Que é o sistema de posicionamento global? Comprensión do GPS

O sistema de posicionamento global ou GPS é un sistema global de navegación por satélite (GNSS) que proporciona un sistema de localización, navegación e cronometraxe (PNT). Foi desenvolvido polo Departamento de Defensa dos Estados Unidos (US DoD) a principios da década de 1970. Existen outros sistemas de navegación por satélite como o GLONASS de Rusia, o Galileo de Europa e o BeiDou de China, pero o Sistema de Posicionamento Global (GPS) dos Estados Unidos e o Sistema de Navegación Mundial por Satélite (GLONASS) ruso son os únicos sistemas de navegación por satélite totalmente funcionales. Sistema de navegación con 32 constelacións de satélites e 27 constelacións de satélites respectivamente. Antes do desenvolvemento da tecnoloxía GPS, a principal axuda para a navegación (no mar, na terra ou na auga) son os mapas e o compás. Coa introdución do GPS, a navegación e o posicionamento da localización fíxose moi sinxelo cunha precisión de posición de dous metros ou menos. Esquema do historial do GPS Visión xeral da estrutura do GPSSegmentos do GPSSegmento do espazo Receptor en plano 2DPosición do receptor no espazo 3D Tipos de receptores GPSAplicacións do Sistema de Posicionamento Global (GPS)Historia do GPSAntes do desenvolvemento do GPS, sistemas de navegación terrestres como LORAN (Long Range Navigation) polos EE. UU. e Decca Navigator System do Reino Unido son as principais tecnoloxías para a navegación. Ambas estas técnicas baséanse en ondas de radio e os alcances limitáronse a uns poucos centos de quilómetros. A principios dos anos 1960, tres das organizacións gobernamentais dos Estados Unidos, a saber, a Administración Nacional de Aeronáutica e do Espazo (NASA), o Departamento de Defensa (DoD) e o Departamento de Transporte. (DoT) xunto con outras organizacións comezaron a desenvolver un sistema de navegación por satélite co obxectivo de proporcionar unha alta precisión, un funcionamento independente do tempo e unha cobertura global. Este sistema foi desenvolvido por primeira vez como un sistema militar para satisfacer as necesidades dos militares dos Estados Unidos. Estados Unidos Os militares utilizaron NAVSTAR para a navegación, así como para sistemas de orientación de armas e sistemas de guía de mísiles. A posibilidade de que os inimigos usen este sistema de navegación contra os Estados Unidos é a principal razón pola que non se lles permitiu acceder aos civís. O primeiro satélite NAVSTAR lanzouse en 1978 e en 1994 colocouse en órbita unha constelación completa de 24 satélites, facendo así está completamente operativo.En 1996, os EE.UU O goberno recoñeceu a importancia do GPS para os civís e declarou un sistema de dobre uso, que permite o acceso tanto aos militares como aos civís. Visión xeral da estrutura do GPSA técnica fundamental do sistema de navegación por satélite Global Positioning System (GPS) é medir as distancias entre o receptor e un poucos satélites que se observan simultáneamente. Xa se coñecen as posicións destes satélites e, polo tanto, ao medir a distancia entre catro destes satélites e o receptor, as tres coordenadas da posición do receptor GPS é dicir. pódese establecer a latitude, lonxitude e altitude. Dado que o cambio de posición do receptor se pode determinar con moita precisión, tamén se pode determinar a velocidade do receptor. Segmento. Neste, o segmento de control e o segmento espacial son desenvolvidos, operados e mantidos pola Forza Aérea dos Estados Unidos. A seguinte imaxe mostra os tres segmentos do sistema GPS.Segmento espacialO Segmento espacial (SS) do GPS consiste nunha constelación de 24 satélites que están orbitando arredor da Terra en órbitas aproximadamente circulares. Os satélites sitúanse en seis planos orbitais con cada plano orbital composto por catro satélites. A inclinación dos planos orbitais e o posicionamento dos