερους δορυφόρους και ο δέκτης καθορίζει τη θέση του χρήστη και τον εμφανίζει στον χάρτη της ηλεκτρονικής συσκευής.
Ο δέκτης πρέπει να είναι κλειδωμένος στο σήμα με τουλάχιστον τρεις δορυφόρους για να παράγει μια δισδιάστατη θέση και επίσης παρακολουθεί την κίνηση του χρήστη. Χρησιμοποιώντας τέσσερις ή περισσότερους δορυφόρους, ο δέκτης μπορεί να προσδιορίσει την τρισδιάστατη θέση του χρήστη που αποτελείται από υψόμετρο, πλάτος και μήκος. Μετά τον προσδιορισμό της θέσης του χρήστη, η μονάδα GPS υπολογίζει άλλες πληροφορίες όπως ταχύτητα, ρουλεμάν, διαδρομή, απόσταση, προορισμός, ανατολή και ώρα ηλιοβασιλέματος.
Πόσο ακριβές είναι το GPS;
Οι δέκτες του GPS είναι πολύ ακριβείς λόγω του παράλληλου σχεδιασμού πολλαπλών καναλιών. Τα παράλληλα κανάλια είναι πολύ γρήγορα και ακριβή αν και ορισμένοι παράγοντες όπως ο ατμοσφαιρικός θόρυβος και οι διαταραχές μπορεί να διαταράξουν και να επηρεάσουν την ακρίβεια των δεκτών GPS ενίοτε.
Οι χρήστες μπορούν επίσης να βελτιώσουν την ακρίβεια με το διαφορικό GPS (DGPS), το οποίο διορθώνει τα σήματα GPS ώστε να περιβάλλεται από ένα κανονικό από τρία έως πέντε μέτρα. Η Ακτοφυλακή των ΗΠΑ λειτουργεί την πιο κοινή υπηρεσία διόρθωσης DGPS. Το σύστημα περιέχει μια διάταξη πύργων που λαμβάνουν σήματα GPS και μεταδίδουν ένα ακριβές σήμα από πομπούς φάρων. Με σκοπό τη λήψη του ακριβούς σήματος, οι χρήστες πρέπει να έχουν διαφορετικό δέκτη σήματος και κεραία σήματος εκτός από το να έχουν GPS.
Πηγές σφαλμάτων σήματος GPS
Παράγοντες που μπορούν να καταστρέψουν την ακρίβεια των σημάτων GPS και επομένως να επηρεάσουν την ακρίβεια ενσωματώνουν τα ακόλουθα:
- Καθυστερήσεις ιοντόσφαιρας και τροπόσφαιρας - Το δορυφορικό σήμα επιβραδύνεται καθώς διασχίζει τα στρώματα της ατμόσφαιρας. Το σύστημα GPS χρησιμοποιεί ένα ενσωματωμένο μοντέλο που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της κανονικής διάρκειας των εμποδίων που απαιτούνται για τη διόρθωση αυτού του τύπου ανακρίβειας.
- Πολλαπλή διαδρομή σήματος - Αυτό το σφάλμα παρουσιάζεται όταν το σήμα ανακλάται από αντικείμενα όπως ψηλότερα κτίρια και μεγαλύτερους βράχους πριν φτάσει στον δέκτη. Αυτό αυξάνει τη συνολική διάρκεια του ταξιδιού του σήματος και προκαλεί σφάλματα και ανακρίβεια.
- Σφάλματα τροχιάς - Αυτά τα σφάλματα είναι επίσης γνωστά ως σφάλματα ephemeris τα οποία χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της ανακρίβειας της θέσης του δορυφόρου.
- Αριθμός ορατών δορυφόρων - η ακρίβεια εξαρτάται από τον ακριβή αριθμό δορυφόρων που μπορεί να δει ένας δέκτης GPS. Οι παράγοντες όπως τα κτίρια, το έδαφος, οι ηλεκτρονικές παρεμβολές εμποδίζουν την ακρίβεια του σήματος και τη λήψη που προκαλεί σφάλμα στη θέση και μερικές φορές καμία ανάγνωση στα σήματα. Συνήθως δεν λειτουργεί εσωτερικά, υποβρύχια και υπόγεια.
Εφαρμογές
Όχι μόνο για στρατιωτική χρήση, ένα μηχάνημα GPS είναι ευρέως γνωστό για τη χρήση του σε αστικές και εμπορικές υπηρεσίες. Ορισμένες πολιτικές εφαρμογές είναι:
1. Αστρονομία: Χρησιμοποιείται σε υπολογισμούς Αστρομετρίας και ουράνιων μηχανικών.
2. Αυτοματοποιημένα οχήματα: Χρησιμοποιείται επίσης σε αυτοματοποιημένα οχήματα (οχήματα χωρίς οδηγό) για την εφαρμογή τοποθεσιών για αυτοκίνητα και φορτηγά.
3. Κινητή τηλεφωνία: Τα μοντέρνα κινητά τηλέφωνα διαθέτουν λογισμικό εντοπισμού GPS. Είναι παρόν επειδή μπορεί να γνωρίζει τη θέση κάποιου και μπορεί επίσης να παρακολουθεί κοντινά βοηθητικά προγράμματα, όπως ΑΤΜ, καφετέριες, περιορισμούς κ.λπ. Το πρώτο κινητό τηλέφωνο με δυνατότητα GPS ξεκίνησε τη δεκαετία του 1990. Στην κινητή τηλεφωνία χρησιμοποιείται επίσης στην ανίχνευση για κλήσεις έκτακτης ανάγκης και πολλές άλλες εφαρμογές.
4. Ανακούφιση από καταστροφές και άλλες υπηρεσίες έκτακτης ανάγκης: Σε περίπτωση φυσικής καταστροφής, το GPS είναι το καλύτερο εργαλείο για τον προσδιορισμό της τοποθεσίας. Ακόμα και πριν από τις καταστροφές όπως οι κυκλώνες, το GPS βοηθά στον υπολογισμό του εκτιμώμενου χρόνου.
5. Παρακολούθηση στόλου: Το GPS είναι ένα εργαλείο προγραμματιστή γνωστό για τις δυνατότητές του να παρακολουθεί στρατιωτικά πλοία κατά τη διάρκεια του πολέμου.
6. Τοποθεσία αυτοκινήτου: Ένα αυτοκίνητο με δυνατότητα GPS διευκολύνει την παρακολούθηση της θέσης του.
7. Geo περίφραξη: Στη γεωγραφική περίφραξη, χρησιμοποιούμε GPS για την παρακολούθηση ενός ανθρώπου, ενός ζώου ή ενός αυτοκινήτου. Ο σχεδιασμός συνδέεται με το όχημα, το πρόσωπο ή στο κολάρο του ζώου. Παρέχει συνεχή παρακολούθηση και ενημέρωση.
8. Geo tagging: μία από τις σημαντικότερες εφαρμογές είναι η geotagging που σημαίνει την εφαρμογή τοπικών συντεταγμένων σε ψηφιακά αντικείμενα.
9. GPS για εξόρυξη: Χρησιμοποιεί ακρίβεια τοποθέτησης σε επίπεδο εκατοστών.
10. Περιηγήσεις GPS: βοηθά στον προσδιορισμό της τοποθεσίας του κοντινού σημείου ενδιαφέροντος.
11. Έρευνα: Οι επιθεωρητές χρησιμοποιούν το Παγκόσμιο Σύστημα εντοπισμού θέσης για να σχεδιάσουν χάρτες.