Global Positioning System

A Global Positioning System ( GPS ) (franciául: "Système Mondial lerakódás" [szó] vagy a "Geo-pozicionálás műhold"), eredeti nevén Navstar GPS , egy műholdas helymeghatározó rendszer tulajdonában a szövetségi kormány. Az Egyesült Államokban . Az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma által 1973-tól katonai célokra létrehozott huszonnégy műholdat tartalmazó rendszer 1995-ben teljes mértékben működőképes volt.

A műholdak által továbbított jeleket bárki szabadon fogadhatja és használhatja. A felhasználó, akár szárazföldön, akár a tengeren, akár a levegőben, soha nem látott pontossággal tudja megismerni helyzetét a Föld felszínén vagy annak közelében, bárhol és bármikor , mivel „ GPS-sel van ellátva. vevő és a kapott információk feldolgozásához szükséges szoftver.

A működési elv a műholdak által kibocsátott szinkronizált elektromágneses jelek trilaterációján alapul . A helymeghatározás pontosságának biztosítása érdekében a GPS-rendszer kifinomult technológiákat alkalmaz: fedélzeti atomórákat , relativisztikus hatások kompenzálását , megfigyelő és szinkronizáló állomások felállítását . A kiszámított földkoordináták a WGS 84 geodéziai rendszerre vonatkoznak .

Kereskedelmi szempontból a GPS nagyon sikeres, és számos területen számos fejlesztést generál: tengeri, szárazföldi és légi navigáció , kereskedelmi flották (hajók, repülőgépek, teherautók) elhelyezkedése, az útvonalak nyomon követése és nyomon követése, az útvonal relevanciájának értékelése. A "GPS chipek" integrálása az okostelefonokba megsokszorozza a háztartási vagy az egyéni felhasználást. A tudományos világban, hogy precíz lokalizáció és a szinkronizálás lehetővé teszi, hogy dolgozzon, és kihasználják az új alkalmazások: geodézia , szinkronizáció között atomórák, tanulmány a légkör , stb

Európa, Kína, Oroszország és India, tudatában egy ilyen műholdas helymeghatározó rendszer stratégiai érdeklődésének, évek óta fejlesztik egymással versengő rendszereket.

Bemutatás

A GPS legalább huszonnégy műholdat tartalmaz, amelyek 20 200 km magasságban keringenek . Hat elkülönített pályára oszlanak, négy pályánként négy műholddal. Ezek a műholdak folyamatosan két, L1 (1 575,42 MHz ) és L2 (1 227,60 MHz ) fázis modulált ( BPSK ) frekvenciát sugároznak egy vagy több ál-véletlenszerű kóddal , pontosan az atomórájuknak köszönhetően , és egy navigációs üzenettel. Ez az 50 bit / s sebességgel továbbított üzenet különösen az efemeristákat tartalmazza, amelyek lehetővé teszik a műholdak helyzetének kiszámítását, valamint a belső órájukra vonatkozó információkat . A kódok egy 1,023 Mbit / s és 1 ms periódusú áramlási sebesség C / A kódja (rövidítés: " durva felvétel ", franciául: "nyers megszerzés") , és a 10 áramlási sebesség P ("pontos" kifejezés). , 23 Mbit / s és periódus 1 hét. Az első szabadon hozzáférhető, a második az engedélyezett felhasználókra korlátozódik, mivel általában titkosítva van: Y kódnak hívják . A polgári szektorban értékesített vevőkészülékek a C / A kódot használják . Egyes nagy pontosságú alkalmazások vevői, mint például a geodézia , olyan technikákat valósítanak meg, amelyek lehetővé teszik a P kód használatát annak ellenére, hogy az Y kódot kódolják .

Így egy GPS-vevő, amely legalább négy, több atomerőművel ellátott műhold jelét rögzíti , azáltal, hogy kiszámítja e jelek terjedési idejét a műholdak és saját maga között, meg tudja ismerni a távolságot hozzájuk viszonyítva, és háromoldalú úton pontosan meg tudja határozni három dimenzió bármely pontja, amely a GPS-műholdak láthatósága alatt helyezkedik el, 3–50 m pontossággal a normál rendszer számára. A GPS-t tehát gördülő járművek, hajók, repülőgépek, rakéták és akár alacsony pályán mozgó műholdak felkutatására használják.

A pontosságot tekintve általában vízszintes helyzetben van 10 m-en belül . Mivel a GPS az amerikai hadsereg számára kifejlesztett rendszer, szelektív elérhetőséget terveztek: bizonyos információk, különösen a műholdas órára vonatkozó információk, szándékosan ronthatók, és megfoszthatják azokat a vevőket, amelyek nem rendelkeznek a maximális pontosságú megfelelő kódokkal. Így néhány évig a civilek csak kis pontossággal (kb. 100 m ) juthattak hozzá . A1 st május 2000, Bill Clinton elnök bejelentette, hogy véget vet a szolgálat ezen önkéntes degradációjának.

Néhány nagyon meghatározott felhasználásra tervezett GPS-rendszer néhány milliméteres távolságot tud biztosítani. A differenciális GPS (DGPS) így korrigálja a hagyományos GPS által elért helyzetet a referencia földi állomástól nagyon pontosan elhelyezett adatok által küldött adatok alapján. Más autonóm rendszerek, amelyek pontosítják helyüket nyolc órás expozíció alatt, egyenértékű eredményeket érnek el.

Bizonyos esetekben csak három műhold lehet elegendő. A magasság helye (Z tengely) nem azonnal helyes, míg a hosszúság és szélesség (X és Y tengely) még mindig jó. Ezért három műholddal elégedettek lehetünk, ha "sík" felszín felett repülünk (óceán, tenger). Ez a fajta kivétel különösen hasznos olyan repülő eszközök (például repülőgépek ) pozicionálásához, amelyek nem támaszkodhatnak egyedül a GPS-re, ami túl pontatlan ahhoz, hogy megadják nekik a magasságukat . Mindazonáltal létezik a WGS 84-hez társított globális geoid modell, az úgynevezett " Earth Gravity Model 1996 " vagy EGM96, amely lehetővé teszi a WGS 84 koordináták alapján , hogy a jelentett tengerszint feletti magasságokat körülbelül 1 m pontossággal meghatározzák . A fejlett GPS-vevők tartalmazzák ezt a modellt, hogy reálisabb magasságot biztosítsanak.

