Mobil sensorik: GPS-placering

Det globale positioneringssystem (GPS)

The Global Positioning System (GPS) is a location system developed by the United States Department of Defense for military purposes. It provides accurate estimates of position, velocity, and time by using a computer network and a constellation of 24 satellites to determine the altitude, longitude, and latitude of any object on the Earth’s surface through triangulation. The system has been operational since 1995.

Civil brug af GPS

I den civile sfære er det af sikkerhedsmæssige årsager kun tilladt at bruge en forringet delmængde af GPS-signalerne. Det civile samfund har dog fundet alternativer til at opnå fremragende lokaliseringspræcision gennem differentielle teknikker. Disse teknikker har ført til en enorm vækst i civile anvendelser, og der findes i dag over 70 producenter af GPS-modtagere.

Principper for drift

Formålet med GPS-system er at beregne positionen af et hvilket som helst punkt i et rum med koordinater (x,y,z) ud fra beregningen af punktets afstand til mindst tre satellitter, hvis placering er kendt. Afstanden mellem brugeren (GPS-modtageren) og en satellit måles ved at gange flyvetiden for det signal, der udsendes fra satellitten, med dets udbredelseshastighed.

For at finde ud af, hvor lang tid radiosignalet var om at rejse, skal satellitternes og modtagernes ure indstilles til samme tid. Det skyldes, at de begge skal sende den samme kode ud på samme tid. Men mens urene på satellitterne er meget nøjagtige, er urene på modtagerne billige kvartsoscillatorer, som ikke er nøjagtige. Afstande med fejl på grund af synkronisering kaldes pseudoafstande. Forskellen i modtagernes ure er en anden ukendt faktor, som gør det nødvendigt at bruge mindst fire satellitter for at finde ud af, hvor modtagerne er.

Beregning af pseudorange

Ved beregning af pseudoafstandene tages der højde for, at GPS-signalerne er svage og er nedsænket i den baggrundsstøj, der er forbundet med planeten i radiobåndet. Denne naturlige støj består af tilfældige impulser, som fører til, at GPS-modtagerne genererer en kunstig pseudo-tilfældig kode som et mønster af udsving. I hvert øjeblik sender en satellit et signal med samme mønster som den pseudo-tilfældige serie, der genereres af modtageren. Baseret på denne synkronisering beregner modtageren afstanden ved at flytte sin pseudo-tilfældige kode i tid, indtil den falder sammen med den modtagne kode; denne forskydning svarer til signalets flyvetid. Denne proces udføres automatisk, kontinuerligt og øjeblikkeligt i hver modtager.

Jordstationer og atomure

Selvom satellitternes hastighed er høj (4 km/s), kan deres øjeblikkelige position estimeres med en fejl på mindre end nogle få meter baseret på en forudsigelse af tidligere positioner i en periode på 24 til 48 timer. Jordstationerne gennemgår regelmæssigt satellitternes atomure, to af cæsium og to af rubidium, og sender efemeriderne og korrektionerne af urene, da urenes præcision og stabiliteten af satellitternes bane er nøglen til GPS-systemets funktion.

Fejlkilder i GPS

Der er flere fejlkilder, som kan påvirke GPS-målinger. Nogle af de vigtigste kilder er:

- Ionosfærisk forstyrrelse: Ionosfæren består af et lag af elektrisk ladede partikler, som kan påvirke hastigheden af de radiosignaler, der passerer igennem den.

- Meteorologiske fænomener: Vanddamp i troposfæren, det lag, der er tættest på jordens overflade, kan bremse elektromagnetiske signaler og forårsage fejl i GPS-målinger, som er svære at rette op på.

- Upræcision i ure: Selv med omhyggelig justering og kontrol kan både GPS-satellitens atomur og modtagerens ur vise små afvigelser.

- Uforudsete elektriske forstyrrelser: Elektrisk interferens kan forårsage fejl i korrelationen af pseudo-tilfældige koder eller i beregningen af kredsløb, hvilket fører til uoverensstemmelser på op til en meter.

- Multipath-fejl: GPS-signaler kan reflekteres fra overflader, før de når frem til modtageren, hvilket fører til fejl i den målte afstand. Det er en udfordring at minimere denne fejl, da den afhænger af GPS-antennens omgivelser.

- Selektiv tilgængelighed (S/A): Militæret introducerer bevidst denne fejlkilde og gør den til den største.

- Modtager-satellit-topologi: Det rumlige arrangement af synlige satellitter, der bruges til beregning af afstande, kan påvirke GPS-målingernes præcision. Avancerede modtagere kan ændre fejlen i afstandsmålingen.

Disse fejlkilder kan kategoriseres i dem, der afhænger af satellitternes geometri, og dem, der ikke gør. Selektiv tilgængelighed og urfejl påvirkes ikke af satellittens form, men ionosfæriske og troposfæriske forsinkelser og flervejsfejl påvirkes i høj grad af satellittens form. Hver GPS-positionsmåling har en værdi, der kaldes "usikkerhed", som er baseret på alle de forskellige fejlkilder.

GPS-applikationer

GPS-applikationer har mange anvendelsesområder, herunder navigationshjælpesystemer, atmosfærisk og terrestrisk rummodellering og tidsmåling med høj præcision. Her er nogle eksempler på GPS-systemer, der bruges på civile områder:

- Undersøgelse af atmosfæriske fænomener: GPS-signaler er nyttige i udviklingen af vejrforudsigelsesmodeller ved at analysere ændringer i hastighed forårsaget af vanddamp i troposfæren.

