Was ist ein globales Positionsbestimmungssystem? GPS verstehen

Global Positioning System oder GPS ist ein globales Navigationssatellitensystem (GNSS), das ein Positions-, Navigations- und Zeitmesssystem (PNT) bereitstellt. Es wurde vom US-Verteidigungsministerium (US .) entwickelt DoD) in den frühen 1970er Jahren. Es gibt andere satellitengestützte Navigationssysteme wie Russlands GLONASS, Europas Galileo und Chinas BeiDou, aber das Global Positioning System (GPS) der Vereinigten Staaten und das Russian Global Navigation Satellite System (GLONASS) sind die einzigen voll funktionsfähigen satellitenbasierten Navigationssystem mit 32 Satellitenkonstellationen bzw. 27 Satellitenkonstellationen. Vor der Entwicklung der GPS-Technologie waren Karten und Kompass die wichtigsten Navigationshilfen (zu Wasser, zu Lande oder zu Wasser). Mit der Einführung von GPS wurde die Navigation und Positionsbestimmung mit einer Positionsgenauigkeit von zwei Metern oder weniger sehr einfach. Outline History of GPSGPS Structure OverviewGPS SegmentsSpace SegmentControl SegmentUser SegmentWorking Principle of GPSBestimmen der Position der SatellitenBestimmen der Entfernung zwischen den Satelliten und der GPS-Empfängerposition von Empfänger in 2D-EbenePosition des Empfängers im 3D-RaumArten von GPS-EmpfängernAnwendungen des Global Positioning System (GPS)Geschichte von GPSVor der Entwicklung von GPS, bodengestützte Navigationssysteme wie LORAN (Long Range Navigation) durch die USA und Decca Navigator System von Großbritannien sind die wichtigsten Navigationstechnologien. Beide Techniken basieren auf Funkwellen und die Reichweiten waren auf einige Hundert Kilometer begrenzt. In den frühen 1960er Jahren wurden drei der US-Regierungsorganisationen, nämlich die National Aeronautics and Space Administration (NASA), das Verteidigungsministerium (DoD) und das Verkehrsministerium, (DoT) begann zusammen mit mehreren anderen Organisationen mit der Entwicklung eines satellitengestützten Navigationssystems mit dem Ziel, eine hohe Genauigkeit, einen wetterunabhängigen Betrieb und eine globale Abdeckung zu bieten. Dieses Programm entwickelte sich zum Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System (NAVSTAR Global Positioning System). Dieses System wurde zuerst als militärisches System entwickelt, um die Bedürfnisse des US-Militärs zu erfüllen. Die USA Das Militär verwendete NAVSTAR für die Navigation sowie für das Zielen von Waffensystemen und Raketenleitsystemen. Die Möglichkeit, dass Feinde dieses Navigationssystem gegen die Vereinigten Staaten verwenden, ist der Hauptgrund, warum Zivilisten keinen Zugang dazu erhielten. Der erste NAVSTAR-Satellit wurde 1978 gestartet und bis 1994 wurde eine vollständige Konstellation von 24 Satelliten in der Umlaufbahn platziert und machte so es vollständig betriebsbereit. Im Jahr 1996 die USA Die Regierung erkannte die Bedeutung von GPS für Zivilisten an und erklärte ein Dual-Use-System, das den Zugang sowohl für Militärs als auch für Zivilpersonen ermöglicht wenige Satelliten, die gleichzeitig beobachtet werden. Die Positionen dieser Satelliten sind bereits bekannt und daher durch Messen der Entfernung zwischen vier dieser Satelliten und dem Empfänger die drei Koordinaten der Position des GPS-Empfängers, dh Breite, Länge und Höhe bestimmt werden. Da die Positionsänderung des Empfängers sehr genau bestimmt werden kann, kann auch die Geschwindigkeit des Empfängers bestimmt werden Segment. Dabei werden das Kontrollsegment und das Raumfahrtsegment von der United States Air Force entwickelt, betrieben und gewartet. Das folgende Bild zeigt die drei Segmente des GPS-Systems.WeltraumsegmentDas Weltraumsegment (SS) des GPS besteht aus einer Konstellation von 24 Satelliten, die in etwa kreisförmigen Umlaufbahnen um die Erde kreisen. Die Satelliten sind in sechs Orbitalebenen platziert, wobei jede Orbitalebene aus vier Satelliten besteht. Die Neigung der Orbitalebenen und die Positionierung der Satelliten ist so festgelegt, dass von jedem Ort der Erde aus immer mindestens sechs Satelliten in Sichtlinie sind