Che cos'è il sistema di posizionamento globale? Capire il GPS

Il sistema di posizionamento globale o GPS è un sistema di navigazione satellitare globale (GNSS) che fornisce il posizionamento, la navigazione e il sistema di cronometraggio (PNT). È stato sviluppato dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti (US DoD) nei primi anni '1970. Esistono altri sistemi di navigazione satellitare come il russo GLONASS, l'europeo Galileo e il cinese BeiDou, ma il Global Positioning System (GPS) degli Stati Uniti e il Russian Global Navigation Satellite System (GLONASS) sono gli unici completamente funzionanti basati su satellite. Sistema di navigazione con rispettivamente 32 costellazioni di satelliti e 27 costellazioni di satelliti. Prima dello sviluppo della tecnologia GPS, i principali aiuti per la navigazione (in mare, terra o acqua) sono mappe e bussola. Con l'introduzione del GPS, la navigazione e il posizionamento della posizione sono diventati molto facili con una precisione di posizione di due metri o meno. Cronologia del GPSPanoramica della struttura GPSSegmenti GPSSegmento di spazioSegmento di controlloSegmento utentePrincipio di funzionamento del GPSDeterminazione della posizione dei satellitiDeterminazione della distanza tra i satelliti e il ricevitore GPSPosizione di Ricevitore nel piano 2-DPosizione del ricevitore nello spazio 3DTipi di ricevitori GPSApplicazioni del sistema di posizionamento globale (GPS)Storia del GPSPrima dello sviluppo del GPS, sistemi di navigazione a terra come LORAN (Long Range Navigation) negli Stati Uniti e Decca Navigator System dal Regno Unito sono le principali tecnologie per la navigazione. Entrambe queste tecniche si basano su onde radio e le portate erano limitate a poche centinaia di chilometri. All'inizio degli anni '1960, tre delle organizzazioni governative degli Stati Uniti, ovvero la National Aeronautics and Space Administration (NASA), il Dipartimento della Difesa (DoD) e il Dipartimento dei trasporti (DoT) insieme a diverse altre organizzazioni hanno iniziato a sviluppare un sistema di navigazione satellitare con l'obiettivo di fornire alta precisione, funzionamento indipendente dalle condizioni meteorologiche e copertura globale. Questo programma si è evoluto in Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System (NAVSTAR Global Positioning System). Questo sistema è stato inizialmente sviluppato come sistema militare per soddisfare le esigenze dell'esercito degli Stati Uniti. Gli Stati Uniti I militari hanno utilizzato NAVSTAR per la navigazione, nonché per il targeting di sistemi d'arma e sistemi di guida dei missili. La possibilità che i nemici utilizzino questo sistema di navigazione contro gli Stati Uniti è il motivo principale per cui i civili non hanno avuto accesso ad esso. Il primo satellite NAVSTAR è stato lanciato nel 1978 e nel 1994 una costellazione completa di 24 satelliti è stata messa in orbita e quindi è completamente operativo. Nel 1996, gli Stati Uniti Il governo ha riconosciuto l'importanza del GPS per i civili e ha dichiarato un sistema a duplice uso, consentendo l'accesso sia ai militari che ai civili. Panoramica della struttura del GPS La tecnica fondamentale del sistema di navigazione satellitare Global Positioning System (GPS) è misurare le distanze tra il ricevitore e un pochi satelliti che vengono osservati contemporaneamente. Le posizioni di questi satelliti sono già note e quindi misurando la distanza tra quattro di questi satelliti e il ricevitore, le tre coordinate della posizione del ricevitore GPS cioè si possono stabilire latitudine, longitudine e altitudine. Poiché il cambiamento di posizione del ricevitore può essere determinato in modo molto accurato, è possibile determinare anche la velocità del ricevitore. Segmenti GPS La struttura di questo complesso sistema di posizionamento globale è divisa in tre segmenti principali: il segmento spaziale, il segmento di controllo e l'utente Segmento. In questo, il segmento di controllo e il segmento spaziale sono sviluppati, gestiti e mantenuti dalla United States Air Force. L'immagine seguente mostra i tre segmenti del sistema GPS. Segmento spaziale Il segmento spaziale (SS) del GPS è costituito