[imgl]https://notepad.lv/userpix/28_748pxgps_satellite_nasa_artiif_1.jpg[/imgl]Kas tas ir – GPS?
GPS, jeb Globālā pozicionēšanas sistēma (Global Positioning System) ir globālā navigācijas satelītu sistēma (global navigation satellite system (GNSS)), kuru attīstīja Amerikas Savienoto Valstu aizsardzības departaments un atrodas ASV Gaisa spēku divīzijas pārraudzībā. Tas ir vienīgais, pilnībā funkcionējošais GNSS tipa projekts pasaulē, šobrīd, to var brīvi izmantot civiliem navigācijas mērķiem. Š ī sistēma izmanto no 24 – 32 vidēja orbitālā augstuma satelītus, kas atļauj GPS ierīcei noteikt tās atrašanās vietu, laiku un pārvietošanās ātrumu. Pierastās GPS nosaukums ir NAVSTAR GPS. Kopš šīs sistēmas pilnīgas darbības uzsākšanas 1993. gadā, tā ir plaši izmantota kā navigācijas palīginstruments un karšu veidošanas instruments, tādiem mērķiem kā: zinātne, komercija un pat hobiji, kā piemēram geocaching. Tāpat tiek izmantota praksē arī GPS piedāvātā laika reference, kas tiek izmantota daudzās jomās, piemēram, zinātniskos zemestrīču pētījumos. GPS izmato arī kā sinhronizācijas instrumentu mobilo sakaru tīklos.
ĪSA VĒSTURE.
[imgr]https://notepad.lv/userpix/28_img1_1.jpg[/imgr]Pirmā satelītnavigācijas sistēma, Transit, tika izmantota ASV Flotes vajadzībām, un tā tika pirmoreiz testēta ap 1960. gadu. Izmantojot 5 satelītus, šī sistēma spēja noteikt atrašanās vietu aptuveni vienreiz stundā. 1967. gadā ASV Flote attīstīja Timation satelītu, kas atļāva palaist pirmos precīzos pulksteņus kosmosā, tā ir tehnoloģija, uz kuras mūsdienu GPS balstās. Septiņdesmitajos gados attīstās Omega Navigation System, kas ir balstīta uz signāla fāžu salīdzināšanu, tā kļūst par pirmo vispasaules radio navigācijas sistēmu. GPS dizains ir daļēji balstīts uz līdzīgām uz-zemes-bāzētām radio navigācijas sistēmām, kā, piemēram, LORAN un Decca Navigator, kas tika attīstītas 1940-tajos gados, un tika izmantotas 2. Pasaules kara laikā.
Papildu domas un idejas par GPS radās, kad Padomju Savienība 1957. gadā palaida pirmo cilvēka radīto zemes mākslīgo pavadoni. ASV zinātnieku komanda, doktora Ričarda B. Keršnera /Dr. Richard B. Kershner/ vadībā novēroja Sputņika pārraidītos radiosignālus. Viņi atklāja, ka Sputņika pārraidītā signāla frekvence bija augstāka, kad satelīts tuvojās un zemāka, kad tas attālinājās no mērījuma punkta. Viņi saprata, ka, ja viņi zin savu precīzu atrašanās vietu uz zemeslodes, viņi var aprēķināt Sputņika atrašanās vietu, izmantojot Doplera radara informāciju. Kad 1983. gadā tika notriekts Korejas lidaparāts, tad, kad tas bija paviesojies PSRS aizliektajā teritorijā, prezidents Ronalds Reigans izdeva pavēli – padarīt GPS brīvi pieejamu civilām vajadzībām un kopējam labumam. Visi mūsdienu satelīti tika palaisti starp 1989. un 1993. gadu. Sākotnēji labas kvalitātes signāls bija pieejams tikai militārām vajadzībām, un signāls, kuru varēja izmantot visi tika mākslīgi kropļots. Š o kropļošanu ASV atcēla 2000. Gadā, momentāni palielinot GPS precizitāti (civilām vajadzībām pieejamo signālu) no 100m aptuvena rādiusa līdz 20m. GPS pamatideja – atompulksteņu novietošana orbītā tika pirmoreiz izpausta 1955. gadā.