Történelem

Eredetileg a GPS az Egyesült Államok fegyveres erőinek kutatási projektje volt . Az 1960-as évek végén indították Richard Nixon elnök utasítására . A megvalósítást Ivan A. Gettingre (en) bízták meg, aki megfogalmazta a GPS-vevők által felvett UHF rádióhullámok körül keringő és sugárzó műholdak csoportjának elvét .

Korábbi programokon alapul, beleértve a SECOR-ot , a műholdak sorozatát, amelyeket geodéziai mérések elvégzésére használnak .

Az első műholdat 1978- ban dobták fel . A 1995 , a telepítési és 24 működő műholdból (plusz 4 tartalék) befejeződött. Ezután a rendszer működőképessé válik.

Ronald Reagan elnök 1983-ban, a Korean Air Lines 007-es járatának 269 utasának halálát követően azt javasolta, hogy a GPS-technológiát működésük után ingyenesen bocsássák a civilek rendelkezésére. A megfelelő műholdak felépítése céljából 1989-től indítottak egy második műhold-sorozatot.

1995-ben a rendelkezésre álló műholdak száma lehetővé tette a GPS állandó működését az egész bolygón, körülbelül száz méteres pontossággal, polgári használatra. 2000-ben Bill Clinton elnök megerősítette a polgári célú technológia iránti érdeklődést, és engedélyezte a GPS-jelek korlátlan terjesztését, lehetővé téve a tíz méteres pontosságot és a technológia demokratizálását a nagyközönség számára a 2000-es évek közepétől .

Az Egyesült Államok tovább fejleszti rendszerét a műholdak cseréjével és hozzáadásával, valamint kiegészítő GPS jelek biztosításával, amelyek pontosabbak és kevesebb energiát igényelnek a vevő készülékektől. Az interoperabilitási megállapodást megerősítették a GPS-rendszerek és a Galileo között is , hogy a két rendszer ugyanazokat a frekvenciákat tudja használni és biztosítsa a kompatibilitást közöttük.

Két másik rendszereket fejlesztett ki Oroszország , GLONASS származó 1980 és Kína, Beidou kezdeményezett 2000 .

Fogalmazás

A GPS három elemcsoportból (ún. Szegmensekből) áll: a Föld körül keringő műholdakból (űrszegmens); földi irányító állomások (vezérlő szegmens); és a felhasználók GPS-vevői (felhasználói szegmens).

Űrszegmens

Az űrszegmens 31 működő műhold konstellációjából áll, de az adott időpontban üzemelő műholdak száma változhat (lásd a táblázatot), attól függően, hogy a vezérlő szegmens milyen műveleteket határoz meg. A csillagkép 24 fő műhold köré szerveződik, amelyek biztosítják a GPS globális elérhetőségét, amely feltételezi, hogy legalább négy műhold látható a földről a világ bármely pontján. Mindig több műhold van a pályán annak érdekében, hogy e 24 helyszínt kimaradás esetén is tele lehessen. 2011-től a fő konstelláció konfigurációját 27 helyre növelték a jobb globális lefedettség biztosítása érdekében. A műholdak hat, az Egyenlítőn mintegy 55 ° -os dőlésszögű pályán mozognak . Követnek kvázi kör alakú pályára sugarú mintegy 26,600 km (azaz a tengerszint feletti magasság 20,200 km ), amely úgy terjed ki 11 óra 58 perc 2 s , azaz egy sziderikus fél nap . Így a műholdak a földről nézve egy sziderális nap után ugyanabban a helyzetben vannak az égen .

Műholdak aktívak 2021. január 9

Műholdak	Szám
IIA. Blokk	0
IIR blokk	8.
IIR blokk (M)	7
IIF blokk	12.
III. Blokk	4
Teljes	31

A műholdak egymást követő generációit „Blokkoknak” nevezik:

I. blokk : Az I. blokk műholdak a rendszer első 11 műholdja, amelyeket 1978 és 1985 között állítottak pályára, a Rockwell International gyártotta, átlagosan 4,5 éves küldetésre és ötéves élettartamra szánták őket, de átlagos élettartamuk 8,76 év; egyikük még 10 évig is működött. Fő küldetésük a GPS különböző fogalmainak érvényesítése volt. Ma az I. blokk műholdak már nem szolgálnak;
II . Blokk : A II. Blokk műholdak az első működő GPS-műholdak. Számos fejlesztés történt ezeken a műholdakon az előző verzióhoz képest, különös tekintettel azok autonómiájára. 14 napig képesek maradni anélkül, hogy érintkeznének a talajszakasszal, miközben megtartják a kellő pontosságot. Kilenc műholdat indítottak el 1989-ben és 1990-ben. Bár élettartamukat 7,5 évre becsülték, többségük több mint tíz évig állt szolgálatban. Nincs aktív II. Blokk műhold;
IIA blokk : A IIA blokk műholdai , amelyek száma 19 és 1990 és 1997 között indultak el, megfelelnek a kezdeti II. Blokk műholdak továbbfejlesztett változatának. Ők vannak felszerelve két atomórák a cézium és két órákat Rubídium . 1993-tól a GPS működési szakaszának kezdetét jelölték. 2016 elején a IIA blokk utolsó műholdja 25 év szolgálat után megszűnt;
IIR blokk : A blokk IIR műholdak jobb autonómiával rendelkeznek, a Lockheed Martin Corporation gyártja , és 1997 és 2009 között kerülnek pályára, üzeneteket továbbíthatnak egymásnak a földön való érintkezés nélkül, lehetővé téve ezzel a rendszer üzemeltetőinek a működését. közvetlen kommunikációban képes kommunikálni a számukra elérhetetlen műholdakkal. Három atomi rubídium órával vannak felszerelve. Huszonegy Block IIR műholdat indítanak, utoljára2009. augusztus 17. Az utolsó nyolcat az IIR-M betűszó jelöli, mert új polgári törvénykönyvet (L2C) bocsátanak ki az L2 frekvencián, új katonai kódokat (M) az L1 és L2 frekvenciákon. Az IIR-M7 műholdat úgy módosítják, hogy továbbítsa az új jelet az L5 frekvencián, a Block IIF műholdakra telepítve;
IIF blokk : 12 blokk IIF ( Follow-On ) műholdat épített a Boeing , a sorozat elsőjét2010. május, az utolsó ben 2016. február. Ezek a műholdak új polgári jelet bocsátanak ki az L5 frekvencián;
III. Blokk : A III. Blokk első tíz műholdját a Lockheed Martin Corporation építette . Új polgári jelet (L1C) bocsátanak ki az L1 frekvencián. Az első III. Blokk műholdat indítják 2018. december 23 .