- Lokalisering og navigation i ugæstfrie områder: GPS bruges til forskningsekspeditioner i svært tilgængelige områder eller områder uden landemærker. Det hjælper med at uddybe kendskabet til polar- eller ørkenområder.

- Geologiske og topografiske modeller: GPS bruges af geologer til at studere tektoniske pladers bevægelse og til at forudsige jordskælv. Det er også et grundlæggende værktøj inden for topografi til landmålinger og skov- og landbrugsopgørelser.

- Civilingeniør: GPS bruges til i realtid at overvåge deformationer af store konstruktioner, der udsættes for belastninger, f.eks. metal- eller betonkonstruktioner.

- Automatiske alarmsystemer: GPS bruges i alarmsystemer, der er forbundet med sensorer, som overvåger transport af forurenende og letfordærvelige varer med høj risiko. Alarmen giver mulighed for hurtig hjælp til køretøjet.

- Synkronisering af signaler: Elbranchen bruger GPS til at synkronisere urene på sine overvågningsstationer for at lokalisere mulige fejl i elforsyningen.

- Vejledning til fysisk handicappede: GPS-systemer er ved at blive udviklet til at hjælpe blinde med at navigere gennem byen. Det undersøges også, om det kan bruges inden for turisme til at optimere ruterne mellem forskellige steder på en rute.

- Navigation og styring af køretøjsflåder: GPS bruges til baneplanlægning og styring af køretøjsflåder af organisationer som politi, beredskabstjenester, taxistationer, kurertjenester og leveringsfirmaer.

- Civile luftfartssystemer: GPS bruges i den civile luftfart til at hjælpe med navigation og landing. Dens betydning har ført til udvikling af systemer, der har til formål at forbedre GPS'ens nøjagtighed.

- Uassisteret køretøjsnavigation: GPS er indbygget i DGPS-systemer til præcis manøvrering i områder med intens trafik, i autonome landkøretøjer, overvågning i fjendtlige miljøer og godstransport.

Med GPS-målingernes høje præcision er der sket vigtige fremskridt i rummet i lave baner. Robotter kan nu udføre farlige opgaver alene, som f.eks. at inspicere, reparere og samle kunstige satellitter.

Fremtiden for GPS

I 1996 bestemte reglerne for GPS-systemer, at den selektive tilgængelighed ville blive afskaffet i 2006, og at endnu en frekvens ville blive indarbejdet til civil brug. Det betyder, at inden for få år, GPS-satellitter sender civil kode på både L2- og L1-frekvenserne. Dette vil skabe en redundans, der gør det muligt at estimere ionosfæriske fejl og give en absolut modepræcision svarende til, hvad der kan opnås med differentielle teknikker. Signalet på L1-frekvensen vil forblive det samme, så de nuværende modtagere vil stadig kunne fungere.

Kontrolsegmentet vil blive forbedret med opstarten af et nyt kontrolsystem, der i øjeblikket er i designfasen, til ekspertstationen. Det vil omfatte op til i alt 20 overvågningsstationer, hvilket vil resultere i en mere præcis styring af efemeriderne og satelliturene.

De nuværende GPS-, GLONASS- og GPS/GLONASS-navigationssystemer er imidlertid ikke i stand til at opfylde de strenge sikkerhedsstandarder, der kræves til visse civile anvendelser, f.eks. flynavigation. Meddelelsen til brugeren om fejl i systemets drift kan tage fra et sekund, når fejlen opstår i satellitten, til flere timer i tilfælde, hvor kontrolsegmentet opdager fejlen.

For at løse disse ulemper er Europa ved at udvikle EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), som vil være i drift i 2003. Dette system vil opfylde sikkerhedsstandarderne for flynavigation ved at installere et netværk af 34 faste modtageantenner (RIMS) på landjorden for at modtage GPS-signaler og reducere positioneringsfejl. Disse signaler vil blive sendt til et kontrolcenter, hvor satellitoplysningerne vil blive kalibreret, idet man måler den mulige fejl for at korrigere den og sende den igen til 10 jordstationer. Derudover vil signalerne blive sendt til to nye geostationære INMARSAT-satellitter i 35.000 km højde, som vil fungere som repeatere og sende signalerne videre til brugerne. Både USA (WAAS: Wide Area Augmentation System) og Japan (MTSAS: MTSAT Satellite-Based Augmentation System) arbejder på lignende tjenester.

Europa vil også opsende GNSS-1, som står for "Global Navigation Satellite System 1". Dette system vil kombinere tjenesterne fra GPS, GLONASS, EGNOS, WAAS og MTSAS. Det bliver det første skridt mod et europæisk positioneringssystem (GNSS-2 eller Galileo), som vil bruge en konstellation af europæiske satellitter.

Endelig skal det bemærkes, at i de næste fem år vil GPS og GPS/GLONASS være de eneste positioneringssystemer baseret på satellitter, der vil være i drift.

Afslutningsvis

For at opnå en høj grad af nøjagtighed skal man være opmærksom på, hvordan GPS-målefejl opstår. NOAA GPS Toolbox er et vigtigt værktøj for forskere og ingeniører, der arbejder med GPS-teknologi, da den tilbyder nyttig software og ressourcer, der kan hjælpe med at reducere disse unøjagtigheder.