[imgl]https://notepad.lv/userpix/28_img2_1.jpg[/imgl]GPS DARBĪBAS PAMATPRINCIPI.
GPS uztvērējs kalkulē savu atrašanās vietu ar signālu palīdzību, ko precīzos laikos sūta GPS satelīti augstu virs zemes. Katrs no GPS satelītiem konstanti pārraida ziņu, kas satur precīzu laiku, kad ziņa ir nosūtīta, precīzu orbitālo informāciju, vispārējo sistēmas stāvokli un aptuvenas pārējo satelītu orbitālās koordinātas. Uztvērējs uztver ziņu un kalkulē, izmantojot saņemšanai nepieciešamo laiku, lai noskaidrotu visu GPS satelītu, kuru tas uztver attālumus no sevis. Ä¢eometrijas formulas ir ir izmantotas, lai, zinot visu pieejamo satelītu atrašanās vietas, noskaidrotu uzvērēja atrašanās punktu uz zemeslodes. Pozīcija parasti ir atspoguļota vai nu ar „kustīgas kartes†palīdzību, vai attēlojot ģeogrāfiskos platuma un garuma grādus, kā arī var tikt attēlota uztvērēja augstuma virs jūras līmeņa dati. Dadzi GPS uztvērēji attēlo ierīces kustības virzienu un ātrumu, izmantojot kalkulācijas no pozīcijas maiņas. Neiedziļinoties problēma varētu likties, ka, lai saņemtu un kalkulētu precīzu atrašanās vietu ir nepieciešami 3 satelīti, jo ir trīs telpas dimensijas, taču tā nav. Lai gan atompulksteņa kļūda ir ļoti maza, tā jāreizina ar ļoti lielu gaismas ātrumu, līdz ar to maza kļūda pāraug ļoti lielā atrašanās vietas novirzē. Lai šo problēmu atrisinātu, tiek izmantots ceturtais satelīts, lai apstiprinātu x, y, z un t (laika) koordinātas. Lai gan četri satelīti ir izmantoti normālos (vispārīgos) gadījumos, dažreiz tiek izmantoti arī mazāk satelītu, piemēram, kuģis vai lidmašīna savu „z†augstumu zina, tādēļ nepieciešami ir tikai trīs satelīti, lai gan veiktu mērījumus, gan nosūtītu pārbaudes signālus.
KAS TIEK APRĒĶINÄ€TS?
Lai aprakstītu pamatprincipus kā GPS matemātiski strādā, ir nepieciešams sākotnēji ignorēt kļūdas un to iespēju. Izmantojot ziņas, kuras uztvērējs saņem no satelītiem, tas kalkulē ar satelītu pozīcijām un ziņu nosūtīšanas laiku. x,y un z pozīcijas komponentes un ziņas nosūtīšanas laiks (t) ir saglabāts kā [xi, yi, zi, ti], kur indekss i izsaka satelīta numuru, no kura šis signāls ir saņemts (1, 2, 3 vai 4). Zinot laiku, kad satelīta sūtīta ziņa ir saņemta tri, GPS uztvērējs aprēķina ziņas pārraides laiku (tri-ti). Pieņemot, ka ziņa ir ceļojusi ar gaismas ātrumu – c, distance, kuru ziņa ir veikusi (pi) ir aprēķināma ar vienkāršu formulu – pi=(tri-ti)*c. Zinot šo ziņas ceļošanas laiku, un 4 satelītu koordinātas, GPS uztvērējs kalkulē savu atrašanās vienu uz sfēras vai virsmas. Ideālā gaidījumā, bez kļūdām GPS satelīts atradīsies 4 zemes mākslīgos pavadoņus aptverošu svēru krustpunktā (ar mākslīgos pavadoņus aptverošām sfērām jāsaprot, ka tā kā ir zināms attālums, kuru ir veikusi ziņa tas it kā izveido sfēru ap pavadoņa zināmajām koordinātām).
JAPÄ€Š…U GPS VARIANTS (Quasi-Zenith Satellite System).
