Mobil avkänning: GPS-position

Det globala positioneringssystemet (GPS)

Det globala positioneringssystemet (GPS) är ett lokalisationssystem utvecklat av USA:s försvarsdepartement för militära ändamål. Det tillhandahåller exakta uppskattningar av position, hastighet och tid genom att använda ett datornätverk och en konstellation av 24 satelliter för att bestämma höjd, longitud och latitud för vilket objekt som helst på jordens yta genom triangulering. Systemet har varit i drift sedan 1995.

Civil användning av GPS

Inom den civila sfären, på grund av säkerhetsskäl, tillåts endast en degraderad delmängd av GPS-signaler. Dock har det civila samhället funnit alternativ för att uppnå utmärkt positionsprecision genom differentiella tekniker. Dessa tekniker har lett till en enorm tillväxt i civila applikationer, och det finns för närvarande över 70 tillverkare av GPS-mottagare.

Driftsprinciper

Syftet med GPS-systemet är att beräkna positionen för vilken punkt som helst i ett koordinatsystem (x,y,z), med utgångspunkt från beräkningen av avstånden från punkten till minst tre satelliter vars position är känd. Avståndet mellan användaren (GPS-mottagaren) och en satellit mäts genom att multiplicera signalens flygtid från satelliten med dess utbredningshastighet.

För att ta reda på hur lång tid det tog för radiosignalen att resa, måste satelliternas och mottagarnas klockor ställas in på samma tid. Detta beror på att de båda måste sända ut samma kod samtidigt. Men medan klockorna på satelliterna är mycket exakta, är klockorna på mottagarna billiga kvartsoscillatorer som inte är exakta. Avstånd med fel på grund av synkronism kallas pseudorange. Skillnaden i mottagarnas klockor är en annan okänd som gör det nödvändigt att använda minst fyra satelliter för att räkna ut var mottagarna är.

Beräkning av pseudorange

Vid beräkningen av pseudorange tas det i beaktande att GPS-signaler är svaga och är nedsänkta i bakgrundsbruset som är inneboende på planeten i radiobandet. Detta naturliga brus består av slumpmässiga pulser, vilket leder till genereringen av en artificiell pseudorandomkod av GPS-mottagare som ett mönster av fluktuationer. Vid varje ögonblick sänder en satellit ut en signal med samma mönster som den pseudorandomserie som genereras av mottagaren. Baserat på denna synkronisering beräknar mottagaren avståndet genom att flytta sin pseudorandomkod i tid tills den sammanfaller med den mottagna koden; denna förskjutning motsvarar signalens flygtid. Denna process utförs automatiskt, kontinuerligt och omedelbart i varje mottagare.

Markstationer och atomklockor

Även om satelliternas hastighet är hög (4 km/s), kan deras omedelbara position uppskattas med ett fel på mindre än flera meter baserat på en förutsägelse av tidigare positioner under en period av 24 till 48 timmar. Markstationerna granskar periodiskt satelliternas atomklockor, två av cesium och två av rubidium, och skickar efemeriderna och klockornas korrigeringar, eftersom klockornas precision och satelliternas banstabilitet är nyckeln i driften av GPS-systemet.

Källor till fel i GPS

Det finns flera källor till fel som kan påverka GPS-mätningar. Några av de största källorna är:

• Jonosfärisk störning: Jonosfären består av ett lager av elektriskt laddade partiklar som kan påverka hastigheten på radiosignaler som passerar genom den.

• Meteorologiska fenomen: Vattenånga i troposfären, det lager som är närmast jordens yta, kan sakta ner elektromagnetiska signaler och orsaka fel i GPS-mätningar som är svåra att korrigera.

• Oprecision i klockor: Även med noggrann justering och kontroll kan både GPS-satelliternas atomklockor och mottagarnas klockor visa små avvikelser.

• Oförutsedd elektrisk störning: Elektrisk störning kan orsaka fel i korrelationen av pseudorandomkoder eller i banberäkningen, vilket leder till missanpassningar på upp till en meter.

• Flervägsfel: GPS-signaler kan reflekteras från ytor innan de når mottagaren, vilket leder till fel i det uppmätta avståndet. Det är utmanande att minimera detta fel eftersom det beror på GPS-antennens miljö.

• Selektiv tillgänglighet (S/A): Militären introducerar avsiktligt denna felkälla, vilket gör den till den största.

• Mottagare-satellit-topologi: Den rumsliga arrangemanget av synliga satelliter som används vid beräkningen av avstånd kan påverka precisionen av GPS-mätningar. Avancerade mottagare kan modifiera avståndsmätningsfelet.

Dessa felkällor kan kategoriseras i de som beror på satelliternas geometri och de som inte gör det. Selektiv tillgänglighet och klockfel påverkas inte av satellitens form, men jonosfäriska och troposfäriska fördröjningar och flervägsfel påverkas mycket av satellitens form. Varje GPS-positionsmätning har ett värde kallat ’osäkerhet” som baseras på alla de olika felkällorna.

GPS-applikationer

GPS-applikationer har flera användningsområden, inklusive navigationshjälpsystem, atmosfärisk och jordisk rymdmodellering, och högprecisions tidsmätning. Här är några exempel på GPS-system som används inom civila områden:

• Studie av atmosfäriska fenomen: GPS-signaler är användbara vid utveckling av väderprognosmodeller genom att analysera förändringarna i hastighet orsakade av vattenånga i troposfären.

