GPS palydovinė navigacijos sistema – principas, schema, taikymas

Palydovinė GPS navigacija jau seniai buvo padėties nustatymo sistemų kūrimo standartas ir aktyviai naudojama įvairiuose stebėjimo įrenginiuose ir navigatoriuose. Arduino projektuose GPS integruojamas naudojant įvairius modulius, kuriems nereikia išmanyti teorinių pagrindų. Tačiau tikras inžinierius turėtų būti suinteresuotas suprasti GPS principą ir veikimą, kad geriau suprastų šios technologijos galimybes ir apribojimus.

GPS veikimo schema

GPS yra JAV gynybos departamento sukurta palydovinė navigacijos sistema, kuri nustato tikslias koordinates ir laiką. Veikia bet kurioje Žemės vietoje bet kokiomis oro sąlygomis. GPS susideda iš trijų dalių – palydovų, stočių Žemėje ir signalų imtuvų.

Idėja sukurti palydovinę navigacijos sistemą kilo praėjusio amžiaus 50-aisiais. Amerikiečių mokslininkų grupė, stebėjusi sovietinių palydovų paleidimą, pastebėjo, kad palydovui artėjant signalo dažnis didėja ir mažėja jam tolstant. Tai leido suprasti, kad galima išmatuoti palydovo padėtį ir greitį žinant jo koordinates Žemėje ir atvirkščiai. Palydovų paleidimas į žemą Žemės orbitą suvaidino didžiulį vaidmenį kuriant navigacijos sistemą. O 1973 metais buvo sukurta DNSS (NavStar) programa, pagal šią programą palydovai buvo paleisti į vidutinę Žemės orbitą. Programa gavo pavadinimą GPS tais pačiais 1973 m.

GPS sistema šiuo metu naudojama ne tik karinėje srityje, bet ir civiliniais tikslais. Yra daug GPS taikymo sričių:

• Mobilus ryšys;
• Plokštės tektonika – plokščių svyravimų sekimas;
• Seisminio aktyvumo nustatymas;
• Palydovinis transporto sekimas – galite stebėti transporto vietą, greitį ir kontroliuoti jų judėjimą;
• Geodezija – tikslių žemės sklypų ribų nustatymas;
• Kartografija;
• Navigacija;
• Žaidimai, geografinis žymėjimas ir kitos pramogų zonos.

Svarbiausias sistemos trūkumas gali būti laikomas nesugebėjimu priimti signalo tam tikromis sąlygomis. GPS veikimo dažniai yra decimetro bangos ilgio diapazone. Tai lemia tai, kad signalo lygis gali sumažėti dėl aukštų debesų ir tankios medžių lapijos. Radijo šaltiniai, trukdžiai ir retais atvejais net magnetinės audros taip pat gali trukdyti normaliam signalo perdavimui. Duomenų nustatymo tikslumas pablogės poliariniuose regionuose, nes palydovai pakyla žemai virš Žemės.

Navigacija be GPS

Pagrindinis GPS konkurentas yra rusiška GLONASS (Global Navigation Satellite System). Sistema visavertiškai pradėjo veikti 2010 m., o aktyviai ja bandoma naudotis nuo 1995 m. Yra keletas skirtumų tarp dviejų sistemų:

• Skirtingos koduotės – amerikiečiai naudoja CDMA, rusiškai – FDMA;
• Skirtingi įrenginių matmenys – GLONASS naudoja sudėtingesnį modelį, kuris padidina energijos sąnaudas ir įrenginių dydį;
• Palydovų išdėstymas ir judėjimas orbitoje – Rusijos sistema suteikia platesnę teritorijos aprėptį ir tikslesnį koordinačių bei laiko nustatymą.
• Palydovo eksploatavimo trukmė – amerikietiški palydovai pagaminti aukštesnės kokybės, todėl tarnauja ilgiau.

Be GLONASS ir GPS, yra ir kitos mažiau populiarios navigacijos sistemos – europietiška Galileo ir kiniška Beidou.

