Šodien, iespējams, nav neviena cilvēka, kurš nebūtu dzirdējis par GPS. Tomēr ne visiem ir pilnīga izpratne par to, kas tas ir. Rakstā mēģināsim noskaidrot, kas ir globālā pozicionēšanas sistēma, no kā tā sastāv un kā tā darbojas.
Vēsture
GPS navigācijas sistēma ir daļa no Navstar kompleksa, ko izstrādājis un pārvalda ASV Aizsardzības ministrija. Kompleksa projektu sāka īstenot 1973. gadā. Un jau 1978. gada sākumā pēc veiksmīgas pārbaudes viņi to nodeva ekspluatācijā. Līdz 1993. gadam ap Zemi tika palaisti 24 satelīti, kas pilnībā pārklāja mūsu planētas virsmu. Navstar militārā tīkla civilā daļa kļuva pazīstama kā GPS, kas apzīmē globālās pozicionēšanas sistēmu ("globālās pozicionēšanas sistēma").
Tā bāze sastāv no satelītiem, kas pārvietojas pa sešām riņķveida orbītām. Tie ir tikai pusotru metru plati un nedaudz vairāk par pieciem metriem gari. Svars šajā gadījumā ir aptuveni astoņi simti četrdesmit kilogrami. Visi no tiem nodrošina pilnīgu veiktspēju jebkurā mūsu planētas vietā.
Izsekošana tiek veikta no galvenās vadības stacijas, kas atrodas Kolorādo štatā. Šeit atrodas Šrīveras gaisa spēku bāze - piecdesmitie kosmosa spēki.
Uz Zemes ir vairāk nekā desmit izsekošanas stacijas. Tie ir sastopami Debesbraukšanas salā, Havaju salās, Kvadžaleinā, Djego Garsijā, Kolorādospringsā, Kanaveralas ragā un citās vietās, kuru skaits ar katru gadu pieaug. Visa no viņiem saņemtā informācija tiek apstrādāta galvenajā stacijā. Atjauninātie dati tiek augšupielādēti ik pēc divdesmit četrām stundām.
Šī globālā pozicionēšanas sistēma ir satelītu sistēma, ko pārvalda ASV Aizsardzības ministrija. Tas darbojas jebkuros laikapstākļos un pastāvīgi pārraida informāciju.
Darbības princips
GPS globālās pozicionēšanas sistēmas darbojas, pamatojoties uz šādiem komponentiem:
- satelīta trilatācija;
- satelīta diapazons;
- precīza laika atsauce;
- vieta;
- labojums.
Apskatīsim tos tuvāk.
Trilaterācija ir trīs satelītu datu attāluma aprēķins, pateicoties kuram ir iespējams aprēķināt noteikta punkta atrašanās vietu.
Randācija nozīmē attālumu līdz satelītiem, ko aprēķina pēc laika, kas nepieciešams, lai radiosignāls no tiem nonāktu līdz uztvērējam, ņemot vērā gaismas ātrumu. Lai noteiktu laiku, tiek ģenerēts pseidogadījuma kods, pateicoties kuram uztvērējs jebkurā brīdī var noteikt aizkavi.
Šajā attēlā ir norādīta tiešaatkarībā no pulksteņa precizitātes. Satelītiem ir atomu pulksteņi, kuru precizitāte ir viena nanosekunde. Tomēr to augsto izmaksu dēļ tos neizmanto visur.
Satelīti atrodas vairāk nekā divdesmit tūkstošu kilometru augstumā no Zemes, tieši tik daudz, cik nepieciešams stabilai kustībai orbītā un atmosfēras pretestības samazināšanai.
Globālās pozicionēšanas sistēmas darbības laikā pasaulē tiek pieļautas kļūdas, kuras ir grūti novērst. Tas ir saistīts ar signāla pāreju caur troposfēru un jonosfēru, kur ātrums samazinās, kas izraisa mērījumu kļūmes.