Vezérlő szegmens

Ez az a rész, amely lehetővé teszi a rendszer vezérlését és felügyeletét. Ez alkotja az öt földi állomások a 50. hely Wing a légierő Space Command , székhelye Schriever Air Force Base a Colorado (a mester állomás székhelye Colorado Springs ) a Cheyenne Mountain Base . Feladatuk a műholdak által továbbított információk (efemerek, óra paraméterek) frissítése és helyes működésük ellenőrzése.

Felhasználói szegmens

A felhasználói szegmens összesíti az összes katonai és polgári GPS-vevőt, amely GPS-műholdakból érkező jeleket fogad és használ a pozíció-, sebesség- vagy időadatok kiszámításához. Mivel a felhasználók csak fogadnak (nem továbbítanak a műholdaknak), a rendszer nem lehet telített, és a GPS-felhasználók maximális száma korlátlan.

2014-ben a GPS-vevők teljes számát 3,6 milliárdra becsülik. A legtöbb az integrált GPS-szel rendelkező okostelefonok száma: 3,08 milliárd, majd 260 millió navigációs eszköz követi őket közúti alkalmazásokhoz. A fennmaradó eszközök száma eloszlik a különböző alkalmazások között: egyéb közlekedés (repülés, vasút, tengerészet), domborzat , mezőgazdaság , kritikus infrastruktúra .

Működés elve

A GPS úgy működik, hogy kiszámítja a GPS-vevő és több műhold közötti távolságot. A vevőkészülékhez rendszeresen továbbított műholdak helyzetének kiszámításához szükséges információk, amelyek a műholdaktól elválasztó távolság ismeretének köszönhetően ismerhetik annak koordinátáit.

Kibocsátott jel

A GPS műholdak több kódolt jelet bocsátanak ki, polgári vagy katonai felhasználásra. A korlátlan felhasználásra szánt polgári jel megfelel az 1575 MHz-es hordozón továbbított C / A kódnak .

Ezen a hordozón a modulációs jel egy olyan szekvencia, amely a C / A álmodulus 2 modulo 2 hozzáadásából származik 1 Mbit / s sebességgel, és 50 bites / s sebességű adat, amely a műholdak efemeriszét és egyéb navigációs információkat tartalmaz. Ez a C / A kód, amelyet a vevőkészüléken használnak a vett jelrel való korrelációval, hogy meghatározzák az utóbbi továbbításának pillanatát.

A C / A kód ezen referenciaátviteli pillanata ismét ál-véletlenszerű kóddal modulálható, hogy rontja a földi helyzet meghatározását. Ezt a titkosítást " szelektív elérhetőségnekszelektív elérhetőség " ( szelektív elérhetőségnek ) nevezzük , növelve a rendszer pontosságát 10 m-rel, körülbelül 100 m-rel . 2000- ben polgári felhasználók nyomására hagyták el , és a DGPS fejlesztése miatt, amely nagyrészt kompenzálta ezt. Ez a lehetőség azonban mindig rendelkezésre áll a műholdak fedélzetén. Az SA magában foglalja az információ lebontásának lehetőségét is, amely lehetővé teszi a műholdak pályájuk helyzetének kiszámítását; soha nem használták.

A vevő műholdas távolságának mérése

A műholdak elektromágneses hullámokat ( mikrohullámokat ) küldenek, amelyek fénysebességgel haladnak . Ennek ismeretében ezután kiszámíthatjuk a műhold és a vevő közötti távolságot, ismerve az időt, amelyet a hullám ezen az úton haladt.

A hullám eléréséhez szükséges idő mérésére a GPS-vevő összehasonlítja a jelben szereplő átvitel idejét a hullám vevő általi vételének idejével. Ez a mérés után meg kell szorozni a sebességet a jel, egy ál-távolság , hasonló a távolság, de gátat szab hibát szinkronizálását órák a műholdas és a vevő, és a degradáció például miatt az átkelés a légkör. Az órahiba viszonylag rövid idő alatt modellezhető több műhold mérése alapján.

Pozíciószámítás

Ismerve a pozíciókat a műholdak idején továbbítása a jeleket, és a mért pszeudo-távolságok (lehetőleg korrigálni különböző tényezők kapcsolódnak különösen a terjedését a hullámok ), a számítógép a vevőkészülék képes megoldani egy rendszert egyenletek, amelyeknek négy ismeretlenje a vevő helyzete (három ismeretlen) és órájának eltolása a GPS időhöz képest. Ez a számítás lehetséges, amint rendelkezésre állnak négy műhold mérései; romlott módban három műholddal csak akkor lehet számítani, ha a magasság ismert ; amikor négynél több műhold látható (ez nagyon gyakran előfordul), a megoldandó egyenletrendszer bőséges: javul a számítás pontossága, és megbecsülhetjük a helyzet és az idő hibáit.

A kapott helyzet pontossága, minden más tényezőtől függetlenül, a rendszer geometriájától függ: ha a látható műholdak mind egy megfigyelési kúpban vannak, kis szögletes nyílással, a pontosság kevésbé lesz jó, mint ha rendszeresen elosztják őket nagy kúpban. A mérőrendszer geometriájának a pontosságra gyakorolt hatásait egy paraméter írja le: a DOP (a „ Precíziós hígítás ”, franciául „csillapítás” vagy „a pontosság csökkenése”): a H DOP a precíziós vízszintesre vonatkozik. , a T DOP az idő pontosságára, a V DOP a magasság feletti pontosságra. A várt pontosság annál jobb, mivel a DOP kicsi.

A navigációs egyenlet megoldása

A navigációs egyenlet megoldása a legkisebb négyzetek módszerrel és a Bancroft módszerrel történhet . Négy egyenletre van szükség (négy műhold).

