מסע של לווייני GPS: אורביטינג כדור הארץ וניווט את התכונות הפיזיות שלו

מערכת המיקומים הגלובלית (GPS) לווייניים מהווים את עמוד השדרה של ניווט מודרני, המאפשרת קביעת מיקום מדויקת ברחבי העולם.מופעל על ידי חיל החלל של ארצות הברית, קבוצה זו של כ-31 לווינים פעילים במסלולים בגובה של כ-20,200 ק"מ (12,550 מייל) ב Medium Earth Orbit (MEO) שלהם הוא ריקוד כוריאוגרפיה בקפידה כי מאזן מסלולים של מכניקה, העצמה, פיזיקה, ותכונות פיזיות שונות של כדור הארץ.

אדריכלות אורביטל של GPS

לווייני GPS תופסים שישה מטוסים מרחביים מעוקלים באותה מידה, כל אחד נוטה 55 מעלות לקווי המשווה: עיצוב זה מבטיח כי לפחות ארבעה לווינים נראים מכל נקודה על פני כדור הארץ בכל עת, דרישה לפתרון ארבעת הלא-ידועים בפתרון הניווט: שלושה קואורדינטים מרחביים (גישה, זמן רב), גובה) וזמן מדויק יותר מטווח זה הוא בערך 11 שעות, כלומר כל אחד מהם הוא קבוע, כולל מחסומים גלובליים קבועים, כולל לוויינים.

הבחירה של MEO מכוונת למסלולים נמוכים (כמו LEO) תדרוש יותר לווינים לכיסוי מתמשך וכפות גרור אטמוספרי גדול יותר, קיצור תוחלת החיים של הלוויין. מסלולים גבוהים יותר (כמו GEO) יספק כיסוי אזורי קבוע, אך להשאיר את הקטבים חשופים ולהגדיל את הכדאיות האות. meO משמיע איזון: הלוויינים הם גבוהים מספיק כדי לראות חלק גדול של פני כדור הארץ עדיין נמוך מספיק כדי לשמור על אותות חזקים, 12 ליטרים חזקים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 גבוה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה יותר, 000, 000 גבוה יותר, 000, 000, 000, 000 חזק, 000, 000 חזק, 000 חזק, 000, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000, 000, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק, 000.

כיצד אותות GPS מעצימים את התכונות הפיזיות של כדור הארץ

GPS פועל על ידי העברת אותות ניווט כי לנסוע במהירות של אור. מקלט מחשב את המרחק שלו לכל לוויין גלוי מבוסס על זמן עיכוב שידור הקבלה.עם זאת, המסע של אותות אלה הוא לעתים רחוקות לא מחוספס.תכונות פיזיות של כדור הארץ - רבנים, עמקים, יערות, יערות, אוקיינוסים, קפי קרח, ומבנים מעשה ידי אדם - כוח מעק, השתקפות מרובה, דיוק כולל אלה הוא השפעות קריטיות עבור משתמשים מאתגרים.

הרים וטופוגרפיה

שטח גבוה יכול לחסום קו-of-of-sight ללוויינים, במיוחד בעמקים עמוקים או קניונים צרים.כאשר זווית גובה של לוויין ביחס לאופק נמוך, האות חייב לעבור דרך יותר מהאווירה, והוא צפוי יותר להיות חסום על ידי רכסים או שיאים. in levography או מספר לוויינים גלויים יכול לרדת מתחת לארבע, מה שגורם לכישלונות של פתרון מתקדם לשימוש במקלטים או בחוטפים אחרים.

יערות וצמחונות Canopies

פחיות יער Dense אטימות אותות GPS עקב ספיגה ופיזור על ידי עלים, סניפים, וגזעים. בתדרים GPS (L-band), נחיתות canopy יכול להגיע 10-20 dB תחת ערפל כבד, צמצום חמור יחס המוביל-ל-לא-אין (C/No) זה מגביר את הרעש בדידות פסאודומטריות ויכול לגרוע דיוק מעשרות מטרים, בחלקם של מקלטים, למעט מקרים אלה.

