GPS היא טכנולוגיית ניווט אשר באמצעות לוויינים מספרת את המידע המדויק על מיקום. בעיקרון מערכת GPS מורכבת מקבוצת לוויינים וכלים מפותחים כמו מקלט. המערכת צריכה לכלול לפחות ארבעה לוויינים. כל לוויין ומקלט מצוידים בשעון אטומי יציב. שעוני הלוויין מסונכרנים זה עם זה ושעוני קרקע. למקלט ה- GPS יש גם שעון אך הוא אינו מסונכרן ואינו יציב (פחות יציב). יש לתקן כל סטייה בזמן בפועל של לוויינים משעון הקרקע. יש לחשב ארבעה כמויות לא ידועות (שלוש קואורדינטות וסטיית שעון מזמן הלווין) מרשת הלוויינים המסונכרנת ומקלט.העבודה של מקלט ה- GPS היא לקבל אותות מרשת הלוויינים כדי לחשב שלוש משוואות בסיסיות לא ידועות של זמן ומיקום.
אות GPS כולל קודים מזויפים וזמן השידור ומיקום הלוויין באותה עת. האות המשודר באמצעות GPS נקרא גם תדר מוביל עם אפנון. יתרה מזאת, קוד פסאודורנדום הוא רצף של אפסים ואפסים. למעשה, מיקום המקלט וקיזוז שעון המקלט ביחס לזמן מערכת המקלט מחושבים בו זמנית, תוך שימוש במשוואות הניווט לעיבוד זמן הטיסה (TOF). TOF הוא ארבעת הערכים שהמקלט יוצר תוך שימוש בזמן ההגעה ובזמן העברת האות. המיקום מומר בדרך כלל לרוחב, אורך וגובה ביחס לגיאואידים (למעשה, גובה פני הים הממוצע). ואז הקואורדינטות מוצגות על המסך.
אלמנטים של GPS
מבנה ה- GPS הוא מורכב. הוא מורכב משלושה פלחים עיקריים של פלח חלל, פלח בקרה ופלח משתמשים. שיגור הלוויין למסלול כדור הארץ בינוני הוא עבודה מאומצת. קטע החלל כולל 24 עד 32 לוויינים או רכבי חלל באותו מסלול, 8 כל אחד בשלושה מסלולים מעגליים. לפחות שישה לוויינים נמצאים תמיד בקו הראייה כמעט מכל מקום על פני כדור הארץ.
לצד פלח החלל נמצא קטע בקרה. בגזרת הבקרה יש תחנת בקרה ראשית, תחנת בקרת אב חלופית, אנטנות קרקע ותחנת מוניטור. פלח המשתמשים מורכב מאלפי שירות מיצוב אזרחי, מסחרי וצבאי. מקלט GPS או מכשיר GPS מורכב מאנטנה, המכוונת לתדר המועבר על ידי לוויינים. הוא כולל גם מסך תצוגה המספק מיקום וזמן.
מקלט GPS מסווג על מספר הלוויינים שהוא יכול לפקח בו זמנית, כלומר מספר הערוצים. למקלטים יש בדרך כלל ארבעה עד חמישה ערוצים, אך ההתקדמות האחרונה הראתה כי נעשו עד 20 ערוצים.
תדר לווין: כל תדרי השידור בלוויין. רצועת התדרים כוללת חמישה סוגים כגון L1, L2, L3, L4 ו- L5. לפסים אלה יש טווחי תדרים בין 11776MHz ל- 1600 MHz.
איך GPS עובד
לווייני GPS מסתובבים סביב כדור הארץ פעמיים ביום. הוא מסתובב במהלך מדויק מאוד ושולח אינדיקציה ומידע לאדמה. מקבלי ה- GPS מקבלים את כל המידע ומיישמים משולש כדי לגלות את המיקום המדויק של המשתמש. ביסודו, מקלט ה- GPS מנוגד למשך הפצת האות על ידי לוויין ומקצה את זמן קבלתו. הפרש הזמן מגדיר עד כמה רחוק המקלט מלווייני ה- GPS. הוא מודד את המרחק המדויק עם מעט לוויינים נוספים והמקלט קובע את מיקום המשתמש ומציג אותו על מפת המכשיר האלקטרוני.
על המקלט להיות נעול לאות עם לפחות שלושה לוויינים כדי לייצר מיקום דו ממדי וגם עוקב אחר תנועת המשתמש. באמצעות ארבעה לוויינים או יותר, המקלט יכול לקבוע את המיקום התלת ממדי של המשתמש המורכב מגובה, קו רוחב ואורך. לאחר קביעת מיקום המשתמש, יחידת ה- GPS מחשבת מידע אחר כגון מהירות, נשיאה, מסלול, מרחק, יעד, זריחה וזמן שקיעה.