da una costellazione di 24 satelliti che orbitano intorno alla Terra in orbite approssimativamente circolari. I satelliti sono posizionati in sei piani orbitali con ciascun piano orbitale costituito da quattro satelliti. L'inclinazione dei piani orbitali e il posizionamento dei satelliti è disposto in modo particolare in modo tale che un minimo di sei satelliti siano sempre in linea di vista da qualsiasi luogo sulla Terra. Venendo alla disposizione della costellazione nello spazio, il GPS I satelliti sono posizionati nell'orbita terrestre media (MEO) ad un'altitudine di circa 20,000 KM. Per aumentare la ridondanza e migliorare la precisione, il numero totale di satelliti GPS nella costellazione è stato aumentato a 32, di cui 31 sono operativi. Segmento di controllo Il segmento di controllo (CS) del GPS è costituito da una rete mondiale di monitoraggio e controllo e stazioni di rilevamento. Il compito principale del segmento di controllo è tracciare la posizione dei satelliti GPS e mantenerli in orbita corretta con i comandi di manovra di aiuto. Inoltre, il sistema di controllo determina e mantiene anche l'integrità del sistema di bordo, le condizioni atmosferiche, i dati degli orologi atomici e altri parametri. Il segmento di controllo GPS è nuovamente suddiviso in quattro sottosistemi: una nuova stazione di controllo principale (NMCS), una stazione di controllo principale alternativa (AMCS), quattro antenne di terra (GA) e una rete mondiale di stazioni di monitoraggio (MS). Il nodo di controllo centrale per la costellazione satellitare GPS è la Master Control Station (MSC). Si trova presso la base aeronautica di Schriever, in Colorado e opera 24 ore su 7, XNUMX giorni su XNUMX. Le principali responsabilità della stazione di controllo principale sono: manutenzione del satellite, monitoraggio del carico utile, sincronizzazione degli orologi atomici, manovra satellitare, gestione delle prestazioni del segnale GPS, caricamento dei dati dei messaggi di navigazione, rilevamento Guasti di segnalazione GPS e risposta a tali guasti. Esistono diverse stazioni di monitoraggio (MS), ma sei di esse sono importanti. Si trovano alle Hawaii, Colorado Springs, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein e Cape Canaveral. Queste stazioni di monitoraggio tracciano continuamente la posizione dei satelliti e i dati vengono inviati alla stazione di controllo principale per ulteriori analisi. Per trasmettere i dati ai satelliti, ci sono quattro antenne di terra (GA) situate come Ascension Island, Cape Canaveral, Diego Garcia e Kwajalein. Queste antenne vengono utilizzate per collegare i dati ai satelliti e i dati possono essere qualsiasi cosa come la correzione dell'orologio, i comandi di telemetria e i messaggi di navigazione. Segmento utente Il segmento utente del sistema GPS è costituito dall'utente finale della tecnologia come civili e militari per la navigazione, preciso o standard posizionamento e tempistica. Generalmente, per accedere ai servizi GPS, l'utente deve essere dotato di ricevitori GPS come moduli GPS stand-alone, telefoni cellulari abilitati per il GPS e console GPS dedicate. Con questi ricevitori GPS, gli utenti civili possono conoscere la posizione standard, accurata tempo e velocità mentre i militari li usano per il posizionamento preciso, la guida missilistica, la navigazione, ecc. Principio di funzionamento del GPS Con l'aiuto dei ricevitori GPS, possiamo calcolare la posizione di un oggetto ovunque sulla Terra in uno spazio bidimensionale o tridimensionale . Per questo, i ricevitori GPS utilizzano un metodo matematico chiamato Trilaterazione, un metodo mediante il quale la posizione di un oggetto può essere determinata misurando la distanza tra l'oggetto e pochi altri oggetti con posizioni già note. Quindi, nel caso dei ricevitori GPS, nell'ordine per scoprire la posizione del ricevitore, il modulo ricevitore deve conoscere le seguenti due cose:• Posizione dei satelliti nello spazio e• Distanza tra i satelliti e il ricevitore GPS Determinazione della posizione dei satelliti Per determinare la posizione del satelliti, i Ricevitori GPS si avvale di due tipi di dati trasmessi dai Satelliti GPS: i Dati Almanacco e i