GPS on navigointitekniikka, joka satelliittien avulla kertoo tarkat tiedot sijainnista. Pohjimmiltaan GPS-järjestelmä koostuu joukosta satelliitteja ja hyvin kehittyneistä työkaluista, kuten vastaanotin. Järjestelmän tulisi kuitenkin sisältää vähintään neljä satelliittia. Jokainen satelliitti ja vastaanotin on varustettu vakaalla atomikellolla. Satelliittikellot on synkronoitu keskenään ja maadoitetut kellot. GPS-vastaanottimessa on myös kello, mutta sitä ei ole synkronoitu eikä se ole vakaa (vähemmän vakaa). Satelliittien todellisen ajan poikkeama maan kellosta tulisi korjata päivittäin. Neljä tuntematonta suuruutta (kolme koordinaattia ja kellopoikkeama satelliittiajasta) on laskettava satelliittien ja vastaanottimen synkronoidusta verkosta.GPS-vastaanottimen tehtävänä on vastaanottaa signaaleja satelliittiverkosta kolmen tuntemattoman ajan ja sijainnin yhtälön laskemiseksi.
GPS-signaali sisältää näennäissatunnaiset koodit, lähetysajan ja satelliitin sijainnin tuolloin. GPS: n lähettämää signaalia kutsutaan myös kantoaaltotaajuudeksi moduloinnilla. Lisäksi näennäissatunnaiskoodi on nollien ja ykkösten sekvenssi. Käytännössä vastaanottimen sijainti ja vastaanottimen kellon siirtymä suhteessa vastaanottimen järjestelmäaikaan lasketaan samanaikaisesti käyttäen navigointikaavoja lentoaikojen (TOF) käsittelemiseksi. TOF on neljä arvoa, jotka vastaanotin muodostaa käyttämällä signaalin saapumis- ja lähetysaikaa. Sijainti muunnetaan yleensä leveyspiiriksi, pituusasteeksi ja korkeudeksi suhteessa geoideihin (pohjimmiltaan keskimääräinen merenpinta). Sitten koordinaatit näytetään näytöllä.
GPS-elementit
GPS: n rakenne on monimutkainen. Se koostuu avaruuden, ohjaussegmentin ja käyttäjäsegmentin kolmesta pääosasta. Satelliitin laukaiseminen keskipitkän maan kiertoradalle on raskas työ. Avaruussegmentti käsittää 24-32 satelliittia tai avaruusalusta samalla radalla, 8 kukin kolmella pyöreällä kiertoradalla. Ainakin kuusi satelliittia on aina näkyvissä melkein kaikkialta maan pinnasta.
Avaruussegmentin vieressä on ohjaussegmentti. Ohjaussegmentissä on pääohjausasema, vaihtoehtoinen pääohjausasema, maa-antennit ja näyttöasema. Käyttäjäsegmentti koostuu tuhansista siviili-, kauppa- ja armeijan paikannuspalveluista. GPS-vastaanotin tai -laite koostuu antennista, joka on viritetty satelliittien lähettämälle taajuudelle. Se sisältää myös näyttöruudun sijainnin ja ajan ilmoittamiseksi.
GPS-vastaanotin luokitellaan sen satelliittien lukumäärän mukaan, jota se voi seurata samanaikaisesti, ts. Kanavien lukumäärä. Vastaanottimissa on yleensä neljä tai viisi kanavaa, mutta viimeisimmät edistykset ovat osoittaneet, että myös 20 kanavaa on tehty.
Satelliittitaajuus: Kaikki satelliittilähetystaajuudet. Taajuusalue käsittää viisi tyyppiä, kuten L1, L2, L3, L4 ja L5. Näiden kaistojen taajuusalueet ovat välillä 1176 MHz - 1600 M Hz.
Kuinka GPS toimii
GPS-satelliitit pyörivät ympäri maapalloa kaksi kertaa päivässä. Se pyörii hyvin tarkalla kurssilla ja lähettää indikaatioita ja tietoja maapallolle. GPS: n vastaanottimet saavat kaikki tiedot ja soveltavat kolmiomittauksia saadakseen selville käyttäjän tarkan sijainnin. Pohjimmiltaan GPS-vastaanotin asettaa kontrastin kestoon, jolla satelliitti levitti signaalin, ja jakaa sen vastaanoton ajan. Aikaero määrittää, kuinka kaukana vastaanotin on GPS: n satelliiteista. Se mittaa tarkan etäisyyden muutamalla uudella satelliitilla, ja vastaanotin määrittää käyttäjän sijainnin ja näyttää sen elektronisen laitteen kartalla.
Vastaanotin on lukittava signaaliin vähintään kolmella satelliitilla, jotta saadaan kaksiulotteinen sijainti ja se seuraa myös käyttäjän liikettä. Käyttämällä neljää tai useampaa satelliittia vastaanotin voi määrittää käyttäjän kolmiulotteisen sijainnin, joka koostuu korkeudesta, leveys- ja pituusasteista. Kun käyttäjä on määrittänyt käyttäjän sijainnin, GPS-yksikkö laskee muut tiedot, kuten nopeuden, suuntiman, radan, etäisyyden, määränpään, auringonnousun ja auringonlaskun ajan.