satélites dispóñense de xeito particular de forma que un mínimo de seis satélites estean sempre en liña de visión desde calquera lugar da Terra. Chegando á disposición da constelación no espazo, o GPS Os satélites sitúanse na Órbita da Terra Media (MEO) a unha altitude de aproximadamente 20,000 KM. Para aumentar a redundancia e mellorar a precisión, o número total de satélites GPS na constelación aumentou a 32, dos cales 31 satélites están operativos. e estacións de seguimento. A tarefa principal do segmento de control é rastrexar a posición dos satélites GPS e mantelos en órbitas adecuadas coa axuda de comandos de manobra. Ademais, o sistema de control tamén determina e mantén a integridade do sistema a bordo, as condicións atmosféricas, os datos dos reloxos atómicos. e outros parámetros.O Segmento de control GPS volve dividirse en catro subsistemas: unha Nova Estación de Control Mestra (NMCS), unha Estación de Control Mestra Alternativa (AMCS), catro Antenas Terrestres (GA) e unha rede mundial de Estacións de Monitorización (MS). O nodo de control central para a Constelación de Satélites GPS é a Estación de Control Mestre (MSC). Está situado na base da forza aérea de Schriever, Colorado e opera 24×7. As principais responsabilidades da Estación de Control Mestra son: mantemento de satélites, vixilancia da carga útil, sincronización de reloxos atómicos, manobras por satélite, xestión do rendemento do sinal GPS, carga de datos de mensaxes de navegación, detección Fallos de sinalización GPS e resposta a eses fallos. Hai varias estacións de monitorización (MS), pero seis delas son importantes. Están situados en Hawai, Colorado Springs, Illa Ascensión, Diego García, Kwajalein e Cabo Cañaveral. Estas estacións de monitorización seguen continuamente a posición dos satélites e os datos son enviados á Estación de Control Mestra para a súa posterior análise. Para transmitir datos aos satélites, hai catro antenas terrestres (GA) situadas como Illa Ascensión, Cabo Cañaveral, Diego García e Kwajalein. Estas antenas utilízanse para conectar datos a satélites e os datos poden ser calquera cousa como a corrección do reloxo, os comandos de telemetría e as mensaxes de navegación. posicionamento e tempo. Xeralmente, para acceder aos servizos GPS, o usuario ten que estar equipado con receptores GPS como módulos GPS autónomos, teléfonos móbiles habilitados para GPS e consolas GPS dedicadas. Con estes receptores GPS, os usuarios civís poden coñecer a posición estándar, precisa tempo e velocidade mentres os militares utilízanos para o posicionamento preciso, a orientación de mísiles, a navegación, etc. Principio de funcionamento do GPSCoa axuda dos receptores GPS, podemos calcular a posición dun obxecto en calquera lugar da Terra, ben nun espazo bidimensional ou tridimensional. . Para iso, os receptores GPS usan un método matemático chamado Trilateración, un método mediante o cal se pode determinar a posición dun obxecto medindo a distancia entre o obxecto e outros poucos obxectos con posicións xa coñecidas. Así, no caso dos receptores GPS, para para coñecer a localización do receptor, o módulo receptor ten que coñecer as dúas cousas seguintes:• Localización dos satélites no espazo e• Distancia entre os satélites e o receptor GPSDeterminar a localización dos satélitesPara determinar a localización dos satélites. satélites, os receptores GPS fai uso de dous tipos de datos transmitidos polos satélites GPS: os datos de almanaque e os datos de efemérides. Os satélites GPS transmiten continuamente a súa posición aproximada. Estes datos chámanse datos de Almanaque, que se actualizan periodicamente a medida que o satélite se move na órbita. Estes datos son recibidos polo receptor GPS e almacenados na súa memoria. Coa axuda dos datos do almanaque, o receptor GPS pode determinar as órbitas dos satélites e tamén onde se supón que deben estar os satélites. Non