Družicový navigačný systém GPS (Global Positioning System)
Kategorie: Fyzika a astronómia (celkem: 480 referátů a seminárek)
Informace o referátu:
- Přidal/a: anonymous
- Datum přidání: 01. července 2007
- Zobrazeno: 5376×
Příbuzná témata
Družicový navigačný systém GPS (Global Positioning System)
Global Positioning System (GPS) je sústava družíc patriacich USA, ktorá celosvetovo poskytuje 24 hodín denne vysoko presné informácie pre zisťovanie polohy a informácie pre navigáciu. GPS je geocentrický systém. V strede Zeme sa pretínajú tri myslené osy x, y, z. Každý bod na povrchu Zeme i nad ňou má svoju vlastní polohovou GPS "adresu", zloženú z koordinátov x, y, z. Tieto systémové súradnice sú potom prevedené do tvaru, s ktorým si rozumie naša mapa (zemepisná dĺžka a šírka, alebo rovinné súradnice rôznych kilometrových sietí). GPS tvorí vreckový prístroj, (ďalej nazývaný GPS prijímač), ktorý funguje vďaka systému 24 satelitných družíc obiehajúcich Zem vo výške 20 000 km nad zemou. Družice vysielajú nepretržite údaje o presnom čase a o svojej polohe vo vesmíre. Prijímač GPS na zemi sleduje tri až dvanásť družíc a registruje vysielané informácie. Z týchto údajov potom určí presne svoju vlastnú polohu a zároveň aj to, akým smerom a akou rýchlosťou sa prijímač pohybuje. To všetko je systém schopný robiť v reálnom čase, a s vysokou presnosťou. GPS prijímač obsahuje veľmi citlivý rádiový prímač, anténu a mikropočítač. Dokáže prímať signály z družíc a vďaka mikropočítaču vie vypočítať vzdialenosť od jednotlivých družíc a z nich potom polohu, ktorú zobrazí na svojom displeji (napr. v zemepisných súradniciach). K určeniu súradníc stačí príjem z troch, pre určenie i nadmorskej výšky z štyroch družíc, aj keď prístroj dokáže sledovať až 12 družíc. Družice GPS majú na palube veľmi presné atómové hodiny a sú na nich zároveň umiestnené databázy súčasných a očakávaných polôh ostatných satelitov ktoré sú priebežne vzájomne aktualizované. To umožňuje prímaču GSP po zameraní jednej družice získať všetky potrebné informácie pre rýchle vyhľadanie ďalších. Pretože hodiny v našom GPS prímači sa so signálom družíc synchronizujú, môže náš prístroj okrem mnoho funkcií navigačných slúžiť aj ako presné hodiny s maximálnou chybou jednej milióntiny sekundy. Systém bol pôvodne navrhnutý v USA pre vojenské účely a neskôr uvolnený pre všeobecné použitie. GPS prímače nachádzajú využitie v mnohých oblastiach ľudských aktivít, pri rekreácii a športe i v profesionálnej praxi. Využívajú ho turisti, cestovatelia, motoristi, vodáci, horolezci, rádioamatéri, rybári, námorníci aj letci. GPS prímač funguje všade na zemegule, v 24 hodín denne. Dokáže nám ukázať polohu, nadmorskú výšku, rýchlosť a smer pohybu, vzdialenosť k cieľu a čas zostávajúci do cieľa.Obnova výpočtu polohy je každú sekundu, preto sa dá vypočítať a zobraziť aj smer a rýchlosť až do 1852 km/hod. Presnosť určenia polohy je 15 m. Do signálu je zavádzaná umelá chyba, ktorou sa táto odchýlka zvyšuje až na 50 m. Napriek tomu sú moderné prístroje vybavené funkciou priemerovania, ktorá presnosť opäť zlepšuje. Do pamäte GPS prímača je možné jednoducho uložiť miesto, ktoré je pre nás navigačne významné, tzv. trasový bod (waypoint = WPT). To môže byť napr. východzí bod, obľúbené hubárske či rybárske miesto, dedinka, oáza v púšti, tábor, prístav. GPS nás k takému bodu vždy neomylne zavedie. Podľa typu GPS prímača môže byť v pamäti od 100 až do 1000 trasových bodov.
