Cum funcționează și GPS

GPS-ul pe uscat, pe apă, pe cer

„Toate echipamentele de navigație fabricate și vândute numai ca un mijloc de a ajuta la navigare. Utilizatorul este responsabil pentru îmbunătățirea abilităților lor de navigare, indiferent de echipamentele achiziționate de acesta.“
(Din manual.)

Cum Sistemul GPS este construit și rulează

Sistemul GPS este alcătuit din trei părți: echipamentul de spațiu, la sol și utilizator.

Partea de suprafață cuprinde stații de urmărire GPS 4 situate pe o insulă tropicală. Ei urmări sateliții vizibili și transmit date către stația master (MCS) și controlul controlului asupra bazei aeriene din Colorado Springs pentru procesarea modelelor complexe de software de calculator. Aceste seturi de date sunt numite efemeridelor. După o stație de la sol de date este transmis înapoi la satelit și apoi le transmite GPS-receptoare de satelit.

semnale GPS

Toate frecvențele din sistemul GPS sunt multipli de frecvența fundamentală a ceasului prin satelit, 10,23 MHz. Satelitul transmite semnale în benzile L1 = 1575,42 MHz și L2 = 1227.6 MHz. Semnale includ două tipuri de informații: „mesaj de navigație“ și „cod pseudo-aleatoare“ (Figura 1). Codul este o secvență de unu și zero, aparent aleatoare, dar schimbarea legii complicate. Codul pseudoaleator conține numărul de satelit (PRN).

Există două tipuri de cod. GPS civil folosind C / A (Coarse Acquisition) - cod transmise numai pe frecvența L1. Un ciclu de transmisie cod este format din 1023 de biți și se repetă de 1000 de ori (sec. GPS precizie militară ridicată folosind P-cod (precis), care se transmite pe ambele frecvențe, L1 și L2.

Mesajele de navigare sunt transmise la o viteză de 50 biți / sec frecvență purtătoare suplimentare modulate de un cod pseudo-aleatoare. Fiecare mesaj este format dintr-o 25 „portii“ (pagini) de 1500 biți. ciclu complet de transmitere a întregului mesaj durează 12,5 minute. Mesajul de navigare include „date efemeride“ și „date almanah“; date de timp în sistemul GPS, și factori pentru transformarea sa în timp universal, cuvinte cheie P-codul și mesajul special. Efemeridelor - sunt date despre sănătatea prin satelit și parametrii orbitei sale - factorii prin care receptorul calculează poziția actuală și viitoare a satelitului, folosind un model matematic al Kepler. În plus, aceste mesaje conțin coeficienții corectări de ceas prin satelit și întârzierea de propagare a semnalului în ionosfera pentru membrii / A-cod C. Almanah - aceste date efemeride și starea celorlalți sateliți din sistem (stocat în memoria receptorului). Datorita acestor date, receptorul este întotdeauna „știe“ în cazul în care toți sateliții sunt, chiar și atunci când nu le vedea, și ceea ce este mai bine să utilizeze sateliți pentru a determina poziția.

Receptorul GPS determină poziția sa?

Sistemul GPS utilizează o metodă de determinare a gamei de până la obiective definite prin satelit printr-un cod de pseudo-aleatoare. Pentru a face acest lucru, receptorul generează un cod intern propriu, în același timp, că acesta este exact duplicat codul prin satelit. Receptorul compară diferența de timp dintre primirea codului prin satelit părți, care corespund cu aceeași parte a codului. Cunoașterea trecerea timpului și viteza de propagare a undelor radio, receptorul primește distanța până la satelitul, numit pseudo-gama, iar cele două distanțe pot determina poziția exactă a acestora (Figura 2) De ce este „pseudo“? Problema este de a vă asigura că codul de receptor pseudo-aleatoare și satelitul sunt generate simultan. Pe partea satelitului nu există nici o dificultate. ceasuri de satelit sunt foarte precise și ajustate la semnalele de pe Pământ. ceas receptor este mai puțin precisă, în plus, întârzierea de propagare a semnalului în ionosferă, troposferă, etc. a crea o eroare totală (Figura 3). Pentru corectarea ei prin GPS utilizează intervalul de măsurare al treilea satelit.

