Mobil érzékelés: GPS helymeghatározás

A globális helymeghatározó rendszer (GPS)

A globális helymeghatározó rendszer (GPS) egy helymeghatározó rendszer, amelyet az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma fejlesztett ki katonai célokra. Pontos becsléseket nyújt a helyzetre, sebességre és időre vonatkozóan, egy számítógépes hálózat és 24 műhold konstellációja segítségével határozza meg bármely tárgy magasságát, hosszúságát és szélességét a Föld felszínén háromszögelés útján. A rendszer 1995 óta működik.

A GPS polgári használata

A polgári szférában biztonsági okokból csak a GPS jelek degradált részhalmaza engedélyezett. Azonban a polgári közösség alternatívákat talált a kiváló helymeghatározási pontosság elérésére differenciális technikák révén. Ezek a technikák óriási növekedést eredményeztek a polgári alkalmazásokban, és jelenleg több mint 70 GPS vevő gyártó létezik.

Működési elvek

A GPS rendszer célja bármely pont helyzetének kiszámítása egy koordináta térben (x,y,z), kiindulva a pont távolságainak kiszámításából legalább három műholdhoz, amelyek helyzete ismert. A felhasználó (GPS vevő) és egy műhold közötti távolságot a műholdról kibocsátott jel repülési idejének szorzásával mérjük annak terjedési sebességével.

Annak meghatározásához, hogy a rádiójel mennyi idő alatt utazott, a műholdak és a vevők óráit ugyanarra az időre kell beállítani. Ez azért van, mert mindkettőnek ugyanazt a kódot kell kibocsátania egyszerre. De míg a műholdak órái nagyon pontosak, a vevők órái olcsó kvarc oszcillátorok, amelyek nem pontosak. A szinkronizmusból adódó hibákkal rendelkező távolságokat pszeudotávolságoknak nevezik. A vevők óráinak különbsége egy másik ismeretlen, ami szükségessé teszi legalább négy műhold használatát a vevők helyének meghatározásához.

Pszeudotávolságok számítása

A pszeudotávolságok számításánál figyelembe veszik, hogy a GPS jelek gyengék, és a rádiósávban a bolygóra jellemző háttérzajba merülnek. Ez a természetes zaj véletlenszerű impulzusokból áll, ami a GPS vevők által generált mesterséges pszeudo-véletlen kód létrehozásához vezet, mint a fluktuációk mintája. Minden pillanatban egy műhold olyan jelet sugároz, amelynek mintája megegyezik a vevő által generált pszeudo-véletlen sorozattal. Ezen szinkronizáció alapján a vevő kiszámítja a távolságot azáltal, hogy időben elmozdítja a pszeudo-véletlen kódját, amíg az nem egyezik a kapott kóddal; ez az elmozdulás a jel repülési idejének felel meg. Ez a folyamat automatikusan, folyamatosan és azonnal történik minden vevőben.

Földi állomások és atomórák

Bár a műholdak sebessége magas (4 km/s), pillanatnyi helyzetüket néhány méternél kisebb hibával lehet becsülni az előző helyzetek 24-48 órás időszakra vonatkozó előrejelzése alapján. A földi állomások időnként felülvizsgálják a műholdak atomóráit, két cézium és két rubídium órát, küldve az efemeriszt és az órák korrekcióit, mivel az órák pontossága és a műholdak pályájának stabilitása kulcsfontosságú a GPS rendszer működésében.

A GPS hibaforrásai

Számos hibaforrás létezik, amely befolyásolhatja a GPS méréseket. Néhány fő forrás:

• Ionoszférikus zavar: Az ionoszféra elektromosan töltött részecskék rétegéből áll, amelyek befolyásolhatják a rajta áthaladó rádiójelek sebességét.

• Meteorológiai jelenségek: A troposzférában, a Föld felszínéhez legközelebb eső rétegben lévő vízgőz lelassíthatja az elektromágneses jeleket, és nehezen korrigálható hibákat okozhat a GPS mérésekben.