GPS aprašymas

Kaip veikia GPS

GPS sistema veikia taip: signalo imtuvas matuoja signalo sklidimo iš palydovo iki imtuvo vėlavimą. Iš gauto signalo imtuvas gauna duomenis apie palydovo vietą. Norint nustatyti atstumą nuo palydovo iki imtuvo, signalo delsa padauginama iš šviesos greičio.

Geometriniu požiūriu navigacinės sistemos veikimą galima iliustruoti taip: susikerta kelios sferos, kurių viduryje yra palydovai ir jose yra vartotojas. Kiekvienos sferos spindulys yra atitinkamai lygus atstumui iki šio matomo palydovo. Trijų palydovų signalai suteikia informaciją apie platumą ir ilgumą, ketvirtasis palydovas suteikia informaciją apie objekto aukštį virš paviršiaus. Gautas vertes galima redukuoti į lygčių sistemą, iš kurios galima rasti vartotojo koordinates. Taigi, norint gauti tikslią vietą, reikia atlikti 4 atstumų iki palydovo matavimus (jei neįtikinti rezultatai, pakanka trijų matavimų).

Gautų lygčių pataisos atsiranda dėl apskaičiuotos ir faktinės palydovo padėties neatitikimo. Dėl to atsirandanti klaida vadinama efemeridu ir svyruoja nuo 1 iki 5 metrų. Taip pat prisideda trukdžiai, atmosferos slėgis, drėgmė, temperatūra, jonosferos ir atmosferos įtaka. Visų klaidų visuma gali padidinti paklaidą iki 100 metrų. Kai kurias klaidas galima pašalinti matematiškai.

Norėdami sumažinti visas klaidas, naudokite diferencialinį GPS režimą. Jame imtuvas radijo kanalu iš bazinės stoties gauna visus reikiamus koordinačių pataisymus. Galutinis matavimo tikslumas siekia 1-5 metrus. Diferencialiniame režime yra 2 gautų duomenų taisymo būdai - tai pačių koordinačių taisymas ir navigacijos parametrų taisymas. Pirmasis metodas yra nepatogus naudoti, nes visi vartotojai turi dirbti naudodami tuos pačius palydovus. Antruoju atveju žymiai padidėja pačios vietos nustatymo įrangos sudėtingumas.

Yra nauja sistemų klasė, kuri padidina matavimo tikslumą iki 1 cm. Kampas tarp krypčių į palydovus turi didžiulę įtaką tikslumui. Esant didesniam kampui, vieta bus nustatyta tiksliau.

JAV Gynybos departamentas gali dirbtinai sumažinti matavimo tikslumą. Tam navigacijos įrenginiuose įdiegtas specialus S/A režimas – ribota prieiga. Režimas buvo sukurtas kariniams tikslams, siekiant nesuteikti priešui pranašumo nustatant tikslias koordinates. Nuo 2000 m. gegužės mėn. riboto patekimo režimas buvo panaikintas.

Visus klaidų šaltinius galima suskirstyti į kelias grupes:

• Klaida orbitos skaičiavimuose;
• su imtuvu susijusios klaidos;
• Klaidos, susijusios su daugybe signalo atspindžių nuo kliūčių;
• Jonosferos, troposferos signalų vėlavimai;
• Palydovų geometrija.

Pagrindinės charakteristikos

GPS sistemą sudaro 24 dirbtiniai Žemės palydovai, antžeminių sekimo stočių tinklas ir navigacijos imtuvai. Stebėjimo stotys yra reikalingos nustatyti ir stebėti orbitos parametrus, apskaičiuoti balistines charakteristikas, reguliuoti nuokrypius nuo judėjimo trajektorijų ir stebėti erdvėlaivyje esančią įrangą.

GPS navigacijos sistemų charakteristikos:

• Palydovų skaičius – 26, 21 pagrindinis, 5 atsarginiai;
• Orbitinių plokštumų skaičius – 6;
• Orbitos aukštis – 20 000 km;
• Palydovų tarnavimo laikas yra 7,5 metų;
• Darbiniai dažniai – L1=1575,42 MHz; L2=12275,6 MHz, galia atitinkamai 50 W ir 8 W;
• Navigacijos nustatymo patikimumas yra 95%.