Štruktúra systému
Kozmický segment
Z každého miesta na Zemi je 24 hodín denne pozorovateľných 4-8 družíc s eleváciou vetšiou než 15 stupňov. Prevádzkovateľ zaručuje, že minimálne 4 družice sú pozorovateľné kedykoľvek a odkiaľkoľvek. Celý systém má 24 družíc (21 základných a 3 sú aktívne rezervy). Družice sú umiestnené v šiestich rovinách na skoro kruhových dráhach vo výške 20 200 km nad povrchom Zeme. Sklon k rovníku 55 stupňov, obežná doba 12 hviezdnych hodín (11:58). Tzn., že z rovnakého miesta na Zemi sú družice nasledujúci deň pozorovateľné o 4 minúty skôr. Tri rezervné družice musia zabezpečiť chod systému, aby až potom čo 3 družice vypovedajú službu bolo nutné vypustiť ďalšie.
Užívateľský segment
Tvoria ho užívateľské prímače všetkých typov a presností. Prímač GPS v sebe zahrňuje citlivý rádiový prímač, super presné hodiny a výkonný matematický kalkulátor. Prímač pracuje okolo frekvencie 1575,42 MHz a dokáže dekódovať rýchlo dáta v rozloženom spektre s veľkou šírkou pásma. Jednotlivé typy prímačov se od seba líšia vzhľadom a rozmermi, typom displeja (od jednoduchých alfanumerických po grafické) a softwérom. Sú napájané tužkovými batériami, ktoré umožňujú prevádzku od 5 až po 24 hodín, resp. z vonkajšieho napájacieho zdroja. Prímače dokážu súčasne sledovať 8 až 12 družíc. Doba od zapnutia k prvému určeniu polohy (tzv. studený štart) sa pohybuje podľa typu v rozmedzí 2 až 10 minút, určenie polohy po znovuzapnutí (tzv. teplý štart) býva v rozmedzí 15 sekúnd až 2 minúty. Dokonalé vojenské a letecké prístroje sú schopné vyhodnotiť pohyb prímača až do rýchlosti 1850 km/h. Niektoré prímače sú opatrené konektorom pre prepojenie s počítačom, čo ich možnosti ešte zvätšuje. Dáta je možné prehrávať do počítača alebo naopak, prepojovať GPS prímač s ďalšími rádiovými prostriedkami pre rádiové vyhľadávanie a mapovanie vysielačov apod.
Aby GPS prímače splňovaly na ne kladené nároky pri použití v prírode alebo na mori, sú vätšinou konštruované ako prachotesné a vodovzdorné a môžu pracovať v širokom teplotnom rozmedzí.
Riadiaci segment
Je umiestnený v USA, pozostáva z hlavnej riadiacej stanice a z niekoľkých monitorovacích staníc rozmiestnených po celom svete. Pri každom prelete družíc nad týmito stanicami sú vyhodnotené parametre ich dráh a vypočítané korekcie, ktoré sú vyslané späť na dané družice a odtiaľ do prímače, kde dôjde k aktualizácií uložených dát o družiciach.
Iné údaje
Presnosť merania
Pri zameraní dostatočného počtu satelitov býva v praxi presnosť určenia polohy menšia, než 10 m. Táto presnosť je však prevádzkovateľom systému (Ministerstvom obrany USA) úmyselne zhoršovaná podľa tzv. Programu vybrané dostupnosti (Selective Availability), ktorý vznikol pre omedzenie zneužiteľnosti systému na minimálnu úroveň (napr. pre teroristické účely) a zabezpečenie prvoradosti vojenských aplikácií ako sú zámerné zhoršovanie presnosti určenia polohy alebo zavedenie tzv. presného P/Y - kódu, ktorým je šírený signál len pre vojenské aplikácie. V súčastnej dobe je už zámerné zhoršovanie polohy vypnuté. Vďaka tomu sa pre civilných užívateľou takmer 10 násobne zvýšila presnosť určenia polohy z predošlých 100 m. Parametre signálov družíc GPS
Každá družica vysiela signály na dvoch základných frekvenciách:
L1 = 1575,42 MHz (vlnová dĺžka cca 19 cm)
L2 = 1227,60 MHz (vlnová dĺžka cca 24,4, cm)
a dajú sa popísať vzťahom:
s(t) = C(t).D(t).sin(2.pi.L1t) + P(t).D(t).cos(2.pi.L1t) + P(t).D(t).cos(2.pi.L2t).
Ide teda o nosné vlny modulované kódmi C(t), P(t) a navigační správou D(t). Kódy a dáta nadobúdajú hodnôt +1,-1 a jedná sa teda o moduláciu s binárnym fázovým klúčovaním. Minimálny výkon signálu GPS na výstupu lineárne polarizovanej antény so ziskom 3dB bude na Zemi -160 dBW za predpokladu strát v atmosfére 2dB a pri chybe smerovania družice 0,5 stupňa. Minimálna úroveň signálu závisí na elevácii družice. Maximálna hodnota signálu neprekročí -153 dBW (zdroj: GPS, SPS, Signal Specification, Washington, Department of Defence, 1993).