• Órapontatlanság: Még gondos beállítás és ellenőrzés mellett is, mind a GPS műholdak atomórái, mind a vevők órái mutathatnak enyhe eltéréseket.

• Váratlan elektromos interferencia: Az elektromos interferencia hibákat okozhat a pszeudo-véletlen kódok korrelációjában vagy a pályaszámításban, ami akár egy méteres eltéréseket is eredményezhet.

• Többutas hiba: A GPS jelek visszaverődhetnek felületekről, mielőtt elérnék a vevőt, ami hibákat okozhat a mért távolságban. Nehéz minimalizálni ezt a hibát, mivel a GPS antenna környezetétől függ.

• Szelektív elérhetőség (S/A): A katonai szándékosan vezeti be ezt a hibaforrást, ami a legnagyobb.

• Vevő-műhold topológia: A látható műholdak térbeli elrendezése, amelyet a távolságok kiszámításához használnak, befolyásolhatja a GPS mérések pontosságát. A fejlett vevők képesek módosítani a távolságmérési hibát.

Ezek a hibaforrások kategorizálhatók azokba, amelyek a műholdak geometriájától függenek, és azokba, amelyek nem. A szelektív elérhetőség és az órahibák nem függenek a műhold alakjától, de az ionoszférikus és troposzférikus késleltetések és a többutas hibák nagyon is függenek a műhold alakjától. Minden GPS helyzetmérésnek van egy értéke, amelyet ’bizonytalanság”-nak neveznek, amely az összes különböző hibaforráson alapul.

GPS alkalmazások

A GPS alkalmazásoknak számos felhasználási területe van, beleértve a navigációs segédrendszereket, az atmoszférikus és földi térmodellezést, valamint a nagy pontosságú időmérést. Íme néhány példa a polgári területeken használt GPS rendszerekre:

• Atmoszférikus jelenségek tanulmányozása: A GPS jelek hasznosak az időjárás-előrejelzési modellek kidolgozásában a troposzférában lévő vízgőz által okozott sebességváltozások elemzésével.

• Helymeghatározás és navigáció nehezen hozzáférhető régiókban: A GPS-t kutató expedíciókban használják nehezen megközelíthető területeken vagy olyan területeken, ahol nincsenek tájékozódási pontok. Ez segít elmélyíteni a sarki vagy sivatagi régiók ismeretét.

• Geológiai és topográfiai modellek: A GPS-t geológusok használják a tektonikus lemezek mozgásának tanulmányozására és a földrengések előrejelzésére. Alapvető eszköz a topográfiában is földmérésekhez és erdészeti és mezőgazdasági leltárakhoz.

• Építőmérnöki tervezés: A GPS-t valós időben használják a nagy terhelésnek kitett szerkezetek, például fém- vagy beton szerkezetek deformációinak megfigyelésére.

• Automatikus riasztórendszerek: A GPS-t riasztórendszerekben használják, amelyek érzékelőkhöz kapcsolódnak, amelyek figyelik a nagy kockázatú szennyező és romlandó áruk szállítását. A riasztás lehetővé teszi a jármű gyors segítését.

• Jelek szinkronizálása: Az elektromos ipar a GPS-t használja a megfigyelő állomások óráinak szinkronizálására, hogy megtalálja az elektromos szolgáltatásban előforduló hibákat.

• Útmutatás a fizikailag hátrányos helyzetűek számára: GPS rendszereket fejlesztenek vak emberek városi navigációjának segítésére. Tanulmányozzák a turizmusban való felhasználását is, hogy optimalizálják az útvonalakat a különböző helyek között egy útvonalon.

• Járműflották navigációja és irányítása: A GPS-t útvonaltervezésre és járműflotta-irányításra használják olyan szervezetek, mint a rendőrség, a mentőszolgálatok, a taxiállomások, a futárszolgálatok és a szállítmányozó cégek.

• Polgári repülési rendszerek: A GPS-t a polgári repülésben használják a navigációs és leszállási műveletek segítésére. Fontossága miatt olyan rendszerek fejlesztése indult el, amelyek a GPS pontosságának javítását célozzák.