La determinarea coordonatelor bidimensionale ale celor două cercuri receptor echidistant nu „știe“ dacă el este într-adevăr pe ele sau nu. De exemplu, în cazul în care ceasul receptorului este lent, poziția reală este mai aproape, dar în fiecare caz, în mod proporțional mai aproape de fiecare dintre sateliți. Introducerea liniei de stat din al treilea satelit, putem obține un rezultat unic. Receptorul GPS este un program care preia informația pentru cele trei linii de poziție și o rezolvă algebric. Aceste calcule se obține o soluție de trei ecuații pentru cele trei necunoscute: longitudinea, latitudinea și erorile de ceas. De aceea, pentru a determina coordonatele bidimensionale sunt necesare cel puțin 3 sateliți, 4 - pentru tri-dimensională.

Pe precizie

Utilizatorii GPS sunt interesați de acuratețea reală a sistemului; cu alte cuvinte, cât de aproape puteți merge la orice pericol de navigație, bazându-se doar pe receptor GPS? Din păcate, răspunsul clar la această întrebare nu există. Acest lucru se datorează naturii statistică a erorilor GPS.

Cauzele GPS erori

modul SA
În timp de pace, aceasta adaugă o eroare de câteva zeci de metri; în cazuri speciale, se pot introduce erori de sute de metri. (Guvernul SUA este responsabil pentru funcționarea sistemului în fața a milioane de utilizatori, și poate fi de așteptat ca o astfel de reducere semnificativă a preciziei nu va fi introdusă fără suficiente motive serioase.) Acest lucru se realizează prin transmiterea de deplasare aleatorie timp de cod pseudoaleator. Erori rezultate din SA, aleatorii și în mod egal pentru fiecare parte. SA afectează, de asemenea, acuratețea și viteza cursului GPS. Din acest motiv, un receptor staționar prezintă adesea ușor de viteză și desigur variabilă. Deci, într-o anumită măsură, pentru a evalua gradul de expunere la SA poate fi schimbări periodice în curs și de viteza GPS.

întârziere de propagare Radiowave în ionosferă și troposferă
Viteza undelor radio este constantă într-un vid, dar atunci când semnalul de intrare în atmosferă este schimbată. timpul de întârziere este diferită pentru semnale de la sateliți diferiți. propagarea erorii dependentă de condițiile atmosferice și altitudinea satelit deasupra orizontului, inferior satelitul, cu atât mai mare calea semnalului său trece prin atmosferă și cu atât mai mare distorsiune. Cele mai multe receptoare elimină semnalele de utilizare de la sateliți cu elevație deasupra orizontului mai mic de 7,5. (Mai multe perturbatiilor depind de momentul zilei: după apusul soarelui densitatea ionosferice și impactul acesteia asupra semnalelor radio scade (fenomen operatori de radio familiare, unde scurte).

Influența semnalului reflectat (Multypath)
Pe lângă semnalul direct de la receptorul de satelit poate primi semnale reflectate din roci, clădiri, nave. În cazul în care semnalul direct de la receptor este suprastructuri închis sau trucate, semnalul reflectat poate fi mai puternic. Acest semnal este de a face un drum lung, iar receptorul va „gândi“, care este cel mai îndepărtat de la satelit, decât este de fapt. Aceste erori sunt mult mai mici de 100 m, deoarece numai obiectele apropiate sunt în măsură să dea un ecou suficient de puternic.

geometria din satelit
Aceasta depinde de localizarea sateliților în raport cu receptorul, care este determinată de poziția. În cazul în care receptorul este „prins“ patru sateliți, și toate acestea sunt în partea de nord, geometria prin satelit este slabă. Rezultatul - eroare la 90-150 m, sau chiar imposibil de a determina coordonatei .. (Toate cele patru dimensiuni - din aceeași direcție, iar zona de intersecție a acestora, este prea mare; Figura 4)

Cu aceeași cu 4 sateliți precizia este crescut foarte mult, dacă acestea sunt distanțate în mod egal pe fiecare parte a orizontului. În acest caz, chiar și cu SA, precizia de până la 30 m. Și mai sus.

factor de geometrie prin satelit PDOP măsurată (Poziția Diluarea de precizie) sau HDOP (diluție orizontală de precizie). Locație ideală corespunde sateliți PDOP = 1; valori ridicate indică geometria sateliților. PDOP este folosit ca un multiplicator pentru alte erori. Fiecare receptor pseudo măsurat are eroarea, în funcție de zgomotul atmosferic, erori în efemeridele, SA, semnalul reflectat, etc. De exemplu, în cazul în care valoarea estimată a erorii în mărime de până la 50 m. Și PDOP = 1,5, atunci eroarea așteptată în determinarea site-ului este de 75 de metri.

receptoare GPS furnizează informații în mod diferit pentru a evalua precizia, folosind PDOP. Mai mult HDOP, utilizat GQ (Calitate geometrică, HDOP reciprocă) sau evaluarea calitativă în puncte. Multe receptoare moderne prezinta EPE (estimată de eroare Poziția - poziția eroare așteptată) în mod direct, în ceea ce privește distanța. EPE ia în considerare amplasarea sateliților și semnalele de eroare prognoza pentru fiecare satelit, în funcție de SA, starea atmosferei, eroarea de ceas prin satelit, a trecut ca parte a informațiilor efemere.