[imgr]https://notepad.lv/userpix/28_img3_1.jpg[/imgr]Plašāk pazīstamais GPS variants ir ASV izstrādāts, taču ir arī citas valstis, kas mēģina ko darīt šajā lauciņā. Š ī sistēma (Quasi-Zenith Satellite System (QZSS)), ir piedāvāta trīs satelītu reģionālā laika pārraides sistēma un ir kā papildinājums GPS, kuru varētu uzmantot un uzturēt Japāna. Pirmo satelītu plānots palaist ap 2009. gadu. Š is projekts ir apstiprināts Japānas valdībā 2002. gadā. Darbu pie QZSS (jeb Jun-Ten-Cho) sistēmas ir sākusi Advanced Space Business Corporation komanda, iekļaujot sevī arī Mitsubishi Electric Corp., Hitachi Ltd., and GNSS Technologies Inc. QZSS ir mērķēts uz mobilajām aplikācijām, lai piedāvātu uz komunikācijām balstītus servisus (video, audio un datu) un pozicionēšanas informāciju. Š ie satelīti tiks novietoti Eliptiskā orbītā, jebšu tā lai 12 stundas dienā, satelīts atrastos 70° no objekta (tas nozīmē, ka satelīts atrodas praktiski virs objekta galvas).
[imgl]https://notepad.lv/userpix/28_img4_1.jpg[/imgl]ĶĪNAS 1. GPS VARIANTS (Beidou navigation system).
Beidou navigācijas sistēma (Beidou Navigation System, 北斗导航系统) vai Beidou satelīt-navigācijas un pozicionēšanas sistēma (Beidou Satellite Navigation and Positioning System, 北斗å«æ˜Ÿå¯¼èˆªå®šä½ç³»ç»Ÿ) ir Ķīnas projekts – attīstīt neatkarīgu satelīt-navigācijas sistēmu. Beidou-1 sistēma ir eksperimentāla (veidota tikai no 4 satelītiem) un piedāvā ierobežotu „pārsedzi†un pielietojumu. Ķīnas tālākos plānos ir attīstīt šo sistēmu un izveidot neatkarīgu satelīt-pozicionēšanas sistēmu no 35 satelītiem (Compass vai Beidou-2). Beidou 1A tika palaists 2000. gada 30. oktobrī, Beidou 1B sekoja 2000. gada 20. decembrī, Beidou 2A tika novietos orbītā 2003. gada 24. Maijā un pēdējais no Beidou-1 satelītu grupas rika veiksmīgi palaists 2009. Gada 15. aprīlī. 2003. gadā Ķīna pievienojās Galileo pozicionēšanas sistēmas projektam. Ķīna investēs ap 230 miljoniem EUR šajā projektā gadu gaitā. 2006. gada 2. novembrī Ķīna paziņoja, ka Beidou sistēma varētu kļūt funkcionāla ap 2008. gadu līdz tādam līmenim, ka precizitāte varētu būt lielāka kā 10m. Līdz 2007. gadam, Beidou sistēmas precizitāte bija 0,5m, un ar to Ķīna kļuva par 2. Valsti pasaulē (aiz ASV), kuras pozicionēšanas sistēma ir pārsniegusi 1m rezolūciju. GPS, GLONASS un Galileo sistēmas uzmanto vidēja augstuma Zemes orbītas satelītus. Beidou-1 izmanto satelītus ar ģeostacionāru orbītu. Tas padara sistēmu unikālu ar to, ka tasi nav nepieciešams liels daudzums satelītu, lai veiktu pozicionēšanu, bet tas arī nozīmē to, ka šo sistēmu var izmantot tikai tās Zemes zonas, kurās šo satelītu signāli ir „redzamiâ€. Š obrīd šī zona ir no 70°E līdz 140°E un no 5°N līdz 55°N. Beidou sistēma ir balstīta uz Ķīnas DFH-3 ģeostacionārajiem satelītiem, kuru svars ir 1000 kilogramu. Lai šī sistēma kalkulētu atrašanās vietu, tā darbojas ar šādu procedūru kārtību:
• Signāls ir pārraidīts no zemes uztvērēja;
• Katrs no ģeostacionārajiem satelītiem uztver signālu;
• Katrs no satelītiem atbild ar ziņu, kas satur precīzu signāla saņemšanas laiku;