• Segítség nélküli járműnavigáció: A GPS-t beépítik a DGPS rendszerekbe a pontos manőverezés érdekében intenzív forgalmú területeken, autonóm szárazföldi járművekben, ellenséges környezetek megfigyelésében és teherszállításban.

A GPS mérések nagy pontosságával fontos előrelépések történtek az alacsony pályájú űrben. A robotok most már önállóan végezhetnek veszélyes munkákat, például mesterséges műholdak ellenőrzését, javítását és összeszerelését.

A GPS jövője

1996-ban a GPS rendszerekre vonatkozó szabályozások meghatározták, hogy a szelektív elérhetőséget 2006-ban megszüntetik, és egy további frekvenciát vezetnek be polgári használatra. Ez azt jelenti, hogy néhány éven belül, a GPS műholdak polgári kódot fognak sugározni mind az L2, mind az L1 frekvencián. Ez redundanciát hoz létre, amely lehetővé teszi az ionoszférikus hibák becslését, és abszolút módú pontosságot biztosít, hasonlóan ahhoz, amit differenciális technikákkal lehet elérni. Az L1 frekvencián lévő jel változatlan marad, így a jelenlegi vevők továbbra is működhetnek.

A vezérlő szegmenst javítani fogják egy új vezérlőrendszer indításával, amely jelenleg a tervezési fázisban van, a szakértői állomás számára. Ez összesen húsz megfigyelő állomást foglal majd magában, ami pontosabb ellenőrzést eredményez az efemeriszek és a műholdak órái felett.

Azonban a jelenlegi GPS, GLONASS és GPS/GLONASS navigációs rendszerek nem képesek megfelelni a szigorú biztonsági előírásoknak, amelyeket néhány polgári alkalmazás, például a légi navigáció megkövetel. A rendszer működésével kapcsolatos hibák felhasználói értesítése egy másodperctől, amikor a hiba a műholdon történik, több óráig is tarthat, ha a vezérlő szegmens észleli a hibát.

Ezen hátrányok megoldására Európa fejleszti az EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) rendszert, amely 2003-ban lesz működőképes. Ez a rendszer megfelel a légi navigáció biztonsági előírásainak azáltal, hogy 34 fix vevőantenna (RIMS) hálózatát telepíti a földön a GPS jelek fogadására és a helymeghatározási hibák csökkentésére. Ezeket a jeleket egy vezérlőközpontba küldik, ahol a műholdinformációt kalibrálják, mérve a lehetséges hibát annak kijavítására, majd újra elküldik 10 földi állomásra. Ezenkívül ezeket a jeleket két új geostacionárius INMARSAT műholdra küldik, amelyek 35 000 km magasságban helyezkednek el, és ismétlőként működnek, és a jeleket a felhasználókhoz küldik. Mind az Egyesült Államok (WAAS: Wide Area Augmentation System), mind Japán (MTSAS: MTSAT Satellite-Based Augmentation System) hasonló szolgáltatásokon dolgozik.

Európa elindítja a GNSS-1, -et is, amely a “Globális Navigációs Műholdrendszer 1” rövidítése. Ez a rendszer kombinálja a GPS, a GLONASS, az EGNOS, a WAAS és az MTSAS szolgáltatásait. Ez lesz az első lépés egy európai helymeghatározó rendszer (GNSS-2 vagy Galileo) felé, amely európai műholdak konstellációját fogja használni.

Végül meg kell jegyezni, hogy az elkövetkező öt évben a GPS és a GPS/GLONASS lesz az egyetlen műholdakon alapuló helymeghatározó rendszer, amely működőképes lesz.

In conclusion

A magas szintű pontosság elérése megköveteli a GPS mérési hibáinak eredetének ismeretét. A NOAA GPS Toolbox alapvető eszköz a GPS technológiával dolgozó kutatók és mérnökök számára, mivel hasznos szoftvereket és forrásokat kínál a pontatlanságok csökkentésére.