GPS je navigacijska tehnologija, ki z uporabo satelitov sporoča natančne informacije o lokaciji. V osnovi je sistem GPS sestavljen iz skupine satelitov in dobro razvitih orodij, kot je sprejemnik. Sistem pa mora vsebovati vsaj štiri satelite. Vsak satelit in sprejemnik sta opremljena s stabilno atomsko uro. Satelitske ure so sinhronizirane med seboj in zemeljskimi urami. Sprejemnik GPS ima tudi uro, ki pa ni sinhronizirana in ni stabilna (manj stabilna). Vsako odstopanje dejanskega časa satelitov od zemeljske ure je treba popravljati vsak dan. Iz sinhroniziranega omrežja satelitov in sprejemnika je treba izračunati štiri neznane količine (tri koordinate in odmik ure od satelitskega časa).Delo sprejemnika GPS je sprejemanje signalov iz mreže satelitov za izračun treh osnovnih neznanih enačb časa in položaja.
Signal GPS vključuje psevdonaključne kode ter čas oddajanja in satelitski položaj v tistem času. Signal, ki ga oddaja GPS, se imenuje tudi nosilna frekvenca z modulacijo. Nadalje je psevdonaključna koda zaporedje ničel in enot. V bistvu se položaj sprejemnika in odmik ure sprejemnika glede na sistemski čas sprejemnika izračunata hkrati, z uporabo navigacijskih enačb za obdelavo časa leta (TOF). TOF so štiri vrednosti, ki jih sprejemnik oblikuje z uporabo časa prihoda in časa prenosa signala. Lokacija se običajno pretvori v zemljepisno širino, dolžino in višino glede na geoide (v bistvu povprečna gladina morja). Nato se koordinate prikažejo na zaslonu.
Elementi GPS
Zgradba GPS je zapletena. Sestavljen je iz treh glavnih segmentov vesoljskega segmenta, nadzornega in uporabniškega segmenta. Izstrelitev satelita v srednjo zemeljsko orbito je naporno delo. Vesoljski segment obsega od 24 do 32 satelitov ali vesoljskih vozil v isti orbiti, po 8 v treh krožnih orbitah. Vsaj šest satelitov je vedno v vidnem polju s skoraj povsod na zemeljskem površju.
Poleg vesoljskega segmenta je kontrolni segment. V nadzornem segmentu so glavna nadzorna postaja, nadomestna glavna nadzorna postaja, zemeljske antene in nadzorna postaja. Uporabniški segment sestavlja tisoče civilnih, komercialnih in vojaških služb za določanje položaja. Sprejemnik ali naprava GPS je sestavljena iz antene, nastavljene na frekvenco, ki jo oddajajo sateliti. Vključuje tudi zaslon za prikaz lokacije in časa.
Sprejemnik GPS je razvrščen glede na število satelitov, ki jih lahko spremlja hkrati, to je število kanalov. Sprejemniki imajo običajno štiri do pet kanalov, vendar so nedavne izboljšave pokazale, da je bilo narejenih tudi do 20 kanalov.
Satelitska frekvenca: vse frekvence satelitske oddaje. Frekvenčni pas obsega pet vrst, kot so L1, L2, L3, L4 in L5. Ti pasovi imajo frekvenčna območja med 1176MHz in 1600MHz.
Kako deluje GPS
Sateliti GPS se dvakrat na dan vrtijo po vsem svetu. Vrti se zelo natančno in na zemljo pošilja indikacije in informacije. Sprejemniki GPS dobijo vse informacije in uporabijo triangulacijo, da odkrijejo natančno lokacijo uporabnika. V bistvu sprejemnik GPS nasprotuje trajanju širjenja signala s satelita in določa čas njegovega prejema. Časovna razlika določa, kako daleč je sprejemnik od satelitov GPS. Natančno razdaljo izmeri z nekaj več sateliti, sprejemnik pa določi položaj uporabnika in ga prikaže na zemljevidu elektronske naprave.
Sprejemnik mora biti na signal pritrjen z vsaj tremi sateliti, da se ustvari dvodimenzionalni položaj in tudi spremlja gibanje uporabnika. Z uporabo štirih ali več satelitov lahko sprejemnik določi tridimenzionalni položaj uporabnika, ki je sestavljen iz nadmorske višine, širine in dolžine. Po določitvi položaja uporabnika GPS enota izračuna druge podatke, kot so hitrost, smer, sled, razdalja, cilj, sončni vzhod in čas sončnega zahoda.
