GPS je navigačná technológia, ktorá pomocou satelitov poskytuje presné informácie o polohe. Systém GPS v zásade pozostáva zo skupiny satelitov a dobre vyvinutých nástrojov, ako je prijímač. Systém by však mal obsahovať najmenej štyri satelity. Každý satelit a prijímač sú vybavené stabilnými atómovými hodinami. Satelitné hodiny sú synchronizované navzájom a pozemnými hodinami. Prijímač GPS má tiež hodiny, ale nie sú synchronizované a nie sú stabilné (menej stabilné). Akákoľvek odchýlka skutočného času satelitov od pozemných hodín by sa mala korigovať každý deň. Zo synchronizovanej siete satelitov a prijímača sa musia vypočítať štyri neznáme veličiny (tri súradnice a odchýlka hodín od času satelitu).Úlohou prijímača GPS je prijímať signály zo siete satelitov a vypočítať tri základné neznáme rovnice času a polohy.
Signál GPS obsahuje pseudonáhodné kódy a čas prenosu a polohu satelitu v tom čase. Signál vysielaný pomocou GPS sa nazýva aj nosná frekvencia s moduláciou. Ďalej je pseudonáhodný kód postupnosťou núl a jednotiek. Prakticky sa poloha prijímača a posunutie hodín prijímača vzhľadom na čas systémového prijímača počítajú súčasne pomocou navigačných rovníc na spracovanie času letu (TOF). TOF sú štyri hodnoty, ktoré prijímač vytvára pomocou času príchodu a času prenosu signálu. Poloha sa zvyčajne prevedie na zemepisnú šírku, dĺžku a výšku vzhľadom na geoidy (v podstate to znamená priemernú hladinu mora). Potom sa na obrazovke zobrazia súradnice.
Prvky GPS
Štruktúra GPS je zložitá. Skladá sa z troch hlavných segmentov vesmírneho segmentu, riadiaceho segmentu a užívateľského segmentu. Vypustenie satelitu na strednú obežnú dráhu Zeme je namáhavá práca. Vesmírny segment obsahuje 24 až 32 satelitov alebo vesmírnych vozidiel na tej istej obežnej dráhe, z ktorých každý je 8 na troch kruhových dráhach. Najmenej šesť satelitov je vždy v priamej viditeľnosti takmer odkiaľkoľvek na povrchu Zeme.
Vedľa vesmírneho segmentu je riadiaci segment. V riadiacom segmente je hlavná riadiaca stanica, alternatívna hlavná riadiaca stanica, pozemné antény a monitorovacia stanica. Segment používateľov sa skladá z tisícov civilnej, obchodnej a vojenskej pozičnej služby. Prijímač GPS alebo zariadenie sa skladá z antény naladenej na frekvenciu prenášanú satelitmi. Zahŕňa tiež displej, ktorý poskytuje polohu a čas.
Prijímač GPS je klasifikovaný podľa počtu satelitov, ktoré dokáže súčasne monitorovať, čo je počet kanálov. Prijímače majú zvyčajne štyri až päť kanálov, ale nedávny pokrok ukázal, že bolo vytvorených až 20 kanálov.
Frekvencia satelitu: Všetky frekvencie satelitného vysielania. Frekvenčné pásmo obsahuje päť typov, ako napríklad L1, L2, L3, L4 a L5. Tieto pásma majú frekvenčné rozsahy medzi 1176 MHz a 1 600 M Hz.
Ako funguje GPS
Satelity GPS sa otáčajú po celej zemi dvakrát za deň. Točí sa okolo veľmi presným smerom a vysiela zem a indikácie a informácie. Prijímače GPS získajú všetky informácie a pomocou triangulácie zistia presnú polohu používateľa. Prijímač GPS v zásade porovnáva dobu, po ktorú sa signál šíril satelitom, a určuje čas, ktorý bol prijatý. Časový rozdiel určuje, ako ďaleko je prijímač od satelitov GPS. Meria presnú vzdialenosť niekoľkými ďalšími satelitmi a prijímač určí polohu používateľa a zobrazí ju na mape elektronického prístroja.
Prijímač musí byť uzamknutý na signál najmenej tromi satelitmi, aby sa vytvorila dvojrozmerná poloha, a tiež sledovať pohyb používateľa. Pri použití štyroch alebo viacerých satelitov môže prijímač určiť trojrozmernú polohu používateľa, ktorá sa skladá z nadmorskej výšky, zemepisnej šírky a dĺžky. Po určení polohy používateľa jednotka GPS vypočíta ďalšie informácie, ako napríklad rýchlosť, smerovanie, stopu, vzdialenosť, cieľ, východ slnka a čas západu slnka.