Minden műholdas jel a következő egyenletet adja a vevőnek :
$\ rho _ {{i}} = c \ cdot \ left (t _ {{r _ {{i}}}} - t _ {{e _ {{i}}}} \ right) = {\ sqrt { \ balra (x_ {{i}} - x \ jobbra) ^ {{2}} + \ balra (y _ {{i}} - y \ jobbra) ^ {{2}} + \ balra (z _ {{ i}} - z \ jobbra) ^ {{2}}}} + c \ Delta t$

$\ rho _ {{i}}$ az elméleti távolság (azaz a vevő belső órájának tökéletes szinkronizálásához, azaz ) a műholdhoz ; $\ Delta t = 0$ $én$
$\ balra (x _ {{i}}, y _ {{i}}, z _ {{i}} \ jobbra)$ a műhold helyzete ; $én$
$\ bal (x, y, z \ jobb)$ a vevő helyzetét;
$vs.$ a fény sebessége vákuumban;
$\ Delta t$ a vevő belső órájának eltolása (a vevő nem rendelkezik kellően pontos belső órával);
$válogató}}}}$ a műhold által kibocsátott jel vételének ideje . $t _ {{e _ {{i}}}}$ $én$

Négyzettel kapjuk: Aztán kibővítve:
$\ balra (\ rho _ {{i}} - c \ Delta t \ jobbra) ^ {{2}} = \ balra (x _ {{i}} - x \ jobbra) ^ {{2}} + \ balra (y _ {{i}} - y \ jobb) ^ {{2}} + \ bal (z _ {{i}} - z \ jobb) ^ {{2}}$

$\ balra (x _ {{i}} ^ {{2}} + y _ {{i}} ^ {{2}} + z _ {{i}} ^ {{2}} - \ rho _ {{ i}} ^ {{2}} \ jobbra) -2 \ balra (x _ {{i}} x + y _ {{i}} y + z _ {{i}} z- \ rho _ {{i }} c \ Delta t \ right) + \ left (x ^ {{2}} + y ^ {{2}} + z ^ {{2}} - \ left (c \ Delta t \ right) ^ {{ 2}} \ jobbra) = 0$

Ezután be tudjuk vezetni , és a Lorentz ál-skaláris terméket, amely bármely kvadrivektorra és az által definiált . Az előző egyenletet a következőképpen írjuk át: ${\ mathbf {s}} _ {{i}} = \ balra [{\ begin {array} {cccc} x _ {{i}} & y _ {{i}} & z _ {{i}} & \ rho _ {{i}} \ end {tömb}} \ jobb] ^ {{\ top}}$ ${\ mathbf {u}} = \ balra [{\ begin {array} {cccc} x & y & z & c \ Delta t \ end {tömb}} \ jobbra] ^ {{\ top}}$ $\ mathbf {u}$ ${\ mathbf {vb}}$ $\ left \ langle {\ mathbf {u}}, {\ mathbf {v}} \ right \ rangle = u _ {{1}} v _ {{1}} + u _ {{2}} v _ {{ 2}} + u _ {{3}} v _ {{3}} - u _ {{4}} v _ {{4}}$
${\ frac {1} {2}} \ left \ langle {\ mathbf {s}} _ {{i}}, {\ mathbf {s}} _ {{i}} \ right \ rangle - \ left \ langle {\ mathbf {s}} _ {{i}}, {\ mathbf {u}} \ right \ rangle + {\ frac {1} {2}} \ left \ langle {\ mathbf {u}}, {\ mathbf {u}} \ right \ rangle = 0$

Az összes rendelkezésre álló jel mátrix formába helyezésével a következőket kapjuk :
$B {\ mathbf {u}} = {\ mathbf {a}} + \ Lambda {\ mathbf {e}}$

${\ mathbf {a}} = {\ frac {1} {2}} \ left ({\ begin {array} {c} \ left \ langle {\ mathbf {s}} _ {{1}}, {\ mathbf {s}} _ {{1}} \ right \ rangle \\\ left \ langle {\ mathbf {s}} _ {{2}}, {\ mathbf {s}} _ {{2}} \ right \ rangle \\\ vdots \ end {tömb}} \ jobb)$
$B = \ balra ({\ begin {array} {cccc} x _ {{1}} & y _ {{1}} & z _ {{1}} & - \ rho _ {{1}} \\ x _ {{2}} & y _ {{2}} & z _ {{2}} & - \ rho _ {{2}} \\\ vdots & \ vdots & \ vdots & \ vdots \ end {tömb} } \ jobb)$
$\ Lambda = {\ frac {1} {2}} \ left \ langle {\ mathbf {u}}, {\ mathbf {u}} \ right \ rangle$
${\ mathbf {e}} = \ balra [{\ begin {array} {ccc} 1 & 1 & \ cdots \ end {array}} \ right] ^ {{\ top}}$

Megjegyzés: a sorok száma , és meg kell egyeznie, és nagyobb vagy egyenlő, mint 4. ${\ mathbf {a}}$ $B$ ${\ mathbf {e}}$

Ha állandónak vesszük , akkor az előző egyenlet megoldható a legkisebb négyzetek módszerével, amely megoldást ad: a . $\ Lambda$
${\ mathbf {u}} ^ {{\ star}} = B ^ {{+}} \ balra ({\ mathbf {a}} + \ Lambda {\ mathbf {e}} \ jobbra)$ $B ^ {{+}} = \ balra (B ^ {{\ top}} B \ jobbra) ^ {{- 1}} B ^ {{\ top}}$

Ezután felhasználhatjuk és megoldhatjuk az így definiált egyenletet, amelynek megoldásai egy másodfokú polinom gyökerei : $\ Lambda = {\ frac {1} {2}} \ left \ langle {\ mathbf {u}}, {\ mathbf {u}} \ right \ rangle = {\ frac {1} {2}} \ left \ B ^ {{+}} \ bal szög ({\ mathbf {a}} + \ Lambda {\ mathbf {e}} \ jobb), B ^ {{+}} \ bal ({\ mathbf {a}} + \ Lambda {\ mathbf {e}} \ right) \ right \ rangle$
$\ Lambda ^ {{2}} \ left \ langle B ^ {{+}} {\ mathbf {e}}, B ^ {{+}} {\ mathbf {e}} \ right \ rangle +2 \ Lambda \ bal (\ left \ langle B ^ {{+}} {\ mathbf {a}}, B ^ {{+}} {\ mathbf {e}} \ right \ rangle -1 \ right) + \ left \ langle B ^ {{+}} {\ mathbf {a}}, B ^ {{+}} {\ mathbf {a}} \ right \ rangle = 0$

A vevő óra eltolása

A nehézséget a műholdak és a vevő óráinak szinkronizálása jelenti. Az egymillió másodperces hiba 300 méter hibát okoz a helyzetben. A vevő természetesen nem részesülhet olyan atomórából, mint a műholdak; ennek ellenére meglehetősen stabil órával kell rendelkeznie, amelynek ideje azonban eleve nem szinkronizált a műholdakéval. Legalább négy műhold jeleire van szükség ennek az eltolásnak a meghatározásához, mivel meg kell oldani legalább négy matematikai egyenletből álló rendszert négy ismeretlennel, amelyek a három dimenzióban vannak, plusz a vevő óra eltolása l GPS idővel ( lásd fent).