Dati Effemeridi. I Satelliti GPS trasmettono continuamente la propria posizione approssimativa. Questi dati sono chiamati dati dell'Almanacco, che vengono aggiornati periodicamente man mano che il satellite si sposta nell'orbita. Questi dati vengono ricevuti dal ricevitore GPS e memorizzati nella sua memoria. Con l'aiuto dei dati dell'Almanacco, il ricevitore GPS può essere in grado di determinare le orbite dei satelliti e anche dove dovrebbero essere i satelliti. Le condizioni nello spazio non possono essere previste e c'è un'enorme possibilità che i satelliti possano deviare da il loro percorso effettivo. La Master Control Station (MCS) insieme alle Monitor Station (MS) dedicate tracciano il percorso dei satelliti insieme ad altre informazioni come altitudine, velocità, orbita e posizione. Se c'è qualche errore in uno qualsiasi dei parametri, i dati corretti sono inviato ai satelliti in modo che rimangano nella posizione esatta. Questi dati orbitali inviati dal MCS al satellite sono chiamati Ephemeris Data. Il satellite, dopo aver ricevuto questi dati, corregge la sua posizione e invia anche questi dati al ricevitore GPS. Con l'aiuto di entrambi i dati, ad es. Almanacco ed Effemeridi, il ricevitore GPS può essere in grado di conoscere l'esatta posizione dei satelliti, in ogni momento. Determinazione della distanza tra i satelliti e il ricevitore GPS Per misurare la distanza tra il ricevitore GPS e i satelliti, il tempo ha un ruolo importante. La formula per calcolare la distanza del satellite dal ricevitore GPS è la seguente: Distanza = Velocità della luce x Tempo di transito del segnale satellitareQui, il tempo di transito è il tempo impiegato dal segnale satellitare (segnale sotto forma di onde radio, inviato dal Satellite al Ricevitore GPS) per raggiungere il Ricevitore. La velocità della luce è un valore costante ed è pari a C = 3 x 108 m/s. Per calcolare il tempo, dobbiamo prima capire il segnale inviato dal satellite. Il segnale transcodificato trasmesso dal satellite è chiamato Pseudo Random Noise (PRN). Quando il satellite genera questo codice e inizia a trasmettere, anche il ricevitore GPS inizia a generare lo stesso codice e cerca di sincronizzarli. Il ricevitore GPS calcola quindi il ritardo che deve subire il codice generato dal ricevitore prima di sincronizzarsi con il satellite trasmesso codice.Una volta nota la posizione dei satelliti e la loro distanza dal ricevitore GPS, è possibile scoprire la posizione del ricevitore GPS nello spazio 2D o nello spazio 3D utilizzando il seguente metodo.Posizione del ricevitore in 2-D PlaneIn per trovare la posizione dell'oggetto o del ricevitore GPS nello spazio bidimensionale, ad es un aereo XY, tutto ciò che dobbiamo trovare è la distanza tra il ricevitore GPS e due dei satelliti. Siano D1 e D2 rispettivamente la distanza del Ricevitore dal Satellite 1 e dal Satellite 2. Ora, con i satelliti al centro e un raggio di D1 e D2, traccia due cerchi attorno a loro su un piano XY. La rappresentazione pittorica di questo caso è mostrata nell'immagine seguente. Dall'immagine sopra, è chiaro che il ricevitore GPS può essere posizionato in uno dei due punti in cui i due cerchi si intersecano. Se si esclude l'area sopra i satelliti, possiamo appuntare la posizione del Ricevitore GPS nel punto di intersezione dei cerchi sotto i satelliti. Le informazioni sulla distanza di due satelliti sono sufficienti per determinare la posizione del Ricevitore GPS in un piano 2-D o XY. Ma il mondo reale è uno spazio tridimensionale e dobbiamo determinare la posizione tridimensionale del ricevitore GPS, ad es. la sua latitudine, longitudine e altitudine. Vedremo una procedura passo passo per determinare la posizione tridimensionale del ricevitore GPS. Posizione del ricevitore nello spazio 3D Supponiamo che le posizioni dei satelliti rispetto al ricevitore GPS siano già note. Se il Satellite 1 è ad una distanza D1 dal Ricevitore, allora è chiaro che la posizione del ricevitore può essere ovunque della superficie della sfera che si forma con il satellite 1 come centro e D1 come raggio. Se la distanza di un secondo satellite (Satellite 2) dal ricevitore è D2, quindi la posizione del ricevitore può essere