se poden prever as condicións do espazo e hai unha enorme probabilidade de que os satélites poidan desviarse de o seu camiño real. A Estación de Control Mestra (MCS) xunto coas Estacións de Monitorización (MS) dedicadas rastrexan a ruta dos satélites xunto con outra información como altitude, velocidade, órbita e localización. Se hai algún erro nalgún dos parámetros, os datos corrixidos son enviados aos satélites para que permanezan en posición exacta. Estes datos orbitais enviados polo MCS ao satélite chámanse datos de efemérides. O satélite, ao recibir estes datos, corrixe a súa posición e tamén envía estes datos ao receptor GPS. Coa axuda de ambos os datos é dicir Almanaque e efemérides, o receptor GPS pode saber a posición exacta dos satélites, todo o tempo. Determinación da distancia entre os satélites e o receptor GPSPara medir a distancia entre o receptor GPS e os satélites, o tempo ocupa un papel importante. A fórmula para calcular a distancia do satélite desde o receptor GPS dáse a continuación: Distancia = Velocidade da luz x Tempo de tránsito do sinal do satélite. Aquí, o tempo de tránsito é o tempo que toma o sinal do satélite (sinal en forma de ondas de radio, enviado polo Satélite ao Receptor GPS) para chegar ao Receptor.A velocidade da luz é un valor constante e é igual a C = 3 x 108 m/s. Para calcular o tempo, primeiro necesitamos comprender o sinal enviado polo satélite. O sinal transcodificado que transmite o satélite chámase pseudo ruído aleatorio (PRN). A medida que o satélite xera este código e comeza a transmitir, o receptor GPS tamén comeza a xerar o mesmo código e tenta sincronizalo. A continuación, o receptor GPS calcula o tempo de atraso que debe sufrir o código xerado polo receptor antes de sincronizarse co satélite transmitido. Unha vez que se coñeza a localización dos satélites e a súa distancia desde o receptor GPS, podes atopar a posición do receptor GPS no espazo 2D ou no espazo 3D mediante o seguinte método.Posición do receptor nun plano 2D para atopar a posición do obxecto ou receptor GPS nun espazo 2 - Dimensional ou sexa un avión XY, todo o que necesitamos atopar é a distancia entre o receptor GPS e dous dos satélites. Sexa D1 e D2 a distancia do Receptor do Satélite 1 e do Satélite 2 respectivamente. Agora, cos satélites no centro e cun raio de D1 e D2, traza dous círculos ao seu redor nun plano XY. A representación pictórica deste caso móstrase na seguinte imaxe. A partir da imaxe superior, está claro que o Receptor GPS pódese situar en calquera dos dous puntos onde se cruzan os dous círculos. Se se exclúe a área por riba dos satélites, podemos fixar a posición do receptor GPS no punto de intersección dos círculos debaixo dos satélites. A información de distancia de dous satélites é suficiente para determinar a posición do receptor GPS en un plano 2-D ou XY. Pero o mundo real é un espazo tridimensional e necesitamos determinar a posición tridimensional do receptor GPS. a súa Latitude, Lonxitude e Altitude. Veremos un procedemento paso a paso para determinar a localización tridimensional do receptor GPS. Posición do receptor no espazo 3D Supoñamos que xa se coñecen as localizacións dos satélites con respecto ao receptor GPS. Se o satélite 1 está a unha distancia de D1 do receptor, entón está claro que a posición do receptor pode estar en calquera lugar da superficie da esfera que está formada co satélite 1 como centro e D1 como raio. Se a distancia de un segundo satélite (satélite 2) do receptor é D2, entón a posición do receptor pódese limitar ao círculo formado pola intersección de dúas esferas con radios D1 e D2 cos satélites 1 e 2 nos centros respectivamente.Desde esta imaxe , a posición do receptor GPS pódese reducir ata un punto do círculo de intersección. Se engadimos un terceiro satélite (Satélite 3) cunha distancia D3 do Receptor GPS aos dous satélites existentes, entón a localización