Dáta D(t) slúžia k prenosu parametrov dráh družíc (efemeríd) z ktorých sa v prímačoch určuje poloha družíc (x, y, z). Efemeridy sú dvojakého druhu:
· broadcast (približné) - vysielané v kódu D(t)
· precise (presné) - poskytuje je IGS a sú nutná pre presná geodetické merania na väčších územiach
Kódy C(t) a D(t) sú pseunáhodné postupnosti číslic (+1/-1). Kódy umožňujú:
· presné meranie pseudovzdialeností
· oddelenie signálov jednotlivých družíc, ktoré pracujú na rovnakej frekvencii (kódový multiplex CDMA)
· zvyšujú odolnosť proti rušeniu
C/A kód Coarse Acquisition (kód pre hrubé meranie)
Goldov kód.
Jeho základnou vlastnosťou je ostré minimum autokorelačnej funkcie zaisťujúcej meranie vzdialeností. Vzájomné korelačné funkcie dvoch rôznych kódov majú malé hodnoty čím je docielené dobré oddelenie signálov družíc. Perióda kódu je 1 ms a obsahuje 1023 bitov (bitová rýchlosť 1,023 Mbit/s). V prímači sa dá generovať bez spolupráce so správcom systému a je teda prístupný všetkým.
P kód
Je označovaný ako presný kód (Precision). Jeho bitová rýchlosť je desaťnásobná oproti kódu C/A a je 10,23 Mbit/s. Kód P je pseudonáhodná postupnosť maximálnej dĺžky s periódou približne 266 dní (23 017 555,5 s). Perióda obsahuje 235,46959.1012 bitov, ale využíva sa z nej len sedemdenná časť. Kód sa nuluje do východzieho stavu o polnoci zo soboty na nedelu. Rýchlejší a dlhší P kód umožňuje väčšie frekvenčné rozpriestorovanie signálu a teda aj presnejšie meranie. Je tiež možné merať na oboch frekvenciách L1 a L2 a tým podstatne omedziť vplyv ionosférické refrakcie.
Y kód
Vzhľadom k tomu, že použitím P kódu sa dá určiť poloha s presnosťou 3 m a lepší algoritmus generovania P kódu bol utajovaný, nebola dosiahnutá požadovaná presnosť. Na počiatku 90. rokov bol algoritmus P kódu uvolnený a publikovaný. Zneužitie vysokej presnosti sa vyriešilo prekódovaním P kódu na Y kód, ktorého dekódovanie je možné len pri znalosti šifry dostupnej len autorizovaným užívateľom. Zakódovanie je označované ako A-S (Anti-Spoofing). Táto ochrana znemožňuje aj imitovanie družice nepriateľom. Ionosférická refrakcia
Signál z družice prechádza na ceste k užívateľovi ionosférou, v ktorej dochádza k ionosférickej refrakcii. Signál dostávajúci sa k užívateľovi ide po dlhšej ceste než skutočne má. Refrakcia sa dá potlačiť niekoľkými spôsobmi:
· zavedením modelu ionosférickej refrakcie priamo do prístroja
· meraním dvojfrekvenčnou metódou - družica vysiela 2 signály na 2 frekvenciách (riešením sústavy rovníc získame požadované výsledky)
· diferenčným meraním
Ionosférická refrakcia predstavuje najväčšiu prirodzenú chybu systému GPS.
Mnohocestné šírenie
Signál idúci od družice k anténe prímača sa šíri priamou cestou za predpokladu že nenastal odraz od okolitých predmetov (multipath). V tomto prípade ide signál po ceste dlhšej. Omedziť mnohocestné šírenie signálu ide vhodnou anténou. GPS a nadmorská výška
Pri opakovaných meraniach stále na jednom známom mieste (vrchol, sedlo, chata) zistíme veľmi malé tolerancie výškových údajov z GPS. Môžu sa líšiť (a väčšinou sa líšia) od údajov na mape. Rozdiely sú dané rozdielmi systémov.
Výškové údaje na mapách, vrcholoch, chatách a ďalších orientačných bodoch však doteraz vychádzajú z klasických meraní, vzťahovaných k morskej hladine. Hladiny morí a oceánov nie sú ale v rovnakej úrovni, existujú rozdiely vo výškových údajoch podľa toho, od hladiny ktorého mora sú merané. A preto tiež nájdeme rozdiel medzi výškou z GPS a mapy. Podstatné však je, že rozdiel medzi GPS a mapou je na malom území prakticky konštantní. Na nových kvalitných mapách na tento rozdiel upozorňuje legenda.