Navigacijos imtuvai yra kelių tipų – nešiojamieji, stacionarūs ir lėktuviniai. Imtuvams taip pat būdingi keli parametrai:

• Kanalų skaičius – šiuolaikiniai imtuvai naudoja nuo 12 iki 20 kanalų;
• antenos tipas;
• Galimybė naudotis kartografine pagalba;
• Ekrano tipas;
• Papildomos funkcijos;
• Įvairios techninės charakteristikos – medžiagos, stiprumas, apsauga nuo drėgmės, jautrumas, atminties talpa ir kt.

Paties navigatoriaus veikimo principas yra toks, kad pirmiausia įrenginys bando susisiekti su navigacijos palydovu. Kai tik užmezgamas ryšys, perduodamas almanachas, tai yra informacija apie palydovų, esančių toje pačioje navigacijos sistemoje, orbitas. Tiksliai vietai gauti neužtenka vien ryšio su vienu palydovu, todėl likę palydovai savo efemeriją perduoda navigatoriui, o tai būtina norint nustatyti nuokrypius, trikdžių koeficientus ir kitus parametrus.

Šaltas, šiltas ir karštas GPS navigatoriaus paleidimas

Pirmą kartą įjungus navigatorių arba po ilgos pertraukos, pradedama ilgai laukti duomenų gavimo. Ilgas laukimo laikas atsiranda dėl to, kad navigatoriaus atmintyje trūksta almanacho ir efemerio arba jie pasenę, todėl norint gauti ar atnaujinti duomenis, įrenginys turi atlikti daugybę veiksmų. Laukimo laikas, arba vadinamasis šaltojo starto laikas, priklauso nuo įvairių rodiklių – imtuvo kokybės, atmosferos būklės, triukšmo, palydovų skaičiaus matomumo zonoje.

Norėdami pradėti dirbti, navigatorius turi:

• Raskite palydovą ir užmegzkite su juo ryšį;
• Gaukite almanachą ir išsaugokite jį atmintyje;
• Priimkite efemerį iš palydovo ir išsaugokite jį;
• Suraskite dar tris palydovus ir užmegzkite su jais ryšį, gaukite iš jų efemerijas;
• Apskaičiuokite koordinates naudodami efemerido ir palydovų vietas.

Tik praėjus šiam ciklui, įrenginys pradės veikti. Toks paleidimas vadinamas šaltas paleidimas.

Karštas paleidimas žymiai skiriasi nuo šalto paleidimo. Šturmano atmintyje jau yra šiuo metu aktualus almanachas ir efemeridas. Almanacho duomenys galioja 30 dienų, efemerido – 30 minučių. Iš to išplaukia, kad įrenginys buvo trumpam išjungtas. Su karštuoju paleidimu algoritmas bus paprastesnis – įrenginys užmezga ryšį su palydovu, prireikus atnaujina efemeriją ir apskaičiuoja vietą.

Yra šilta pradžia – šiuo atveju almanachas yra aktualus, bet efemeriją reikia atnaujinti. Tai užtrunka šiek tiek daugiau laiko nei karštas paleidimas, bet žymiai mažiau nei šaltas paleidimas.

Namų gamybos GPS modulių pirkimo ir naudojimo apribojimai

Rusijos teisės aktai reikalauja, kad gamintojai sumažintų imtuvo aptikimo tikslumą. Dirbti itin tiksliai galima tik tuo atveju, jei vartotojas turi specializuotą licenciją.

Specialios techninės priemonės, skirtos slaptam informacijos gavimui (STS NPI), Rusijos Federacijoje yra draudžiamos. Tai apima GPS sekiklius, kurie naudojami slaptam transporto priemonių ir kitų objektų judėjimo valdymui. Pagrindinė nelegalios techninės priemonės savybė – jos slaptumas. Todėl prieš perkant įrenginį reikia atidžiai išstudijuoti jo charakteristikas, išvaizdą, paslėptas funkcijas, taip pat peržiūrėti reikiamus atitikties sertifikatus.

Taip pat svarbu, kokia forma prietaisas parduodamas. Išardytas įrenginys gali nepriklausyti STS NPI. Tačiau surinktas įrenginys jau gali būti klasifikuojamas kaip draudžiamas.