Lehetséges hibák

A legtöbb vevő képes finomítani számításait több mint négy műhold segítségével (ami pontosabbá teszi a számítási eredményeket), miközben eltávolítja azokat a forrásokat, amelyek megbízhatatlannak tűnnek, vagy túl közel vannak egymáshoz ahhoz, hogy a megfelelő mérést biztosítsák, a fentiek szerint.

A GPS azonban nem használható minden helyzetben. Különösen a GPS által történő geolokáció szinte lehetetlen az épületek belsejében. Például a beltéri geolokációra képes okostelefonok nem a GPS helymeghatározást használják ilyen speciális körülmények között, hanem a rendelkezésre álló különféle WIFI hálózatok. A NAVSTAR műholdak által kibocsátott jel meglehetősen gyenge, és különböző tényezők befolyásolhatják a lokalizáció pontosságát: a légköri rétegek keresztezése többek között vízcseppek jelenlétével, a fák egyszerű levelei részben vagy egészben képesek elnyelni jel és a "kanyonhatás", amely különösen szurdokban, hegyekben (innen származik neve) vagy városi területeken ( városi kanyonjelenség ( fr ) ) észrevehető . Ez egy műhold által a dombormű által okozott okkultációból áll (például épület); vagy még rosszabb, ha a jel visszhangja egy olyan felületen van, amely nem akadályozza meg a lokalizációt, de hamis lokalizációt biztosít: ez a GPS-jelek többutas útjának problémája .

Egyéb hibák is előfordulhatnak, amelyek nincsenek összefüggésben a mérőközeggel vagy a légköri természettel. Ezek szisztematikus hibák, például orbitális elmozdulások vagy akár az atomóra késése, amely kiszámítja a mérés idejét. A vevő (vagy a rendszerben lévő egyéb elektronikus eszközök) nem megfelelő kalibrálása szintén mérési hibát okozhat.

Troposzférikus és ionoszférikus korrekciók

Akadályok hiányában azonban továbbra is jelentős zavaró tényezők szükségesek, amelyek megkövetelik a számítási eredmények korrigálását. Az első a légkör alsó rétegeinek, a troposzférának a keresztezése . A nedvesség jelenléte és a troposzféra nyomásának változásai módosítják az n törésmutatót , így a rádiójel terjedési sebességét és irányát . Ha a hidrosztatikus kifejezés jelenleg jól ismert, a nedvesség okozta zavarokhoz a korrekció érdekében meg kell mérni a vízgőz pontos profilját a magasság függvényében, ezt az információt nehéz összegyűjteni, kivéve rendkívül drága eszközökkel. lidarok , amelyek csak töredékes eredményeket adnak. A jelenlegi vevők egy korrekciós modellt tartalmaznak.

A második zavaró tényező az ionoszféra . Ez a napsugárzással ionizált réteg módosítja a jel terjedési sebességét. A legtöbb vevő integrálja a korrekciós algoritmust, de erős naptevékenységi időszakokban ez a korrekció már nem elég pontos. Ennek a hatásnak a finomabb korrigálása érdekében bizonyos kettős frekvenciájú vevőkészülékek arra használják, hogy a GPS-jel két L1 és L2 frekvenciáját nem érintik ugyanúgy, és így kiszámolják a tényleges zavart.

A 2017 , tizenhat éves zavar adatok GPS rendszerek napsugárzás által rögzített konstelláció huszonhárom műholdak, megnyílt a meteorológiai tudósok által National Laboratory Los Alamos , New Mexico .

A számítás helyi javítása

DGPS

A differenciális GPS ( differenciális globális helymeghatározó rendszer : DGPS) javítja a GPS pontosságát azáltal, hogy csökkenti a rendszer hibahatárát.

SBAS

Kiegészítő rendszereket vezettek be a pontosság és integritás javítása érdekében ( SBAS , műholdas alapú augmentációs rendszer ), mint például Észak-Amerikában a WAAS , Japánban az MSAS , Európában az EGNOS vagy Indiában a GAGAN. Mindegyikük ugyanazon az elven alapul: regionális vagy kontinentális földi állomások hálózata, egy vagy több mesterállomás, amelyek központosítják az állomás adatait és továbbítják a geostacionárius műholdaknak, amelyek újból sugározzák az információkat a földre a megbízhatóság és a pontosság javítása érdekében. GPS adatok és figyelmeztetik a felhasználót az egyik műhold meghibásodása esetén.

Más országok SBAS rendszer telepítésére készülnek: SDCM az Orosz Föderáció számára, BDSBAS Kínának és K-SBAS Dél-Korea számára.

A megszerzett információk konvertálása

Helymeghatározás

A vevő földi koordinátáit egy geocentrikus derékszögű koordináta-rendszerben számítják ki, három tengellyel (X, Y, Z), amelyek a földi tömegek súlypontjából származnak ( geodéziai rendszernek nevezett rendszer ). Annak érdekében, hogy ezek a koordináták könnyen kihasználhatók legyenek, azokat földrajzi koordinátákká ( szélesség , hosszúság , magasság ) kell átalakítani , amely rendszer a térképészeti ábrázolásban széles körben elterjedt .

Ezt az átalakítást a GPS-vevő utófeldolgozásával hajtják végre, alapértelmezés szerint a WGS 84 geodéziai rendszert ( World Geodetic System 84 ) használva . Ez a világon leggyakrabban használt rendszer referenciát jelent, amely megfelel a globális navigációs rendszer céljainak. A magasság nem mindig közvetlenül hasznosítható, a WGS 84 geodéziai rendszerben számított ellipszoid magasság és a geodéziai magasság közötti különbség miatt . Ez a variáció lokálisan több tíz métert is elérhet. A legkifinomultabb vevők geodéziai korrekciós modellekkel rendelkeznek, és a térképekéhez hasonló magasságot jeleznek. A kapott koordináták kifejezhetők más geodéziai rendszerekben, például egy régióban vagy egy országban, vagy egy másik térképészeti vetítési rendszerben. Franciaországban a referenciarendszer továbbra is gyakran NTF , bár a hivatalos geodéziai rendszer ma RGF93 , ami nagyon kevéssé különbözik a WGS 84-től .