Kako natančen je GPS?
Sprejemniki GPS-a so zaradi vzporedne večkanalne zasnove zelo natančni. Vzporedni kanali so zelo hitri in natančni, čeprav lahko nekateri dejavniki, kot so atmosferski hrup in motnje, motijo in včasih vplivajo na natančnost sprejemnikov GPS.
Uporabniki lahko tudi izboljšajo natančnost z diferencialnim GPS-om (DGPS), ki GPS-signale popravi tako, da so obkroženi z običajno od tri do pet metrov. Ameriška obalna straža upravlja najpogostejšo storitev popravljanja DGPS. Sistem vsebuje razporeditev stolpov, ki pridobivajo signale GPS in oddajajo zahtevani signal s pomočjo oddajnikov. Z namenom, da dobijo natančen signal, morajo imeti uporabniki poleg GPS-a tudi diferencialni sprejemnik svetilnika in anteno svetilnika.
Viri napak GPS signala
Dejavniki, ki lahko pokvarijo natančnost signalov GPS in s tem vplivajo na natančnost, vključujejo naslednje:
- Ionosfera in troposfera zamujata - Satelitski signal se upočasni, ko prečka plasti ozračja. Sistem GPS uporablja vgrajeni model, ki se uporablja za izračun običajnega trajanja ovir, potrebnih za odpravo te vrste netočnosti.
- Signal multipath - do te napake pride, ko se signal odbije od predmetov, kot so višje zgradbe in večje kamenje, preden doseže sprejemnik. To poveča skupno trajanje potovanja signala in povzroči napake in netočnost.
- Orbitalne napake - Te napake so znane tudi kot napake ephemeris, ki se uporabljajo za izračun netočnosti lokacije satelita.
- Število vidnih satelitov - natančnost je odvisna od natančnega števila satelitov, ki jih lahko vidi sprejemnik GPS. Dejavniki, kot so zgradbe, teren, elektronske motnje, blokirajo natančnost in sprejem signala, kar povzroči napako v položaju in včasih odčitavanje signalov. Običajno ne deluje v zaprtih prostorih, pod vodo in pod zemljo.
Aplikacije
Naprava GPS ni samo za vojaško uporabo splošno znana po svoji uporabi v civilnih in komercialnih storitvah. Nekatere civilne aplikacije so:
1. Astronomija: Uporablja se pri izračunih astronomije in nebesne mehanike.
2. Avtomatizirana vozila: Uporablja se tudi v avtomatiziranih vozilih (vozila brez voznika) za namestitev lokacij za avtomobile in tovornjake.
3. Celična telefonija: Sodobni mobilni telefoni so opremljeni s programsko opremo za sledenje GPS. Prisoten je, ker lahko poznamo svoj položaj in lahko tudi sledimo bližnjim pripomočkom, kot so bankomati, kavarne, zadrževalni sistemi itd. Prvi GPS z omogočenim mobilnim telefonom je bil uveden v devetdesetih letih prejšnjega stoletja. V celični telefoniji se uporablja tudi pri zaznavanju klicev v sili in številnih drugih aplikacijah.
4. Pomoč ob nesrečah in druge nujne službe: GPS je v primeru naravne nesreče najboljše orodje za prepoznavanje lokacije. Že pred nesrečami, kot so cikloni, GPS pomaga pri izračunu predvidenega časa.
5. Sledenje floti: GPS je razvijalno orodje, znano po svojem potencialu za sledenje vojaškim ladjam med vojno.
6. Lokacija avtomobila: Avto, ki podpira GPS, olajša sledenje njegovi lokaciji.
7. Geo ograje: Pri geo ograji uporabljamo GPS za sledenje človeku, živali ali avtomobilu. Naprava je pritrjena na vozilo, osebo ali na ovratniku živali. Omogoča neprekinjeno sledenje in posodabljanje.
8. Geografsko označevanje: ena glavnih aplikacij je geografsko označevanje, kar pomeni uporabo lokalnih koordinat na digitalnih objektih.
9. GPS za rudarstvo: uporablja natančnost določanja položaja na ravni centimetrov.
10. GPS ture: pomaga pri določanju lokacije bližnjih zanimivih točk.
11. Geodetske raziskave: Geodeti za načrtovanje zemljevidov uporabljajo sistem globalnega določanja položaja.