Satelliten werden in der mittleren Erdumlaufbahn (MEO) in einer Höhe von etwa 20,000 km platziert. Um die Redundanz zu erhöhen und die Genauigkeit zu verbessern, wurde die Gesamtzahl der GPS-Satelliten in der Konstellation auf 32 erhöht, von denen 31 Satelliten betriebsbereit sind. Kontrollsegment Das Kontrollsegment (CS) des GPS besteht aus einem Netzwerk weltweiter Überwachung und Kontrolle und Tracking-Stationen. Die Hauptaufgabe des Kontrollsegments besteht darin, die Position der GPS-Satelliten zu verfolgen und sie mit Hilfe von Manöverbefehlen in richtigen Bahnen zu halten. Darüber hinaus ermittelt und erhält das Kontrollsystem auch die Systemintegrität an Bord, atmosphärische Bedingungen, Daten von Atomuhren und andere Parameter. Das GPS-Kontrollsegment ist wiederum in vier Subsysteme unterteilt: eine neue Hauptkontrollstation (NMCS), eine alternative Hauptkontrollstation (AMCS), vier Bodenantennen (GAs) und ein weltweites Netzwerk von Monitorstationen (MSs). Der zentrale Kontrollknoten für die GPS-Satellitenkonstellation ist die Master Control Station (MSC). Es befindet sich auf der Schriever Air Force Base, Colorado und ist rund um die Uhr in Betrieb. Die Hauptaufgaben der Master Control Station sind: Satellitenwartung, Nutzlastüberwachung, Synchronisieren von Atomuhren, Satellitenmanövrieren, Verwalten der GPS-Signalleistung, Hochladen von Navigationsnachrichtendaten, Erkennen GPS-Signalisierungsfehler und Reaktion auf diese Fehler. Es gibt mehrere Überwachungsstationen (MS), aber sechs davon sind wichtig. Sie befinden sich auf Hawaii, Colorado Springs, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein und Cape Canaveral. Diese Überwachungsstationen verfolgen kontinuierlich die Position der Satelliten und die Daten werden zur weiteren Analyse an die Master Control Station gesendet Kwajalein. Diese Antennen werden verwendet, um Daten an Satelliten weiterzuleiten, und die Daten können alles sein wie Uhrkorrektur, Telemetriebefehle und Navigationsnachrichten. Benutzersegment Das Benutzersegment des GPS-Systems besteht aus Endbenutzern der Technologie wie Zivilisten und Militär für die Navigation, präzise oder Standard Positionierung und Timing. Um auf die GPS-Dienste zugreifen zu können, muss der Benutzer im Allgemeinen mit GPS-Empfängern wie eigenständigen GPS-Modulen, GPS-fähigen Mobiltelefonen und dedizierten GPS-Konsolen ausgestattet sein. Mit diesen GPS-Empfängern können zivile Benutzer die Standardposition genau kennen Zeit und Geschwindigkeit, während das Militär sie zur präzisen Positionierung, Raketenlenkung, Navigation usw. verwendet. Funktionsprinzip von GPSMit Hilfe von GPS-Empfängern können wir die Position eines Objekts überall auf der Erde entweder im zweidimensionalen oder im dreidimensionalen Raum berechnen . Dazu verwenden GPS-Empfänger eine mathematische Methode namens Trilateration, eine Methode, mit der die Position eines Objekts bestimmt werden kann, indem die Entfernung zwischen dem Objekt und einigen anderen Objekten mit bereits bekannten Positionen gemessen wird Um den Standort des Empfängers herauszufinden, muss das Empfängermodul die folgenden zwei Dinge wissen: • Position der Satelliten im Raum und • Entfernung zwischen den Satelliten und dem GPS-EmpfängerBestimmen des Standorts der SatellitenUm den Standort des Satelliten verwendet der GPS-Empfänger zwei Arten von Daten, die von den GPS-Satelliten übertragen werden: die Almanach-Daten und die Ephemeriden-Daten. Die GPS-Satelliten übertragen kontinuierlich ihre ungefähre Position. Diese Daten werden Almanach-Daten genannt, die regelmäßig aktualisiert werden, wenn sich der Satellit in der Umlaufbahn bewegt. Diese Daten werden vom GPS-Empfänger empfangen und in seinem Speicher abgelegt. Mit Hilfe der Almanach-Daten kann der GPS-Empfänger die Umlaufbahnen der Satelliten bestimmen und auch, wo die Satelliten sein sollen. Die Bedingungen im Weltraum sind nicht vorhersehbar und es besteht eine große Chance, dass die Satelliten davon abweichen ihren eigentlichen Weg. Die Master Control Station (MCS) verfolgt zusammen