limitata al cerchio formato dall'intersezione di due sfere di raggio D1 e D2 con i Satelliti 1 e 2 rispettivamente al centro. , la posizione del ricevitore GPS può essere ridotta a un punto sul cerchio di intersezione. Se aggiungiamo un terzo satellite (Satellite 3) con una distanza D3 dal ricevitore GPS ai due satelliti esistenti, allora la posizione del ricevitore è limitata all'intersezione delle tre sfere cioè uno dei due punti. In situazioni in tempo reale, non è praticabile avere l'ambiguità del ricevitore GPS in una delle due posizioni. Questo può essere risolto introducendo un quarto satellite (Satellite 4) con una distanza D4 dal ricevitore. Il quarto satellite sarà in grado di individuare la posizione del ricevitore GPS dalle due possibili posizioni che sono state determinate in precedenza con solo tre satelliti. Quindi, in tempo reale, sono necessari un minimo di 4 satelliti per determinare l'esatta posizione dell'oggetto. In pratica, il sistema GPS funziona in modo tale che almeno 6 satelliti siano sempre visibili a un oggetto (ricevitore GPS) situato in qualsiasi punto della Terra. Tipi di ricevitori GPSIl GPS è utilizzato sia da civili che da militari. Quindi, i tipi di ricevitore GPS possono essere classificati in ricevitori GPS civili e ricevitori GPS militari. Ma il modo standard di classificazione si basa sul tipo di codice che il ricevitore può essere in grado di rilevare. Fondamentalmente, ci sono due tipi di codici che un Satellite GPS trasmette: Coarse Acquisition Code (C/A Code) e P – Code. Le unità ricevitore GPS consumer possono rilevare solo il codice C/A. Questo codice non è accurato e quindi il sistema di posizionamento civile è chiamato Standard Positioning Service (SPS). Il codice P, invece, è utilizzato dai militari ed è un codice molto accurato. Il sistema di posizionamento utilizzato dai militari si chiama Precise Positioning Service (PPS). I ricevitori GPS possono essere classificati in base alla capacità di decodificare questi segnali. Un altro modo per classificare i ricevitori GPS disponibili in commercio è basato sulla capacità di ricevere segnali. Utilizzando questo metodo, i ricevitori GPS possono essere suddivisi in: Ricevitori a codice singolo in frequenza Ricevitori a codice singolo a frequenza portante - Ricevitori a codice uniforme simile a Internet. Il GPS è stato l'elemento chiave nello sviluppo di un'ampia gamma di applicazioni che si sono diffuse in diversi aspetti della vita moderna. L'aumento della produzione su larga scala e la miniaturizzazione dei componenti ha ridotto il prezzo dei ricevitori GPS. Di seguito è riportato un piccolo elenco di applicazioni in cui il GPS svolge un ruolo importante. L'agricoltura moderna ha visto un aumento della produzione con l'aiuto del GPS. Gli agricoltori utilizzano la tecnologia GPS insieme ai moderni dispositivi elettronici per ottenere informazioni precise sull'area del campo, la resa media, il consumo di carburante, la distanza percorsa, ecc. Nel campo delle automobili, i veicoli a guida automatica sono i più utilizzati nelle applicazioni industriali o di consumo. Il GPS abilita questi veicoli nella navigazione e nel posizionamento. I civili utilizzano i ricevitori GPS per scopi di navigazione. Il ricevitore GPS può essere un modulo dedicato o un modulo integrato nei telefoni cellulari e negli orologi da polso. Sono molto utili nel trekking, nei viaggi su strada, alla guida, ecc. Altre caratteristiche includono tempo e velocità precisi del veicolo. I servizi di emergenza come i vigili del fuoco e le ambulanze beneficiano del posizionamento accurato del luogo del disastro tramite GPS e possono essere in grado di rispondere in tempo. I militari utilizzano ricevitori GPS ad alta precisione per la navigazione, il tracciamento dei bersagli, i missili sistemi di guida, ecc. Esistono numerose altre applicazioni in cui il GPS viene utilizzato o un enorme ambito di utilizzo in futuro. Articoli correlati: Comunicazione wireless: introduzione, tipi e applicazioni Multiplexer e demultiplexer Perché Internet continua a disconnettersi? Nozioni di base sul programma C incorporato Cosa sono i sensori MEMS?

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