Aké presné je GPS?
Prijímače GPS sú veľmi presné z dôvodu paralelného viackanálového prevedenia. Paralelné kanály sú veľmi rýchle a presné, aj keď niektoré faktory, ako napríklad atmosférický šum a poruchy, môžu niekedy rušiť a ovplyvňovať presnosť prijímačov GPS.
Používatelia môžu tiež získať vylepšenú presnosť pomocou systému diferenciálneho GPS (DGPS), ktorý koriguje signály GPS na vzdialenosť okolo troch až piatich metrov. Pobrežná stráž USA prevádzkuje najbežnejšiu korekčnú službu DGPS. Systém obsahuje usporiadanie veží, ktoré získavajú signály GPS a vysielajú presný signál pomocou majákových vysielačov. Aby bolo možné získať presný signál, musia mať používatelia okrem GPS aj diferenciálny majákový prijímač a majáčkovú anténu.
Zdroje chýb signálu GPS
Medzi faktory, ktoré môžu narušiť presnosť signálov GPS, a tým ovplyvniť presnosť, patria nasledujúce:
- Oneskorenie ionosféry a troposféry - Satelitný signál sa spomalí, keď prechádza vrstvami atmosféry. Systém GPS používa zabudovaný model, ktorý sa používa na výpočet pravidelného trvania prekážok potrebných na nápravu tohto typu nepresnosti.
- Signál viaccestný - K tejto chybe došlo, keď sa signál odráža od objektov, ako sú vyššie budovy a väčšie skaly, skôr ako sa dostane k prijímaču. To zvyšuje celkové časové trvanie pohybu signálu a spôsobuje chyby a nepresnosť.
- Orbitálne chyby - Tieto chyby sú tiež známe ako chyby efemeridy, ktoré sa používajú na výpočet nepresností umiestnenia satelitu.
- Počet viditeľných satelitov - presnosť závisí od presného počtu satelitov, ktoré prijímač GPS dokáže vidieť. Faktory ako budovy, terén, elektronické rušenie blokujú presnosť a príjem signálu, čo spôsobuje chyby v polohe a niekedy žiadne čítanie signálov. Spravidla nefunguje v interiéroch, pod vodou ani v podzemí.
Aplikácie
Nielen na vojenské účely je prístroj GPS všeobecne známy pre svoje použitie v civilných a komerčných službách. Niektoré civilné aplikácie sú:
1. Astronómia: Používa sa pri výpočtoch astrometrie a nebeskej mechaniky.
2. Automatizované vozidlá: Používa sa tiež v automatizovaných vozidlách (vozidlá bez vodičov) na aplikáciu miest pre osobné a nákladné automobily.
3. Mobilné telefonovanie: Moderné mobilné telefóny sú vybavené softvérom na sledovanie GPS. Je prítomný, pretože človek môže poznať svoju polohu a môže tiež sledovať blízke služby, ako sú bankomaty, kaviarne, obmedzenia, atď. Prvý GPS s povoleným mobilným telefónom bol uvedený na trh v 90. rokoch. V celulárnej telefónii sa používa aj na detekciu tiesňových volaní a mnohých ďalších aplikácií.
4. Pomoc pri katastrofách a ďalšie pohotovostné služby: V prípade akejkoľvek prírodnej katastrofy je najlepším nástrojom na zistenie polohy GPS. Už pred katastrofami, ako sú cyklóny, pomáha GPS pri výpočte predpokladaného času.
5. Sledovanie flotily: GPS je vývojový nástroj známy svojim potenciálom sledovať vojenské lode počas vojny.
6. Umiestnenie automobilu: Automobil s povoleným GPS uľahčuje sledovanie jeho polohy.
7. Geo oplotenie: Pri geo oplotení používame GPS na sledovanie človeka, zvieraťa alebo automobilu. Zariadenie je pripevnené k vozidlu, osobe alebo na obojku zvieraťa. Poskytuje nepretržité sledovanie a aktualizáciu.
8. Geo tagging: jednou z hlavných aplikácií je geotagging, čo znamená použitie miestnych súradníc na digitálne objekty.
9. GPS pre ťažbu: Používa presnosť určovania polohy na centimetre.
10. GPS túry: pomáha pri určovaní polohy neďalekého bodu záujmu.
11. Geodetické práce: Geodeti využívajú na vytváranie máp globálny pozičný systém.