Kuinka tarkka GPS on?
GPS-vastaanottimet ovat erittäin tarkkoja rinnakkaisen monikanavaisen suunnittelun takia. Rinnakkaiskanavat ovat erittäin nopeita ja tarkkoja, vaikka tietyt tekijät, kuten ilmakohina ja häiriöt, voivat joskus häiritä ja vaikuttaa GPS-vastaanottimien tarkkuuteen.
Käyttäjät voivat parantaa tarkkuutta myös differentiaalisen GPS: n (DGPS) avulla, joka korjaa GPS-signaalit kolmesta viiteen metriseen säännölliseen. Yhdysvaltain rannikkovartiosto ylläpitää yleisintä DGPS-korjauspalvelua. Järjestelmä sisältää järjestelyn torneista, jotka hankkivat GPS-signaaleja ja lähettävät tarkan signaalin majakkalähettimillä. Tarkan signaalin saamiseksi käyttäjillä on oltava erillinen majakkavastaanotin ja majakka-antenni GPS: n lisäksi.
GPS-signaalivirheiden lähteet
Tekijät, jotka voivat vahingoittaa GPS-signaalien tarkkuutta ja siten vaikuttaa tarkkuuteen, sisältävät seuraavat:
- Ionosfäärin ja troposfäärin viiveet - Satelliittisignaali hidastuu, kun se ylittää ilmakehän kerrokset. GPS-järjestelmä käyttää sisäänrakennettua mallia, jota käytetään tämän tyyppisen epätarkkuuden korjaamiseen tarvittavan esteen säännöllisen keston laskemiseen.
- Signaalin monitie - Tämä virhe tapahtuu, kun signaali heijastuu esineistä, kuten korkeammista rakennuksista ja suuremmista kivistä, ennen kuin se saavuttaa vastaanottimen. Tämä lisää signaalin kulun kokonaiskestoa ja aiheuttaa virheitä ja epätarkkuuksia.
- Orbitaalivirheet - Nämä virheet tunnetaan myös efemeriksivirheinä, joita käytetään satelliitin sijainnin epätarkkuuksien laskemiseen.
- Näkyvissä olevien satelliittien lukumäärä - tarkkuus riippuu tarkasta satelliittien määrästä, jonka GPS-vastaanotin voi nähdä. Tekijät, kuten rakennukset, maasto, elektroniset häiriöt, estävät signaalin tarkkuuden ja vastaanoton, mikä aiheuttaa virheitä sijainnissa ja joskus ei signaalien lukemista. Se ei tyypillisesti toimi sisätiloissa, veden alla tai maan alla.
Sovellukset
GPS-kone tunnetaan yleisesti siviili- ja kaupallisissa palveluissa paitsi sotilaskäyttöön. Jotkut siviilihakemukset ovat:
1. Tähtitiede: Käytetään astrometriassa ja taivaanmekaniikassa.
2. Automatisoidut ajoneuvot: Sitä käytetään myös automatisoiduissa ajoneuvoissa (kuljettamattomat ajoneuvot) henkilöiden ja kuorma-autojen sijaintien hakemiseen.
3. Matkapuhelin: Nykyaikaisissa matkapuhelimissa on GPS-seurantaohjelmisto. Se on läsnä, koska voi tietää sijaintinsa ja seurata myös lähellä olevia apuohjelmia, kuten pankkiautomaatteja, kahviloita, turvajärjestelmiä jne. Ensimmäinen matkapuhelimella varustettu GPS käynnistettiin 1990-luvulla. Matkapuhelimessa sitä käytetään myös hätäpuheluiden ja monien muiden sovellusten havaitsemiseen.
4. Katastrofiapu ja muut hätäpalvelut: Luonnonkatastrofien sattuessa GPS on paras tapa tunnistaa sijainti. Jo ennen katastrofeja, kuten sykloneja, GPS auttaa arvioidun ajan laskemisessa.
5. Laivaston seuranta: GPS on kehitystyökalu, joka tunnetaan mahdollisuudestaan jäljittää sotilaallisia aluksia sodan aikana.
6. Auton sijainti: GPS-yhteensopiva auto helpottaa sijainnin seuraamista.
7. Geo-aidat: Geo-aidoissa käytämme GPS: ää ihmisen, eläimen tai auton seuraamiseen. Laitteisto on kiinnitetty ajoneuvoon, henkilöön tai eläimen kaulukseen. Se tarjoaa jatkuvaa seurantaa ja päivittämistä.
8. Maantieteellinen merkintä: Yksi tärkeimmistä sovelluksista on paikkamerkitseminen, mikä tarkoittaa paikallisten koordinaattien soveltamista digitaalisiin kohteisiin.
9. GPS kaivoksessa: Käyttää senttimetrin tason paikannustarkkuutta.
10. GPS-matkat: auttaa määrittämään lähellä olevien kiinnostavien kohteiden sijainnin.
11. Mittaus: Maanmittajat käyttävät karttojen piirtämiseen globaalia paikannusjärjestelmää.