Idő és szinkronizálás

A földrajzi koordináták kiszámításához meg kell számítani a vevő belső órájának a "GPS idővel" eltöltött eltolását, és ezért az UTC idő eltolását . A vevő órája a másodpercek százmilliomodperc pontossággal szinkronizálódik a műholdak óráival. Ez a nagyon pontos hozzáférés az UTC időhöz lehetővé teszi a külső óra nagyon pontos frekvenciájú vezérlését vagy a távoli órák szinkronizálását. Ezt a lehetőséget széles körben kihasználják a tudományos világban. Például a GPS idő integrálása a szeizmikus megfigyelő hálózatokba lehetővé teszi a kutatók számára, hogy gyorsan megtalálják a földrengések és más szárazföldi jelenségek epicentrumát. A kommunikáció világában a nagy távközlési hálózatok tökéletesen szinkronizált berendezéseket igényelnek a megfelelő működéshez. A mobiltelefon és az adathálózatok GPS időt használnak arra, hogy valamennyi bázisállomásukat szinkronban tartsák.

Kartográfiai megjelenítés

A földi GPS-vevőkészülékek vagy GPS-chipkel rendelkező okostelefonok általában utómunkálati modult tartalmaznak, kartográfiai megjelenítési funkciókkal. Ezek a funkciók integrált földrajzi adatbázisokon alapulnak. Ezek a grafikonok (csomópontok) matematikai elméletén, valamint olyan algoritmusok használatán alapulnak, mint a GPS nélküli hely, a Floyd-Warshall , a Dijkstra, és lehetővé teszik például a két menet közötti legtöbb futás meghatározását. A Broadcom cég 2018-ra bejelentette egy GPS chip kiadását, amely 30 centiméteres pontossággal jeleníti meg a helyzetet.

A térképek beágyazhatók GPS-vevőkbe .

GPS és relativitáselmélet

A GPS a legelterjedtebb konkrét alkalmazás, amelynek működése magában foglalja a relativitáselméletet. Ha nem veszik figyelembe annak hatásait, a GPS navigációt túl nagy hibák rontják.

Különösen az időt - annak mérését - két feltétel befolyásolja: nagy sebességgel történő mozgás és a gravitációs tér magassága. Ez a két hatás megmagyarázza, hogy ugyanazon atomórának nem ugyanaz a frekvenciája a földön vagy a pályán. A GPS-műhold nézéséhez a két effektus nagy körsebességgel mozgó ellentétek, az üresjárati idő napi 7 mikroszekundum (7 mikroszekundum), míg a föld gravitációs terében fent helyezkedik el , ideje 45 µs-mal gyorsul fel naponta (lásd: számítás az általános relativitáselméleti kísérleti tesztekben ). A kettő összege miatt a GPS műhold földi órájának ideje naponta δt = 38 µs- mal halad előre . Ez tehát δt × c térbeli hibának felel meg, ahol c a fénysebesség, ezért 38 µs × 3 × 10 8 m / s = 11,4 km / nap sodródás .

Ezt a két fő hatást a relativitáselmélet modellezi:

az idő lassúsága - annak mérése - egy nagy sebességgel mozgó tárgyon vagy atomórán - idő dilatáció néven - elméleti és modelleződik a speciális relativitáselméletben ;
az ugyanabban a gravitációs mezőben magasabb helyen elhelyezkedő objektumon vagy atomórán mért idő - annak mérése - megfelel az általános relativitáselméletnek .

Történelmileg 1977-ben, amikor egy cézium- atomórát először az NTS-2 műhold pályára állítottak, kiszámították a relativitás hatásait, de egyesek kételkedtek a relativisztikus hatások valódiságában. Az első műholdas műsorszórás nem tartalmazott relativisztikus korrekciókat, de egy távolról aktiválható frekvenciaszintetizátort terveztek, amely ezt megtehette. Húsz nappal a pályára, a keringő atomóra mértük sodródó 4,425 × 10 -10 a földről, amely közel volt az elméleti számítás idején 4,465 × 10 -10 . Ezt követően a szintetizátort véglegesen aktiválták. A sodródás értéke csekélynek tűnhet, de sokkal fontosabb, mint egy 5 × 10 −14 nagyságrendű cézium atomóra pontossága .

Ezt az elmozdulást azóta figyelembe veszik a GPS-műholdak különböző formájú összes atomórájában. A cézium órák esetében a korrekció a földön történik, mielőtt pályára állítanák. A rubídium atomórák esete összetettebb, mivel kiszámíthatatlan frekvenciaugrást tapasztalhatnak az indítás során. A frekvenciát egyszer méri a pályán, de azt már közvetlenül nem korrigálják: a szükséges korrekciókat a navigációs üzenet tartalmazza. Egyéb relativisztikus hatások léteznek a GPS-ben. Némelyek elenyészőek a helymeghatározó alkalmazások elérni kívánt pontosságra való tekintettel, másokat figyelembe kell venni: például a GPS-vevők korrigálják a Sagnac-hatást a Föld forgása miatt.

A GPS hátrányai

Stratégiai függőség

A GPS egy olyan rendszert, amelyet az Egyesült Államok katonája tervez és az irányítása alatt áll. A jel ronthat, ami jelentős pontosságvesztést okozhat, ha az Egyesült Államok kormánya ezt kívánja. Ez az egyik érv az európai Galileo- rendszer létrehozása mellett, amely maga is polgári és elméleti pontossága magasabb. A GPS-jel minőségét az Egyesült Államok szándékosan rontotta 2000 májusáig , amikor a GPS pontossága autonóm módban akkor 100 méter körül volt. Ennek a Bill Clinton elnök által eltávolított önkéntes elakadásnak a vége óta 5–15 méteres a pontosság.

A GPS rendszert gyakran használják az idő szinkronizálására a GSM , UMTS és LTE mobiltelefon- hálózatok különböző komponensei között ; a jelromlás következményei kihatnának a kritikus infrastruktúrára .