Geometria prin satelit devine, de asemenea, o problemă atunci când se utilizează receptorul GPS în interiorul vehiculului, într-o pădure deasă în munți, în apropierea clădirilor înalte. Atunci când semnalele de la sateliții individuali sunt blocate, poziția sateliților rămase vor determina cât de precisă poziția GPS (și numărul lor va indica dacă poziția poate fi definită, în general).

Receptorul GPS bun indică nu numai care sunt folosite sateliți, dar, de asemenea, în cazul în care acestea sunt (azimut și elevație deasupra orizontului), astfel încât să puteți determina dacă primirea acestui satelit este obstrucționată. Figura 5 prezintă un exemplu de aranjament prost de sateliți GPS de pe ecran: sateliți în număr de 22, 01 și 09 nu sunt vizibile. În această situație, vă puteți aștepta la erori mari longitudine; Latitude este probabil să fie determinat cu suficientă precizie.

Precizia de estimare cantitativă

Un test simplu pentru a vizualiza exactitatea receptor GPS dvs. - citirile de înregistrare periodice receptor staționar pe o perioadă suficient de lungă de timp. De exemplu, la fiecare 2 minute. în timpul zilei. Este mai ușor de făcut în cazul în care există un plotter sau un computer care este conectat la GPS. Pavaj coordonatele primite pe tabletă, vom obține o imagine similară cu Fig. 7.

Se crede că poziția GPS a distribuției corespunde destul de bine legii normale (Gauss). Aceasta este, pentru un număr mai mare de erori de măsurare sau o eroare sistematică este zero. GPS civile oferă o precizie fără SA 15 metri RMS, și modul de SA 2DRMS = 100 m. Ce înseamnă? RMS (rădăcină medie pătrată) - rădăcina pătrată a sumei pătratului abaterilor de longitudine și latitudine, împărțită la numărul de măsurători. Gama de 65% din punctele devine raza RMS. 2DRMS înseamnă de două ori RMS. Pentru distribuția Gauss bidimensional spațială în intervalul de plus sau minus 2DRMS scade de la 95% puncte în cazul în care distribuția eliptică (diferite erori în latitudine și longitudine) la o distribuție circumferențială - până la 98%. Poziția GPS de distribuție devine eliptică dacă cerul pe de o parte închisă la semnale.

concluzie

Cel mai mult timp GPS oferă mai mare precizie, la termen de câteva zeci de metri, ceea ce este suficient pentru a naviga în condiții normale. Dar pentru utilizatorul este important ca, la anumite momente pot exista abateri de lungimea cablului și mai mult. Probabilitatea de eroare este foarte mică, dar nu trebuie neglijat. Este întotdeauna recomandat să se utilizeze mai mult de un mijloc de navigație. Atunci când se decide cu privire la nivelul de încredere la citirile GPS, următoarele caracteristici pot fi luate în considerare:

• receptor informații despre locația sateliților. Eroarea maximă posibilă în timpul combinație nefavorabilă dintre cele mai mari valori ale factorilor care afectează acuratețea și, mai presus de toate, geometria prin satelit. Pe receptorul arată în mod tipic PEE 20-40 m, 60 m și a apărut mai mult).;
• vizibilitate cerul peste antena receptor;
• schimbarea poziției GPS pentru perioada anterioară (de stabilire, efectuat pe scară largă).
• curs de corespondență și viteza cu ajutorul GPS-ului și citirile busola lag.
• prezența obiectelor care reflectă semnalul.

În plus, este cazul să spunem că coordonatei hărți ale sistemului (Datum) asociate Harta cu diferite modele de elipsoid pământului utilizate în construcția de hărți în diferite țări. Diferența dintre ele poate fi de până la 500 m. Atunci când se utilizează GPS și harta utilizatorul trebuie să ia în considerare acest lucru și să facă corecțiile corespunzătoare.

Și ultimul. Înainte de aceasta a considerat numai acuratețea citirilor GPS. O eroare maximă de navigare cu ajutorul GPS sintetizate din eroarea maximă a întregului lanț: Sateliți - receptor - utilizatorul - cardului - utilizatorul.