Kartēšanas sistēmas komponenti
Ir daudz globālās pozicionēšanas sistēmas produktu un ĢIS kartēšanas lietojumprogrammu. Pateicoties viņiem, ģeogrāfiskie dati tiek ātri veidoti un atjaunināti. Šo produktu sastāvdaļas ir GPS uztvērēji, programmatūra un datu uzglabāšanas ierīces.
Uztvērēji spēj veikt aprēķinus ar frekvenci, kas mazāka par sekundi, un ar precizitāti no desmitiem centimetru līdz pieciem metriem, darbojoties diferenciālā režīmā. Tie atšķiras viens no otra pēc izmēra, atmiņas ietilpības un izsekošanas kanālu skaita.
Kamēr cilvēks stāv vienā vietā vai kustas, uztvērējs saņem signālus no satelītiem un veic aprēķinus par savu atrašanās vietu. Rezultāti koordinātu veidā tiek parādīti displejā.
Controllers ir portatīvie datori, kuros darbojas programmatūra, kas nepieciešama datu vākšanai. Programmatūra kontrolē uztvērēja iestatījumus. Diskiem irdažādi datu ierakstīšanas izmēri un veidi.
Katra sistēma ir aprīkota ar programmatūru. Pēc informācijas augšupielādes no diska datorā programma palielina datu precizitāti, izmantojot īpašu apstrādes metodi, ko sauc par "diferenciālo korekciju". Programmatūra vizualizē datus. Dažus no tiem var rediģēt manuāli, citus var izdrukāt un tā tālāk.
GPS globālā pozicionēšana - sistēmas, kas palīdz apkopot informāciju ievadīšanai datu bāzēs, un programmatūra to eksportē uz ĢIS programmām.
Diferenciālā korekcija
Šī metode ievērojami uzlabo savākto datu precizitāti. Šajā gadījumā viens no uztvērējiem atrodas noteiktu koordinātu punktā, bet otrs apkopo informāciju vietās, kur tās nav zināmas.
Diferenciālā korekcija tiek īstenota divos veidos.
- Pirmā ir reāllaika diferenciālā korekcija, kurā galvenā stacija aprēķina un ziņo katra satelīta kļūdas. Atjauninātos datus saņem rover, kas parāda labotos datus.
- Otrā - diferenciālā korekcija pēcapstrādē - notiek, kad galvenā stacija ieraksta labojumus tieši failā datorā. Sākotnējais fails tiek apstrādāts kopā ar atjaunināto, pēc tam tiek iegūts diferencēti koriģēts.
Trimble kartēšanas sistēmas var izmantot abas metodes. Tādējādi, ja reāllaika režīms tiek pārtraukts, tad to joprojām ir iespējams izmantot pēcapstrādē.
Pieteikums
GPSpiemēro dažādās jomās. Piemēram, globālās pozicionēšanas sistēmas tiek plaši izmantotas dabas resursu nozarē, kur ģeologi, biologi, mežsaimnieki un ģeogrāfi tās izmanto pozīciju un papildu informācijas ierakstīšanai. Tā ir arī infrastruktūras un pilsētvides attīstības zona, kurā tiek kontrolētas satiksmes plūsmas un inženierkomunikāciju sistēma.
GPS globālās pozicionēšanas sistēmas tiek plaši izmantotas arī lauksaimniecībā, aprakstot, piemēram, lauku īpatnības. Sociālajās zinātnēs vēsturnieki un arheologi tos izmanto, lai pārvietotos un reģistrētu vēsturiskas vietas.
GPS kartēšanas sistēmu darbības joma neaprobežojas ar to. Tos var izmantot jebkurā citā lietojumprogrammā, kur nepieciešamas precīzas koordinātas, laiks un cita informācija.
GPS uztvērējs
Šis ir radio uztvērējs, kas nosaka antenas pozīciju, pamatojoties uz informāciju par Navstar satelītu radio signālu laika aizkavi.
Mērījumi tiek veidoti ar precizitāti no trīs līdz pieciem metriem, un, ja ir signāls no zemes stacijas - līdz vienam milimetram. Komerciāla tipa GPS navigatoru veco paraugu precizitāte ir simt piecdesmit metri, bet jauniem - līdz trim metriem.