mit den dedizierten Monitorstationen (MS) den Weg der Satelliten zusammen mit anderen Informationen wie Höhe, Geschwindigkeit, Umlaufbahn und Standort. Wenn ein Fehler in einem der Parameter auftritt, werden die korrigierten Daten an die Satelliten gesendet, damit sie in der exakten Position bleiben. Diese vom MCS an den Satelliten gesendeten Umlaufbahndaten werden als Ephemeridendaten bezeichnet. Der Satellit korrigiert beim Empfang dieser Daten seine Position und sendet diese Daten auch an den GPS-Empfänger. Mit Hilfe der beiden Daten, dh Almanach und Ephemeriden, der GPS-Empfänger kann jederzeit die genaue Position der Satelliten kennen.Bestimmen der Entfernung zwischen den Satelliten und dem GPS-EmpfängerUm die Entfernung zwischen dem GPS-Empfänger und den Satelliten zu messen, spielt die Zeit eine große Rolle. Die Formel zur Berechnung der Entfernung des Satelliten vom GPS-Empfänger ist unten angegeben: Distanz = Lichtgeschwindigkeit x Laufzeit des SatellitensignalsDie Laufzeit ist hier die Zeit, die das Satellitensignal benötigt (Signal in Form von Funkwellen, vom Satelliten an den GPS-Empfänger gesendet), um den Empfänger zu erreichen. Die Lichtgeschwindigkeit ist ein konstanter Wert und beträgt C = 3 x 108 m/s. Um die Zeit zu berechnen, müssen wir zuerst das vom Satelliten gesendete Signal verstehen. Das vom Satelliten gesendete transkodierte Signal wird als Pseudo Random Noise (PRN) bezeichnet. Wenn der Satellit diesen Code generiert und mit der Übertragung beginnt, beginnt auch der GPS-Empfänger mit der Generierung desselben Codes und versucht, sie zu synchronisieren. Der GPS-Empfänger berechnet dann die Zeitverzögerung, die der vom Empfänger generierte Code durchlaufen muss, bevor er mit dem übertragenen Satelliten synchronisiert wird code.Sobald die Position der Satelliten und ihre Entfernung vom GPS-Empfänger bekannt sind, kann die Position des GPS-Empfängers entweder im 2D-Raum oder im 3D-Raum mit der folgenden Methode ermittelt werden.Position des Empfängers in der 2-D-EbeneIn um die Position des Objekts oder GPS-Empfängers im 2-dimensionalen Raum zu finden, dh eine XY-Ebene ist, müssen wir nur die Entfernung zwischen dem GPS-Empfänger und zwei der Satelliten ermitteln. Seien D1 und D2 die Entfernung des Empfängers von Satellit 1 bzw. Satellit 2. Zeichnen Sie nun mit den Satelliten in der Mitte und einem Radius von D1 und D2 zwei Kreise um sie auf einer XY-Ebene. Die bildliche Darstellung dieses Falles ist im folgenden Bild zu sehen. Aus dem obigen Bild wird deutlich, dass sich der GPS-Empfänger an einem der beiden Punkte befinden kann, an denen sich die beiden Kreise schneiden. Wenn der Bereich über den Satelliten ausgeschlossen wird, können wir die Position des GPS-Empfängers am Schnittpunkt der Kreise unter den Satelliten lokalisieren. Die Entfernungsinformationen von zwei Satelliten reichen aus, um die Position des GPS-Empfängers in zu bestimmen eine 2-D- oder XY-Ebene. Aber die reale Welt ist ein 3-dimensionaler Raum und wir müssen die 3-dimensionale Position des GPS-Empfängers bestimmen, dh seine Breite, Länge und Höhe. Wir werden ein schrittweises Verfahren sehen, um die dreidimensionale Position des GPS-Empfängers zu bestimmen.Position des Empfängers im 3D-Raum Nehmen wir an, dass die Positionen der Satelliten in Bezug auf den GPS-Empfänger bereits bekannt sind. Befindet sich Satellit 1 in einer Entfernung von D1 vom Empfänger, dann ist klar, dass die Position des Empfängers irgendwo auf der Oberfläche der Kugel liegen kann, die mit Satellit 1 als Mittelpunkt und D1 als seinem Radius gebildet wird. Wenn der Abstand von ein zweiter Satellit (Satellit 2) des Empfängers D2 ist, dann kann die Position des Empfängers auf den Kreis begrenzt werden, der durch den Schnitt zweier Kugeln mit den Radien D1 und D2 mit den Satelliten 1 und 2 in den Mittelpunkten gebildet wird. Aus diesem Bild , kann die Position des GPS-Empfängers auf einen Punkt auf dem Schnittkreis eingegrenzt werden. Wenn wir einen dritten Satelliten (Satellit 3) mit einem Abstand D3 vom GPS-Empfänger zu den beiden vorhandenen