• Zemes uztvērējs kalkulē atrašanas vietu (garumu un platumu) un nosaka augstumu, izmantojot reljefa karti;
• Zemes stacija nosūta termināla, kura atrašanās vieta tika aprēķināta, tā koordinātas telpā satelītiem;
• Satelīti pārraida koordinātas terminālam;
• Visu laiku terminālas un zemes stacija kontaktējas izmantojot īsus ziņojumus,
ĶĪNAS 2. GPS VARIANTS (Beidou-2, Compass navigation system).[/font]
Š ī sistēma sevī ietvers 35 satelītus, kas būs 5 ģeostacionārie un 30 vidējās Zemes orbītas satelīti, šī sistēma piedāvās visas Zemeslodes pārklājumu. Signāliem ir CDMA noraidīšanas un saņemšanas principi un kompleksa struktūra, kā, piemēram, Galileo vai modernizētajam GPS. Līdzīgi kā visos GNSS, šim tīklam būs divi pieejamības līmeņi: civilais un militārais. Publiskais (civilais) līmenis būs pieejams visiem interesentiem. Kad visas šobrīd plānotās GPS tipa sistēmas tiks pabeigtas, lietotājiem būs vieeja vairāk kā pie 75 satelītiem, kas ļoti palielinās gan precizitāti, gan darbības ātrumu vietās, kur šā brīža GPS ir vājš un kroplīgs. Compass frekvences ir četros pārraides kanālos: E1, E2, E5B un E6, kas pārklājas ar Galileo kanāliem.
EU GPS VARIANTS (Galileo).
[imgr]https://notepad.lv/userpix/28_img5_1.jpg[/imgr]Š ī GNSS ir šobrīd būvēta EU un ESA (Eiropas Kosmosa aģentūra) pārraudzībā. Tai ir 3,4 miljardu EUR budžets un tā ir kā alternatīva ASV GPS sistēmai, Ķīnas Compass (Beidou-2) sistēmai un Krievijas Glonass sistēmai. 2007. gada 30. novembrī 27 EU transporta ministri parakstīja atbalstu šai sistēmai un vienojās, ka tai jābūt operacionālai ar 2013. gadu. Kad šī sistēma funkcionēs, tai būs divi operāciju centri, viens pie Minhenes, Vācijā, un otrs Fučīno (130 kilometru uz austrumiem no Romas), Itālijā. Kopš 2007. gada 18. maija EU ir pārņēmusi tiešā kontrolē Galileo projektu, kuru iepriekš pārraudzīja privātu kompāniju grupa, kas to atstāja novārtā 2007. gada sākumā. Galileo piedāvās lielākas precizitātes mērījumus, kā GPS vai Glonass (Galileo piedāvās publiski precizitāti lielāku par 1m), ieskaitot augstuma virs jūras līmeņa mērījumus un labāku pozicionēšanu lielākos platuma grādos. Politiskais šīs sistēmas mērķis ir piedāvāt neatkarīgu pozicionēšanas sistēmu, ar kuru EU valstis ar rēķināties kara vai politisko nesaskaņu periodos, jo Krievija (Glonass) un ASV (GPS) var liegt pieeju viņu pozicionēšanas sistēmām ar kodēšanas palīdzību. Tāpat kā GPS, šī sistēma piedāvās bezmaksas kanālus, kas būs pieejami par brīvu viesiem, taču pastāvēs precīzāki kanāli, kuri būs pieejami vai nu par samaksu, vai arī militāriem mērķiem. Š ī sistēma ir nosaukta par godu Itāļu astronomam Galileo Galilejam.
[imgl]https://notepad.lv/userpix/28_img7_1.jpg[/imgl]Galileo plānotie satelīti:
• 30 kosmosa satelītu;
• 23222 km augstu orbītu (vidēja augstuma);
• 3 orbitālie slāņi ar 56° kāpumu (9 operacionālie satelīti un viens aktīvs rezerves kosmosa satelīts par katru orbitālo slāni)l
• satelīta kalpošanas ilgums: >12 gadi;
• satelīta masa: 675 kg;
• satelīta izmēri: 2,7m x 1,2m x 1,1m;
• solāro bateriju plētums: 18,7 m;
• solāro bateriju sniegtā jauda: 1500W.