Pamatojoties uz uztvērējiem, tiek izgatavoti GPS reģistrētāji, GPS izsekotāji un GPS navigatori.
Aprīkojums var būt pielāgots vai profesionāls. Otrkārtatšķiras pēc kvalitātes, darbības režīmiem, frekvencēm, navigācijas sistēmām un cenas.
Pielāgotie uztvērēji spēj ziņot precīzas koordinātas, laiku, augstumu, lietotāja norādīto kursu, pašreizējo ātrumu, informāciju par ceļu. Informācija tiek parādīta tālrunī vai datorā, kuram ir pievienota ierīce.
GPS navigatori: kartes
Kartes uzlabo navigatora kvalitāti. Tie ir pieejami vektora un rastra veidā.
Vektoru varianti glabā datus par objektiem, koordinātas un citu informāciju. Tajos var būt dabisks reljefs un daudzi objekti, piemēram, viesnīcas, degvielas uzpildes stacijas, restorāni utt., jo tajos nav attēlu, tie aizņem mazāk vietas un darbojas ātrāk.
Rastra veidi ir visvienkāršākie. Tie attēlo apgabala attēlu ģeogrāfiskās koordinātēs. Var uzņemt satelītfoto vai papīra tipa karti - skenēt.
Šobrīd ir pieejamas navigācijas sistēmas, kuras lietotājs var papildināt ar saviem objektiem.
GPS izsekotāji
Šāds radio uztvērējs saņem un pārraida datus, lai kontrolētu un izsekotu dažādu objektu kustībām, kurām tas ir pievienots. Tas ietver uztvērēju, kas nosaka koordinātas, un raidītāju, kas nosūta tās lietotājam, kas atrodas attālumā.
GPS izsekotāji ir pieejami:
- personisks, lietots individuāli;
- automobilis, savienots ar borta ierīciauto tīkli.
Tos izmanto, lai noteiktu dažādu objektu (cilvēku, transportlīdzekļu, dzīvnieku, preču un tā tālāk) atrašanās vietu.
Šīs ierīces var izmantot, lai apspiestu signālus, kas rada traucējumus frekvencēs, kurās darbojas izsekotājs.
GPS-logger
Šie radioaparāti var darboties divos režīmos:
- parastais GPS uztvērējs;
- reģistrators, ieraksta informāciju par nobraukto ceļu.
Tie var būt:
- pārnēsājams, aprīkots ar maza izmēra uzlādējamu akumulatoru;
- automobile, ko darbina borta tīkls.
Mūsdienu mežizstrādātāju modeļos iespējams ierakstīt līdz divsimt tūkstošiem punktu. Ir arī ieteicams atzīmēt visus punktus savā ceļā.
Ierīces tiek aktīvi izmantotas tūrismā, sportā, izsekošanas, kartogrāfijas, ģeodēzijas un tā tālāk.
Globālā pozicionēšana šodien
Pēc sniegtās informācijas var secināt, ka šādas sistēmas jau tiek izmantotas visur, un to apjoms mēdz būt vēl plašāks.
Globālā pozicionēšana aptver patērētāju sektoru. Jaunāko tehnisko jauninājumu izmantošana padara sistēmu par vienu no pieprasītākajām šajā tirgus segmentā.
Kopā ar GPS Krievijā tiek izstrādāts GLONASS, bet Eiropā - Galileo.
Tajā pašā laikā globālā pozicionēšana nav bez trūkumiem. Piemēram, dzelzsbetona ēkas dzīvoklī, tunelī vai pagrabā nosakiet precīzu atrašanās vietuneiespējami. Magnētiskās vētras un radio avoti uz zemes var traucēt normālu uztveršanu. Navigācijas kartes ātri noveco.
Lielākais trūkums ir tas, ka sistēma ir pilnībā atkarīga no ASV Aizsardzības ministrijas, kas jebkurā brīdī var, piemēram, ieslēgt traucējumus vai vispār izslēgt civilo daļu. Tāpēc ir tik svarīgi, ka papildus globālajai pozicionēšanas sistēmai GPS un GLONASS, kā arī Galileo attīstās.