• Lokalisering och navigation i ogästvänliga regioner: GPS används i forskningsutflykter i svåråtkomliga områden eller områden utan landmärken. Detta hjälper till att fördjupa kunskapen om polar- eller ökenregioner.

• Geologiska och topografiska modeller: GPS används av geologer för att studera rörelsen av tektoniska plattor och för jordbävningsförutsägelser. Det är också ett grundläggande verktyg inom topografi för markundersökningar och skogs- och jordbruksinventeringar.

• Byggnadsteknik: GPS används för att övervaka i realtid deformationerna av stora strukturer som utsätts för belastningar, såsom metall- eller betongstrukturer.

• Automatiska larmsystem: GPS används i larmsystem kopplade till sensorer som övervakar transporten av högrisk förorenande och förgängliga varor. Larmet möjliggör snabb assistans till fordonet.

• Synkronisering av signaler: Elindustrin använder GPS för att synkronisera klockorna på sina övervakningsstationer för att lokalisera möjliga fel i elservicen.

• Vägledning för fysiskt handikappade: GPS-system utvecklas för att hjälpa blinda människor att navigera genom staden. Det studeras också för användning inom turism för att optimera rutter mellan olika platser på en rutt.

• Navigation och kontroll av fordonsflottor: GPS används för planering av banor och kontroll av fordonsflottor av organisationer som polisen, räddningstjänster, taxistationer, kurirtjänster och leveransföretag.

• Civila luftfartssystem: GPS används inom civil luftfart för att hjälpa till med navigations- och landningsoperationer. Dess betydelse har lett till utvecklingen av system som syftar till att förbättra GPS-precisionen.

• Oassisterad fordonsnavigation: GPS är inkorporerat i DGPS-system för exakt manövrering i områden med intensiv trafik, i autonoma landfordon, övervakning i fientliga miljöer och godstransport.

Med den höga precisionen av GPS-mätningar har viktiga framsteg gjorts i rymden i låga banor. Robotar kan nu utföra farliga jobb på egen hand, som att inspektera, reparera och montera konstgjorda satelliter.

GPS:ens framtid

År 1996 bestämdes regler för GPS-system som fastställde att selektiv tillgänglighet skulle avskaffas 2006 och en frekvens till skulle införas för civil användning. Detta innebär att inom några år, GPS-satelliter kommer att sända civil kod på både L2- och L1-frekvenserna. Detta kommer att skapa en redundans som gör det möjligt att uppskatta jonosfäriska fel och ge en absolut lägesprecision liknande den som kan uppnås med differentiella tekniker. Signalen på L1-frekvensen kommer att förbli densamma, så nuvarande mottagare kommer fortfarande att kunna fungera.

Kontrollsegmentet kommer att förbättras med uppstarten av ett nytt kontrollsystem, för närvarande i designfasen, för expertstationen. Detta kommer att inkludera upp till totalt tjugo övervakningsstationer, vilket resulterar i mer exakt kontroll av efemeriderna och satellitklockorna.

Dock kan nuvarande GPS-, GLONASS- och GPS/GLONASS-navigationssystem inte uppfylla de strikta säkerhetsstandarder som krävs av vissa civila applikationer, såsom luftfart. Meddelandet om fel till användaren angående systemets drift kan ta från en sekund, när felet uppstår i satelliten, till flera timmar, i fall där kontrollsegmentet upptäcker felet.

För att lösa dessa nackdelar utvecklar Europa EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), som kommer att vara i drift 2003. Detta system kommer att uppfylla säkerhetsstandarder för luftfart genom att installera ett nätverk av 34 fasta mottagarantenner (RIMS) på land för att ta emot GPS-signaler och minska positionsfel. Dessa signaler kommer att skickas till ett kontrollcenter där satellitinformationen kommer att kalibreras, mäta det möjliga felet för att korrigera det, och skickas igen till 10 markstationer. Dessutom kommer dessa signaler att skickas till två nya geostationära INMARSAT-satelliter belägna på en höjd av 35 000 km, som kommer att fungera som repeatrar och skicka signalerna till användarna. Både USA (WAAS: Wide Area Augmentation System) och Japan (MTSAS: MTSAT Satellite-Based Augmentation System) arbetar med liknande tjänster.

Europa kommer också att lansera GNSS-1, vilket står för “Global Navigation Satellite System 1.” Detta system kommer att kombinera tjänsterna från GPS, GLONASS, EGNOS, WAAS och MTSAS. Detta kommer att vara det första steget mot ett europeiskt positioneringssystem (GNSS-2 eller Galileo) som kommer att använda en konstellation av europeiska satelliter.

Slutligen bör det noteras att inom de närmaste fem åren kommer GPS och GPS/GLONASS att vara de enda positioneringssystemen baserade på satelliter som kommer att vara i drift.

är WIFI-nätverk en bekväm och viktig del av det moderna livet, men de utgör också betydande risker för cyberbrott. Det är avgörande att vara medveten om dessa risker och vidta åtgärder för att skydda dig själv och din organisation. Genom att implementera rätt säkerhetsåtgärder, vara vaksam och utbilda dig själv och andra, kan du minska sannolikheten för att bli ett offer för WIFI-cyberbrott.

Att nå höga nivåer av noggrannhet kräver medvetenhet om ursprunget till GPS-mätfel. NOAA GPS Toolbox är ett viktigt verktyg för forskare och ingenjörer som arbetar med GPS-teknik eftersom det erbjuder användbar programvara och resurser för att hjälpa till att minska dessa fel.