עד כמה GPS מדויק?
מקבלי ה- GPS מדויקים מאוד בגלל העיצוב הרב-ערוצי המקביל. הערוצים המקבילים הם מהירים ומדויקים מאוד אם כי גורמים מסוימים כמו רעש אטמוספרי והפרעות יכולים להפריע ולהשפיע על הדיוק של מקלטי GPS בכלל.
משתמשים יכולים גם לקבל דיוק משופר באמצעות GPS דיפרנציאלי (DGPS), המתקן את אותות ה- GPS המוקפים בקבוע של שלושה עד חמישה מטרים. משמר החופים האמריקני מפעיל את שירות התיקון הנפוץ ביותר ב- DGPS. המערכת מכילה סידור של מגדלים המקבלים אותות GPS ומשדרים אות מדויק על ידי משדרי משואות. במטרה לקבל את האות המדויק, על המשתמשים להיות עם מקלט משואות דיפרנציאלי ואנטנת משואות מלבד שיש להם GPS.
מקורות לשגיאות אות GPS
גורמים שיכולים להשחית את הדיוק של אותות GPS ובכך להשפיע על הדיוק, משלבים את הדברים הבאים:
- עיכובים ביונוספירה ובטרופוספירה - האות הלוויני מאט כשהוא חוצה את שכבות האטמוספירה. מערכת ה- GPS משתמשת במודל מובנה המשמש לחישוב משך ההפרעה הרגיל הנדרש לתיקון חוסר דיוק מסוג זה.
- רב נתיב אות - שגיאה זו התרחשה כאשר האות משתקף מהאובייקטים כמו מבנים גבוהים וסלעים גדולים יותר לפני שהוא מגיע למקלט. זה מגדיל את משך הזמן הכולל של מעבר האות וגורם לשגיאות ואי דיוק.
- שגיאות מסלוליות - שגיאות אלה מכונות גם שגיאות ארעיות המשמשות לחישוב אי הדיוקים של מיקום הלוויין.
- מספר הלוויינים הגלויים - הדיוק תלוי במספר הלוויינים המדויק שמקבל ה- GPS יכול לראות. הגורמים כמו מבנים, שטח, הפרעה אלקטרונית חוסמים את דיוק האות וקליטת הגורמים לשגיאות במצב ולפעמים ללא קריאה באותות. זה בדרך כלל לא עובד בתוך הבית, מתחת למים ובתחתית.
יישומים
לא רק לשימוש צבאי מכונת GPS ידועה בשימוש בשירותים אזרחיים ומסחריים. כמה יישומים אזרחיים הם:
1. אסטרונומיה: משמשת בחישובי אסטרומטריה ומכניקה שמימית.
2. רכבים אוטומטיים: הוא משמש גם ברכבים אוטומטיים (רכבים ללא נהג) כדי להחיל מיקומים למכוניות ומשאיות.
3. טלפוניה סלולרית: טלפונים ניידים מודרניים מצוידים בתוכנת מעקב GPS. הוא קיים מכיוון שאפשר לדעת את מיקומו ואפשר גם לעקוב אחר שירותים סמוכים כמו כספומטים, בתי קפה, מעצורים וכו '. ה- GPS הראשון שהופעל באמצעות הטלפון הסלולרי הושק בשנות התשעים. בטלפוניה סלולרית היא משמשת גם לזיהוי שיחות חירום ויישומים רבים אחרים.
4. סיוע באסון ושירותי חירום אחרים: במקרה של אסון טבע כלשהו, GPS הוא הכלי הטוב ביותר לזיהוי המיקום. אפילו לפני האסונות כמו ציקלונים, GPS מסייע בחישוב הזמן המשוער.
5. מעקב אחר צי: GPS הוא כלי מפתח הידוע בפוטנציאל שלו לעקוב אחר ספינות צבאיות בתקופת המלחמה.
6. מיקום רכב: מכונית תומכת GPS מקלה על המעקב אחר מיקומה.
7. גידור גיאוגרפי: בגידור גיאוגרפי אנו משתמשים ב- GPS למעקב אחר אדם, בעל חיים או מכונית. המתקן מחובר לרכב, לאדם או על צווארון החיה. הוא מספק מעקב ועדכון שוטפים.
8. תיוג גיאוגרפי: אחד היישומים העיקריים הוא תיוג גיאוגרפי כלומר החלת קואורדינטות מקומיות על אובייקטים דיגיטליים.
9. GPS לכרייה: משתמש בדיוק של מיקום ברמת הסנטימטר.
10. סיורי GPS: מסייע בקביעת מיקום נקודת העניין הסמוכה.
11. מדידות: מודדים משתמשים במערכת מיקום גלובלית לרישום מפות.