Sustav za globalno poziciorniranje (GPS)

1. Sustav za globalno poziciorniranje (GPS) Ivan Ćendo

2. Navigacija - smislenokretanje u prostornoplaniranimrutama, uzodređivanjenavigacijskihveličina (pozicija, smjer), uspoređujućistvarneparametre s isplaniranomrutom.RadilakšegsnalaženjanazemljoviduiodređivanjapozicijenaZemljinojpovršini, svaka točkanazemaljskojkuglikarakterizirana je zemljopisnomduljinomi širinom.Zaobjekte u zraku, npr.letjelice, potrebnesutri koordinate, te se određujeivisinaobjekta.

3. Elektroničkanavigacijakoristi se elektroničkimuređajimakojiemitirajuiprimajuelektromagnetskevalove s pomoću kojih se određujepozicija. Korisničkiprijamnikobrađujesignalekoje prima od zemaljskihradionavigacijskihpostajailinavigacijskihsatelita. Pozicijakorisnikanalazi se u presjecištudvajuilitrijulinijapozicije (stajnica) kojemogu biti pravci, hiperbole, ili za slučaj GPS-a, kružnice.

4. Što je GPS ? • GPS (Global Positioning System) je sustav kojim se može precizno odrediti položaj korisnika na kopnu, na moru ili u zraku. Sustav omogućuje korisnicima da dobiju trenutne informacije o poziciji, brzini i točnom vremenu bilo gdje na Zemlji ili u zraku. • Pronašao je široku primjenu u svim područjima znanosti i tehnologije koji koriste prostorno definirane informacije. • Mogućnost izračuna koordinata 24 sata dnevno bez obzira na meteorološke prilike, vrlo brzo su GPS-prijamnike učinile korisnim i općeprihvaćenim terenskim instrumentom.

5. GPS je razvijen i nadgledan od strane američkog Ministarstva obrane, a izvorno je nazvan NAVSTAR (Navigation System with Timing and Ranging). Primarno je bio namijenjen za vojne svrhe, ali je u međuvremenu dopuštena i civilna uporaba. • Za ispravan rad cjelokupnog sustava važno je da sateliti emitiraju točne podatke na temelju kojih prijamnici izračunavaju poziciju. • GPS satelitski sustavi ne omogućuju civilnim korisnicima uvid u stanje ispravnosti satelita, pa korisnik ne zna za eventualne pogreške u određivanju pozicije.

6. Tri osnovna segmenta GPS-a : • svemirski - sateliti koji odašilju signale • kontrolni - upravlja cijelim sustavom • korisnički - uključuje različite tipove prijamnika

7. Svemirski segment • Sastoji se od 24 satelita koji se gibaju u kružnoj orbiti na visini od 20 200 kilometara iznad Zemljine površine, s periodom rotacije od približno 12 sati. • Punu konstelaciju čine 24 satelita raspoređenih u 6 ravnina s inklinacijom od 55°, čime se jamči globalna prekrivenost s 4 do 8 satelita. Sateliti su tako složeni u orbite da GPS-prijamnik na Zemlji može uvijek primati signale s barem četiri od njih. • Trenutno ih je aktivno 30, pri čemu su šest prekobrojnih rezervni aktivni sateliti.

9. Osnovni zadatak GPS-satelita je odašiljanje radio signala pomoću kojih se mjeri udaljenost između satelita i prijamnika. Sateliti odašilju signale na dvije frekvencije; L1 (1575.42 MHz)i L2 (1227.6 MHz), a šalje se širokopojasni BPSK (Bi-Phase Switched keyed) digitalni signal za mjerenje udaljenosti, koji u sebi sadržava navigacijsku poruku. Karakteristike odaslanih signala precizno su kontrolirane atomskim satovima, koji se nalaze u svakom satelitu. Signal se šalje na obje frekvencije (L1 i L2), ali u dva različita oblika – kao C/A kod (coarse/acquisition) na frekvenciji L1 i kao P(Y) kod na frekvencijama L1 i L2. C/A kod služi za grubo mjerenje i ima frekvenciju izmjene bitova 1.023 MHz, dok je P(Y) kod 10 puta gušći s frekvencijom izmjene bita od 10.23 MHz. Za određivanje položaja prijamnika dovoljno je primati samo jedan od ova dva koda (obično C/A), jer jeP(Y) kod je pristupačan samo ovlaštenim korisnicima budući da je kriptiran.