Satelliten hinzufügen, dann beschränkt sich der Standort des Empfängers auf den Schnittpunkt der drei Kugeln, dh einen der beiden Punkte. In Echtzeit-Situationen ist es nicht möglich, die Mehrdeutigkeit des GPS-Empfängers an einer der beiden Positionen zu haben. Dies kann gelöst werden, indem ein vierter Satellit (Satellit 4) mit einem Abstand D4 vom Empfänger eingeführt wird. Der vierte Satellit wird in der Lage sein, den Standort des GPS-Empfängers aus den möglichen zwei Standorten zu bestimmen, die zuvor mit nur drei Satelliten bestimmt wurden. Daher sind in Echtzeit mindestens 4 Satelliten erforderlich, um den genauen Standort des Objekts zu bestimmen. Praktisch funktioniert das GPS-System so, dass immer mindestens 6 Satelliten für ein Objekt (GPS-Empfänger) sichtbar sind, das sich irgendwo auf der Erde befindet von GPS-EmpfängernDas GPS wird sowohl von Zivilisten als auch von Militärs verwendet. Daher können die Arten von GPS-Empfängern in zivile GPS-Empfänger und militärische GPS-Empfänger eingeteilt werden. Die Standardklassifizierung basiert jedoch auf der Art des Codes, den der Empfänger erkennen kann. Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Codes, die ein GPS-Satellit aussendet: Coarse Acquisition Code (C/A Code) und P – Code. Die Consumer-GPS-Empfängereinheiten können nur den C/A-Code erkennen. Dieser Code ist nicht genau und daher wird das zivile Ortungssystem als Standard Positioning Service (SPS) bezeichnet. Der P – Code hingegen wird vom Militär verwendet und ist ein hochgenauer Code. Das vom Militär verwendete Ortungssystem heißt Precise Positioning Service (PPS). Die GPS-Empfänger können basierend auf der Fähigkeit, diese Signale zu dekodieren, klassifiziert werden. Eine andere Möglichkeit, kommerziell erhältliche GPS-Empfänger zu klassifizieren, basiert auf der Fähigkeit, Signale zu empfangen. Mit dieser Methode können GPS-Empfänger unterteilt werden in:Single – Frequency Code ReceiversSingle – Frequency Carrier – Smoothed Code ReceiversSingle – Frequency Code & Carrier ReceiversDual – Frequency ReceiversApplications of Global Positioning System (GPS)GPS ist zu einem wesentlichen Bestandteil der globalen Infrastruktur geworden, ähnlich dem Internet. GPS war das Schlüsselelement bei der Entwicklung einer breiten Palette von Anwendungen, die sich über verschiedene Aspekte des modernen Lebens erstrecken. Die Zunahme der Massenfertigung und Miniaturisierung von Komponenten hat den Preis von GPS-Empfängern gesenkt. Nachfolgend eine kleine Liste von Anwendungen, bei denen GPS eine wichtige Rolle spielt. Die moderne Landwirtschaft hat mit Hilfe von GPS einen Produktionsschub erlebt. Landwirte verwenden die GPS-Technologie zusammen mit modernen elektronischen Geräten, um genaue Informationen über Feldfläche, Durchschnittsertrag, Kraftstoffverbrauch, zurückgelegte Strecke usw. zu erhalten. Im Bereich der Automobile werden fahrerlose Transportfahrzeuge am häufigsten in Industrie- oder Verbraucheranwendungen eingesetzt. GPS ermöglicht diesen Fahrzeugen die Navigation und Positionsbestimmung. Zivilisten verwenden GPS-Empfänger für Navigationszwecke. Der GPS-Empfänger kann ein dediziertes Modul oder ein eingebettetes Modul in Mobiltelefonen und Armbanduhren sein. Sie sind sehr hilfreich bei Trekking, Roadtrips, Autofahren usw. Zu den weiteren Funktionen gehören die genaue Zeit und Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Notfalldienste wie Feuerwehr und Krankenwagen profitieren von der genauen Positionierung des Katastrophenortes per GPS und können rechtzeitig reagieren. Das Militär verwendet hochpräzise GPS-Empfänger für Navigation, Zielverfolgung und Raketen Leitsysteme usw. Es gibt zahlreiche andere Anwendungen, in denen GPS verwendet wird oder in Zukunft einen großen Anwendungsbereich hat. Verwandte Beiträge: Drahtlose Kommunikation: Einführung, Typen und AnwendungenMultiplexer und DemultiplexerWarum die Verbindung zum Internet ständig unterbrochen wird?Grundlagen des eingebetteten C-ProgrammsWas sind MEMS-Sensoren?

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