A polgári vevők korlátai

A polgári GPS-vevők korlátozottak, így nem használhatók gyors fegyverrendszerekben, például ballisztikus rakétákban . A gyakorlatban a vevőnek már nem kell navigációs adatokat szolgáltatnia a maximális sebesség vagy magasság felett .

Történelmileg ezeket a határokat 515 m / s (1000 csomó) maximális sebességgel és 18 000 m (60 000 láb) maximális magassággal határozták meg .

Ők hívták COCOM határok után Koordináló Bizottság többoldalú Export Controls (COCOM), amelyet feloldunk bukása után a szovjet blokk 1994-ben ezt követően rendeletek GPS maradtak érvényben az Egyesült Államok szerint a nemzetközi fegyverkereskedelmi Szabályzat (ITAR), amely az érzékeny technológiák exportját az Egyesült Államokból és nemzetközi szinten szabályozza az 1987-ben létrehozott rakétatechnikai ellenőrzési rendszer (MTCR) alapján.

2013 óta az MTCR már nem korlátozza a polgári GPS alkalmazási területét a magasságban, és 600 m / s-ra növelte a sebességkorlátozást . 2014-től az Egyesült Államokban az ITAR korlátozások ugyanazt a korlátot alkalmazzák.

A visszaélésszerű megfigyelés kockázata

A nagyközönség tudatában közvetlen kapcsolat jön létre a GPS és a visszaélésszerű megfigyelés között, a " megküzdés " köznyelvi pejoratív kifejezést általában az ilyen rendszerek rontói használják. A megfigyelési eszközök azonban csak a GPS-t tartalmazzák a visszaélésszerű megfigyeléshez szükséges technológiai elemek egyikeként.

Maga a GPS nyomkövető készülék egy passzív rendszer, amely egyszerűen fogadja a műholdak jeleit, és azokból kap pozíciót. A GPS-műholdak hálózata ezért semmilyen információt nem kap a földön (vagy a repülőgépen vagy a hajón lévő) megfigyelő rendszerektől, és technikailag továbbra sem képes a terület megfigyelésére semmilyen módon.

Másrészt, különösen a közlekedés területén, a járművekbe telepített rendszerek hozzáadnak egy eszközt a GPS-sel kapott információk továbbításához. Ez az eszköz valós időben működhet, ilyenkor nagyon gyakran adatátviteli kapcsolatról van szó mobiltelefonon keresztül; vagy halasztott idő alatt működnek, az adatokat egy fizikai vagy rövid hatótávolságú rádiórendszer utólag tölti le . Alkalmazásuk általában szakemberek számára van fenntartva teherautók, személyszállító járművek (beleértve a taxikat is ), haszongépjárművek, helyreállítás vagy beavatkozás ellenőrzésére. Ezeknek a járműpark-követési eszközöknek az a célja, hogy a munkáltató biztosítsa, hogy alkalmazottja valóban elvégezze a kért munkát, vagy hogy a gépjárművet ne eltérítették. Javítja a járműpark kezelését is.

Az egyéneket folyamatos földrajzi helymeghatározásnak is alá lehet vetni (például forgalmi adatok esetén). Az információgyűjtésnek két módja van:

a követés ;
hely kérésre.

Az első azonosítani fogja és visszajuttatja az információkat egy állandó időszakban, például két vagy öt percenként. Míg a kérés szerinti lokalizálás abból áll, hogy információkat küldünk csak a terminál tulajdonosának vagy gondozójának kérésére. Minden esetben tájékoztatni kell a terminál hordozóját, és bele kell egyeznie a geolokációs funkcióba.

Az automatikus biztonsági nyomkövető rendszerek, mint például az AIS a tengeri és légi navigációban, egyesítik a GPS-vevőt és az adót, javítva az ütközésgátló biztonságot és a hajótestek keresését. Az APRS ugyanazt az elvet használja, önkéntes rádióamatőrök irányítják .

GPS naptárszámozás visszaállítása

A WNRO vagy a GPS heti számgörgetés (franciául a GPS naptár számozásának visszaállítása ) az amerikai rendszer használatával elavítja a szoftvert, mivel az időhivatkozás 1024 hetente alaphelyzetbe állításra került (a belső műholdas korlátozás korlátozása miatt); az utolsóra került sor2019. április 6 és következésképpen érvényteleníti azokat az anyagokat, amelyek hiányoztak a gyártók frissítéséből.

Túlzott bizalom az ember teljesítményében

Egyéb műholdas helymeghatározó rendszerek

Vannak más műholdas helymeghatározó rendszerek, de a GPS lefedettségének vagy pontosságának elérése nélkül:

A GLONASS az orosz rendszer , amely azóta is teljesen működőképes2011. december ;
A Beidou a Kínai Népköztársaság által létrehozott helymeghatározó rendszer ; csak kínai területen és a szomszédos régiókban működik (geostacionárius műholdakat használ, jelenleg négyet); utóda Compass globális lesz, és a földön eléri a 10 cm-es pontosságot ;
Az India is készül a helymeghatározó rendszer, a IRNSS ;
Galileo a polgári rendszer az Európai Unió , teljesen működőképes, mivel 2020. Ez ma a leghatékonyabb rendszer a világon a lefedettség és pontosság ;
Japán a QZSS-t ( Quasi-Zenith Satellite System ) készíti elő 2017-2018-ra.

Megjegyzések és hivatkozások

Megjegyzések

Ennek a műholdnak az L1 és L2 jelei 2011-ben használhatatlanok voltak a jelek és az L5 hasznos terhelés közötti interferencia miatt.
A becslés a GNSS- vevők teljes számára vonatkozik . A forrás azt jelzi (15. oldal), hogy az eszközök 100% -a magában foglalja a GPS és néha egyéb műholdas navigációs rendszerek vételét is.
Az óra sodródásának mértékegységét s / s-ban fejezzük ki: itt a sodródás 4,425 × 10 −10 másodperc másodpercenként, vagyis 0,442 5 ppb .