Galileo tīklam būs četri iespējamie servisi:
• Atvērtā tipa serviss (Open Service (OS)) būs bezmaksas un pieejams visiem interesentiem. OS pārraidīs divās frekvenču joslās: 1164-1214 MHz un 1563-1591 MHz. Uztvērēji, ja tie izmantos abas OS frekvenci joslas būs ar precizitāti <4m horizontāli un <8m vertikāli, bet ja tie izmantos tikai vienu no OS piedāvātajām frekvencēm, tās būs <15m horizontāli un <35m vertikāli, kas ir aptuveni tas, ko publiski pieejamās GPS frekvenču daļas piedāvā šodien. Nākotnē pozicionēšanas uztvērēji būs ar šo abu (GPS un Galileo) frekvenču uztveršanas spēju, lai nodrošinātu lielāku pārklājumu un labāku signālu.
• Komerciālais serviss (Commercial Service (CS)) būs pieejams par maksu un piedāvās precizitāti labāku kā 1m. CS tiks papildināts ar zemes stacijām, kas palīdzēs precizitāti uzturēt mazāk nekā 10 cm. Š is signāls tiks pārraidīts trīs frekvenču joslās: OS joslās un 1260-1300 MHz.
• Kodētie Publiski regulētais serviss (Public Regulated Service (PRS)) un Dzīvības drošības serviss (Safety of Life Service (SoL)), būs ar precizitāti, kuru piedāvā OS. To pamatuzdevumi ir: aizsardzība pret signāla nosprostošanos un problēmu atrisināšana 10 sekunžu laikā. Tie būs mērķēti uz drošības instanču darbību (militārā sfēra, policija) un kritisko transporta instanču darbību (gaisa satiksmes kontrole u.c.).
Kā papildinājums, Galileo satelīti būs spējīgi uztvert signālu no glābšanas bojām 406,0-406,1 MHz frekvenču joslā, kas to padarīs par daļu no Globālās jūras drošības sistēmas (Global Maritime Distress Safety System) .
KRIEVIJAS GPS VARIANTS (Glonass).
[imgr]https://notepad.lv/userpix/28_img9_1.jpg[/imgr]Glonass (ГЛОÐÐСС, Ð“Ð›ÐžÐ±Ð°Ð»ÑŒÐ½Ð°Ñ ÐÐÐ²Ð¸Ð³Ð°Ñ†Ð¸Ð¾Ð½Ð½Ð°Ñ Ð¡Ð¿ÑƒÑ‚Ð½Ð¸ÐºÐ¾Ð²Ð°Ñ Ð¡Ð¸Ñтема) ir radio balstīta satelīt-navigācijas sistēma, kas sākotnēji tika attīstīta PSRS un nu pārraudzīta no Krievijas federācijas puses, ar Krievijas Kosmosa Spēku palīdzību. Tā ir kā alternatīva ASV GPS un Ķīnas Compass sistēmai, kā arī EU plānotajai Galileo sistēmai. Glonass attīstība sākās 1976. gadā ar mērķi: globāls pārklājums līdz 1991. gadam. Sākot no 1982. gada 12. oktobra vairākas raķetes pievienoja satelītus tīklam, līdz tas bija pilnīgs 1995. gadā. Sistēma šobrīd ir tehniski sliktā stāvoklī, pateicoties Krievijas ekonomikas sarkumam.