10. Kontrolni segment • Kontrolni segment obuhvaća glavnu komandnu stanicu, opažačke stanice i zemaljske kontrolne stanice. • Glavna kontrolna stanica smještena je u Falconu, Colorado Springs, Colorado. • Ovdje se sakupljaju podaci s opažačkih stanica, računaju putanje satelita i parametri sustava. • Podaci se potom prosljeđuju jednoj od tri zemaljske stanice, radi eventualnog slanja prema satelitima. • Zemaljske kontrolne stanice odašilju satelitu podatke o efemeridama i o satovima satelita izračunate u glavnoj kontrolnoj stanici • Efemeride su točni podaci o položaju satelita, vrijede do šest sati.

11. Korisnički segment Predstavlja krajnje uređaje za mjerenje položaja, brzine i vremena. Prvo se iz kašnjenja signala na putu satelit-prijamnik određuje udaljenost koja definira sferu oko poznatog položaja satelita u trenutku odašiljanja. Odredi li se ispravno takva sfera za tri satelita, njihovo je sjecište na koordinatama prijamnika (treba dakle riješiti sustav jednadžbi kojima su definirane te tri sfere).

13. Određivanje položaja GPS sustavom Temelji se na vrlo preciznom mjerenju udaljenosti između satelita i prijamnika. Udaljenost se mjeri posredno mjereći vrijeme koje je potrebno da bi signal stigao od satelita do prijemnika (pseudoudaljenost). Prilikom mjerenja vremena potrebnog da signali stignu sa tri satelita, prijemnik formira tri kugle stajnice koje se sijeku u jednoj točki. Zbog moguće greške u mjerenju izmjerena udaljenost biti će samo aproksimacija prave udaljenosti jer bi greška od 0,1 mikro sekunde značila grešku od 300 m na korisničkoj strani. Prijemnik smanjuje grešku mjerenja vremena usklađivanjem vremena na satelitu i prijamniku. Nakon automatskih metoda korelacije, položaj prijemnika definiran je Kartezijevim koordinatama koje prijemnik pretvara u geografsku dužinu i širinu.

14. Nakon što prijamnik očita podatke s barem 4 satelita te navigacijsku poruku, pristupa se matematičkoj obradi u cilju računanja PVT solucije (Position, Velocity, Time). • Sustav od četiri jednadžbe s 4 nepoznanice

15. Diferencijalni GPS • Koristi se jedan fiksni prijamnik na točno poznatim koordinatama, koji inverznim algoritmom iz poznatih koordinata računa parametre signala kojeg bi sa satelita trebalo primati, te odašilje korekcije okolnim prijamnicima. • Diferencijalnom korekcijom ostvariva je točnost od nekoliko metara • prilikom mjerenja u pokretu, a još i bolja za stacionarne aplikacije . • Usluga se naplaćuje

16. Budućnost ? • Nova generacija satelita, poznatih pod nazivom Block III, poboljšat će preciznost vojnih i civilnih sustava za globalno pozicioniranje, koji će lokaciju moći odrediti unutar tri stope (91,4 centimetra), umjesto dosadašnjih deset stopa (nešto preko tri metra). • Američke zračne snage namjeravaju kupiti i lansirati 32 nova Block III satelita tijekom idućih par godina, što će koštati oko 5,5 milijardi dolara uključujući i nadogradnju zemaljskog sustava za upravljanje.Po procjenama američkog Kongresa, cijeli bi projekt mogao koštati daleko više - 22 milijarde dolara do 2025. godine. • Lockheed Martin već dobio sredstva za izradu prototipa