Hivatkozások

Philippe Béguyot , Bruno Chevalier és Hana Rothova , GPS a mezőgazdaságban: alapelvek, alkalmazások és összehasonlító vizsgálatok , Dijon, Educagri,2004, 135 p. ( ISBN 2-84444-310-9 , online olvasás ) , p. 19–26
(en) Bill Clinton , " Clinton elnök: javítása a polgári Global Positioning System (GPS) " , NARA ,1 st május 2000(megtekintés : 2010. június 5. )
(in) " EGM96 - A NASA GSFC és a NIMA közös geopotenciális modellje " , NASA ,2004. november 18(megtekintés : 2010. június 5. )
(a) " NGA EGM96 Geoid kalkulátor " , NGA ,2006. június 16(megtekintés : 2010. június 5. )
Karen Jego és Victor Battaggion , " The GPS ", Historia ,2011. november, P. 122 ( ISSN 0750-0475 )
" GPS: pontosság minden relativisztikus " on irma.u-strasbg.fr (megajándékozzuk 1 -jén augusztus 2017 )
(en) " Űrszegmens " , a gps.gov (elérhető február 14, 2016 )
Correia 2012 , p. 18.
(in) " Utolsó blokk IIR műhold a legrégebbi GPS helyettesítésére " a http://gpsworld.com/ címen (hozzáférés: 2016. február 14. )
VWilson , " GPS III űrjármű 01-es küldetés " , a SpaceX-en ,2018. december 23(megtekintve 2018. december 30-án )
Correia 2012 , p. 23.
(hu) Európai GNSS Ügynökség GNSS piaci jelentés ,2015. május, 4 th ed. , 81. o. ( ISBN 978-92-9206-013-8 , online olvasás ) , p. 8.
(a) S. Bancroft Egy algebrai megoldás az egyenletek GPS , IEEE Transactions on Aerospace és az elektronikus rendszerek 21 (1985) p. 56–59
Correia 2012 , p. 43-44
JP Sullivan, MR Carver, RM Kippen, RHW Friedel, GD Reeves és MG Henderson (2017), Energikus részecske adatok a globális helymeghatározó rendszer konstellációjából , Qpace Weather, DOI : 10.1002 / 2017SW001604 , 2017. február 5.
Voosen P. (2017), Los Alamos 16 év GPS napenergiával kapcsolatos adatokat közölt , 2017. január 30
" Koordináták " , IGN (hozzáférés : 2015. február 28. )
Thierry Dudok de Wit, " GPS és műholdas nyomkövetés " [PDF] , a cnrs-orleans.fr oldalon ,2010. október 9
" Le Quasi-Géoïde " , IGN (hozzáférés : 2015. február 28. )
" Tér-idő " , a gps.gov oldalon ,2012(megajándékozzuk 1 -jén augusztus 2017 )
" Okostelefonok: felé (sokkal) pontosabb GPS 2018 " , a zone-numerique.com/ ,2017. szeptember 25(megtekintve 2017. szeptember 25. )
Gary Dagorn: " Hogyan változtatta meg életünket Einstein relativitáselmélete ", Le Monde ,2015. november 27( online olvasás )
(in) Richard W. Pogge, " GPS és a relativitás " (elérhető március 6, 2015 )
Ashby 2003 , p. 8.
Különösen diszimmetria van annak a ténynek köszönhető, hogy a Földet és a műholdat nem ugyanazok a körülmények érik. Ezenkívül a műhold forog, ezért folyamatosan változtatja pályáját, hogy a Föld közelében maradjon, ami gyorsulás. Ezért a műhold és a Föld között nincs kölcsönös idődilatáció . A műhold állandóan visszatér a Föld felé, akárcsak az ikrek paradoxona , ami megmagyarázza ezt az egyoldalú időeltolódást
Ashby 2003 , p. 16-17
Ashby 2003 , p. 7
Bartolomé Coll, „ Relativisztikus korrekciók a GPS-ben ” (hozzáférés : 2016. február 27. )
(in) Időszinkronizálás a távközlési hálózatokban a Meinberg.de webhelyen (hozzáférés: 2012. április 21.).
(in) John Graham-Cumming, GAGA-1: COCOM határa GPS , Blog.jgc.org november 28-án 2010-ig.
(en) Az Egyesült Államok műholdas exportpolitikájának jelentése megtartja a GPS-korlátozásokat a GNSS belsejében, 2012. április 20.
(in) COCOM GPS nyomkövető Limits on Ravtrack.com, október 6, 2010.
A rakétatechnikai ellenőrzési rendszer az MTCR.info oldalon (hozzáférés: 2015. július 29.) (lásd archívum)
(in) MTCR Equipment Software and Technology melléklet [PDF] az MTCR.info oldalon, 2013. október 17., p. 51. (lásd archívum).
(az Egyesült Államokban ) Könnyíti a GPS- vevőkre vonatkozó exportszabályokat, az Inside GNSS.com webhelyen, 2014. május 30.
Részletes cikk a guim.fr oldalon
Tomtom oldal

Lásd is

Bibliográfia

F. Duquenne és mtsai. , GPS helyen és a műholdas navigáció , 2 nd ed. átdolgozva és kibővítve, Hermes, 2005
Paul Correia, Gyakorlati útmutató a GPS-hez , Éditions Eyrolles ,2012. december, 6 th ed. , 245 p. ( ISBN 978-2-212-13367-7 és 2-212-13367-7 , olvasható online )
SHOM , GPS és tengeri navigáció , 1996
(in) Az amerikai parti őrség navigációs központjának GPS-korszerűsítése
(en) Neil Harper, szerveroldali GPS és asszisztált GPS a Java TM -ben, 2010
(en) Neil Ashby, „ Relativitás a globális helymeghatározó rendszerben ” , Living Rev. Relativitás , vol. 6,2003( ISSN 1433-8351 , online olvasás )

Kapcsolódó cikkek

Műholdas helymeghatározó rendszer
TRANSIT (a GPS rendszer elődje)
Differenciális globális helymeghatározó rendszer (DGPS)
Műholdak csillagképe
Földrajzi helymeghatározás
GPS (navigációs asszisztens)
GPS vevő
GPS szinkronizálás
Koordináta-rendszer
GPS alkalmazása a meteorológiában
GPS rajz
Segített GPS (A-GPS)
European Geostationary Navigation Overlay Service
GPX (fájlformátum)

Külső linkek

A globális helymeghatározó rendszer a bolygó szolgálatában , hivatalos információk az Egyesült Államok kormányától francia nyelven a globális helymeghatározó rendszerről (GPS) és a kapcsolódó témákról a gps.gov oldalon .