[imgl]https://notepad.lv/userpix/28_img12_1.jpg[/imgl]Sākoties 2001, Krievija sāka atjaunot šo sistēmu, tā ir paziņojusi ar partnerību ar Indiju šajos jautājumos, un ir uzstādījusi mērķi atjaunot globālo pārklājumu līdz 2009. gadam. Glonass sākotnēji tika attīstīts, lai nodrošinātu pozicionēšanu laikā un telpā, priekš Padomju ballistisko raķešu pozicionēšanas un virzīšanas uz mērķi. Š is ir Padomju otrās paaudzes sistēmas variants. Pirmā paaudze ir Tsikada sistēma, kurai bija nepieciešams 1-2 stundas, lai apstrādātu pienākošo signālu un noteiktu precīzu atrašanās vietu. Lai parādītu progresu, nepieciešams aplūkot Glonass darbības ātrumu: līdz ko uztvērējs ir uztvēris satelīta signālu, pozīcija tiek noteikta momentāni. Glonass precizitāte ir horizontālā ass: 57-70 m, vertikālā ass: 70m, kustības vektoriālā mērīšana notiek 15 cm/s, un laika datu noraidīšana notiek 1 µs robežās (tas viss ar 99,7% ticamību).
Pilnībā visa Glonass sistēma sastāv no 24 satelītiem, no kuriem 21 tiek izmantots signālu pārraidei, un 3 ir orbitālās rezerves. Tas viss ir sadalīts trijos orbitālajos slāņos. Trīs orbitālie slāņi ir ar 120° atstarpi, pa katru no šiem slāņiem rotē astoņi, vienādos attālumos novietoti satelīti. Orbītas šiem satelītiem ir aptuveni riņķa veida ar 64,8° kāpumu, un tie riņķo ap zemi 19100 km augstumā, kas nozīmē, ka satelīts veic pilnu orbitālo garumu 11 stundās un 15 minūtēs. Slāņos esošajiem satelītiem ir 15° novirze, kas nozīmē to, ka satelīti ekvatoru šķērsos pa vienam nevis trīs vienlaicīgi. Kopējais satelītu tīkla izkārtojums ir tāds, ja šis tīkls darbojas pilnīgi, no jebkura punkta, iekurā dotajā laikā, ir „redzami†un sasniedzami vismaz 5 satelīti. Katram no satelītiem ir savs identifikācijas numurs, kas apzīmē orbitālo slāni, kurā satelīts atrodas, un konkrēto tā pozīciju. Numuri 1-8, ir satelītiem pirmajā slānī, 9-16 – satelītiem otrajā slānī un 17-24 – satelītiem 3. slānī. Glonass tīkla īpatnība ir tāda, ka katrs no visiem satelītiem šķērso vienu un to pašu punktu uz zemes ar 8 dienu intervālu.
INDIJAS GPS VARIANTS (Indian Regional Navigational Satellite System).
Š ī plānotā sistēma sastāvētu no septiņiem satelītiem un zemes atbalsta centra. Trīs no šiem satelītiem būtu novietoti ģeostacionārā orbītā, bet atlikušiem četri – ģeosinhronajā orbītā, ar 29° kāpumu relatīvu ekvatora līnijai. Š āds satelītu novietojums nozīmētu nepārtrauktu radio redzamību no Indijas kontroles centriem. Satelīti saturētu atompulksteņus un elektronisku aparatūru, kas ģenerētu navigācijas signālus. Navigācijas signāli tiktu pārraidīti S-joslas frekvencē (2-4 Ghz) un pārraidīti caur parabolisko antenu, lai nodrošinātu signāla pārklājumu un pietiekamu pārraides spēku. Satelīti svērtu ap 1330 kg un solārie paneļi ģenerētu ap 1400 W. Sistēma ir vērsta uz to, lai nodrošinātu vairāk kā 20 metru lielu precizitāti Indijas teritorijā un 2000 km ap to. Zemes stacija IRNSS (Indian Regional Navigational Satellite System) sastāvētu no Galvenā kontroles centra (Master Control Center (MCC)), zemes stacijām, lai noteiktu precīzas satelītu orbītas un nodrošinātu tīkla spēju funkcionēt pilnībā (IRIM), un papildu zemes stacijām, kas novēros satelītu tehnisko stāvokli, un būs spējīgas nosūtīt radio signāla komandas uz satelītu (TT&C stacijas). MCC noteiktu un paraudzētu pozīciju IRNSS satelītiem, kalkulētu kļūdas iespējamību, veiktu nepieciešamās tehniskās un pulksteņa signāla korekcijas un uzturētu navigācijas programmatūru.
Avoti:
.