do receptor limítase á intersección das tres esferas, é dicir. calquera dos dous puntos. En situacións en tempo real, non é viable ter a ambigüidade do receptor GPS situado nunha das dúas posicións. Isto pódese resolver introducindo un cuarto satélite (satélite 4) cunha distancia D4 do receptor. O cuarto satélite poderá fixar a localización do receptor GPS a partir das dúas posibles localizacións que se determinaron anteriormente con só tres satélites. Polo tanto, en tempo real, son necesarios un mínimo de 4 satélites para determinar a localización exacta do obxecto. Prácticamente, o sistema GPS funciona de forma que polo menos 6 satélites son sempre visibles para un obxecto (receptor GPS) situado en calquera lugar da Terra. de receptores GPSO GPS é utilizado tanto por civís como por militares. Polo tanto, os tipos de receptor GPS pódense clasificar en Receptores GPS civís e Receptores GPS militares. Pero a forma estándar de clasificación baséase no tipo de código que o receptor pode detectar.Basicamente, hai dous tipos de códigos que transmite un satélite GPS: Código de adquisición groso (C/A Code) e P - Code. As unidades receptoras GPS de consumo só poden detectar o código C/A. Este código non é preciso e, polo tanto, o sistema de posicionamento civil chámase Servizo de Posicionamento Estándar (SPS). O Código P, por outra banda, é usado polos militares e é un código moi preciso. O sistema de posicionamento utilizado polos militares chámase Precise Positioning Service (PPS). Os receptores GPS pódense clasificar en función da capacidade de descodificar estes sinais. Outra forma de clasificar os receptores GPS dispoñibles comercialmente baséase na capacidade de recibir sinais. Usando este método, os receptores GPS pódense dividir en: Único - Receptores de código de frecuencia Único - Portador de frecuencia - Receptores de código suavizado Único - Receptores de código de frecuencia e portadorDual - Receptores de frecuenciaAplicacións do sistema de posicionamento global (GPS) O GPS converteuse nunha parte esencial da infraestrutura global, semellante a Internet. O GPS foi o elemento clave no desenvolvemento dunha ampla gama de aplicacións que se espallan por diferentes aspectos da vida moderna. O aumento da fabricación a gran escala e a miniaturización de compoñentes reduciu o prezo dos receptores GPS. A continuación menciónase unha pequena lista de aplicacións nas que o GPS desempeña un papel importante. A agricultura moderna experimentou un aumento da produción coa axuda do GPS. Os agricultores utilizan a tecnoloxía GPS xunto con modernos dispositivos electrónicos para obter información precisa sobre a superficie do campo, o rendemento medio, o consumo de combustible, a distancia percorrida, etc. No ámbito dos automóbiles, os vehículos guiados automatizados son os máis utilizados nas aplicacións industriais ou de consumo. O GPS permite a estes vehículos a navegación e o posicionamento. Os civís usan receptores GPS para a navegación. O receptor GPS pode ser un módulo dedicado ou un módulo integrado en teléfonos móbiles e reloxos de pulso. Son moi útiles en sendeirismo, viaxes por estrada, condución, etc. As funcións adicionais inclúen a hora e a velocidade precisas do vehículo. Os servizos de emerxencia como bombeiros e ambulancias benefícianse do posicionamento preciso da localización do desastre mediante GPS e poden responder a tempo. Os militares usan receptores GPS de alta precisión para a navegación, o seguimento de obxectivos, os mísiles. sistemas de orientación, etc. Hai moitas outras aplicacións nas que se está a usar o GPS ou un gran alcance de uso no futuro.Publicacións relacionadas:Comunicación sen fíos: Introdución, tipos e aplicaciónsMultiplexor e demultiplexorPor que a túa Internet segue desconectando? Conceptos básicos do programa C incorporadoQue son os sensores MEMS?

Deixar unha mensaxe 

Lista de mensaxes