קניונים עירוניים ואפקטים רב-אפטיים

אולי הסביבה המאתגרת ביותר עבור GPS היא הקניון העירוני - רחובות מתפתלים על ידי בניינים גבוהים.כאן, אותות המשקפים זכוכית, בטון, מתכת, יצירת עותקים רבים של אותו שידור (מטופיפט) המקלט עשוי לנעול על אות משתקף, גרימת שגיאות טווח של עשרות מטרים, מבנים חסימת לווייני לוויין רבים, צמצום הקונסטלציה הגלויה ולהגדיל את ה dilution הגיאומטרי של דיוק (GOP) עם שני פתרונות מהירים ו- GPS מודרניים.

Oceans and Flat Terrain

עם זאת, באוקיאנוסים פתוחים, GPS יש כמה מכשולים.עם זאת, איכות האות מושפעת מההון והסטרופה המודרנית, אשר מציגה עיכובים שונים עם פעילות השמש, לחות וטמפרטורה.על פני גוף גדול של מים, האופק אינו מאויש, כך חשיפה לווינית היא בדרך כלל מעולה.אבל הטבע הרהרטיבי של מים יכול לגרום למוליבי נמוך, במיוחד בתנאים רגועים.

אזורים ארקטריים וגבוהים

למרות ש- GPS מיועד לשימוש גלובלי, אזורי יכולת גבוהה (מעל 70 מעלות N או 70 מעלות צלזיוס) ניסיון מופחת חשיפה לוויינית בשל הנטייה 55° של קבוצת הכוכבים.לוויינים נשארים נמוכים באופק, אשר מגביר את אורך האות דרך האווירה מעלה את הסבירות של עיכובים סטרוסקופיים יותר (Gropospheric הפרעות) הם לעתים קרובות יותר חמורים ליד הקוטב, גורם דומה לנטיות גנוטיות אחרות של GSA.

תפקיד תחנות ההכוונה והתיקון

כדי למנוע שגיאות הקשורות לשטח, מגזר הבקרה של GPS פועל רשת גלובלית של תחנות ניטור קרקע (לעתים קרובות ליד שדות תעופה או מונומנטים סקר גיאו-גנטיים) תחנות אלה בדיוק לעקוב אחר מסלולים לוויין, סחף שעון, ועיכובים ionospheric.הנתונים משמשים כדי למקם תיקונים אמפמיס והודעות שלמות לווייניים. עבור משתמשים המבקשים דיוק גבוה יותר, GPS אחר (GPS) משתמש בתחנת בסיס קרובה לשגיאות שידורים נפוצים, וביטול ביעילות שגיאות לוויין.

מערכת הרחבה של האזור (WAAS) מספקת תיקונים דומים ברחבי ארצות הברית על ידי שימוש ברשת של תחנות קרקע ולוויינים גיאוסטציונריים.זה מועיל במיוחד לתעופה, שם שטח ומכשולים דורשים הדרכה אנכית. באזורים הרריים, מקלטים קלים של WAAS יכולים להשיג דיוק עמדה של יותר מ 3 מטרים, המאפשר גישות לשדה התעופה בעמקים שהיו בעבר לא-precision מערכות אחרות ביפן.

דילול גיאומטרי של Precision and Physical Features

הדיוק של מיקום תלוי לא רק באיכות אות אלא גם על סידור גיאומטרי של הלוויינים הגלויים. דילול של דיוק (DOP) מגדיר כיצד הגיאומטריה לווינית מגבירה שגיאות מדידה. בשטח פתוח, שטוח, לווינים לעתים קרובות מאוד מפוספסים היטב על פני השמים, מניבים אותות נמוכים DOP בעמק עמוק, עם זאת, לווייניטים גלויים עשויים לשקר בכל רחבי קבוצה צרה של נזיתנים, ולכן הם אופטימיזציה גבוהה פחות, ולכן הם גורמים פחות, אך ורק על גבי גבהים גבוהים יותר, אך ורק על בסיס גבוה יותר, אך ורק על בסיס ריצוף גבוה, אך ורק על בסיס גבוה, אך ורק על בסיס של אותות, אך ורק על בסיס ריצוף גבוה יותר, אך ורק על בסיס גבוה יותר, אך ורק על בסיס גבוה יותר, אך ורק על גבי ריצוף גבוה יותר, אך ורק על בסיס גבוה, אך ורק על בסיס ⁇ , אך ורק על פני שטח עמוק, אך ורק על בסיס גבוה יותר, אך ורק על פני שטח עמוק, אך ורק על בסיס ⁇ , רק על בסיס ⁇ פחות מאתגר יותר, אך ורק על בסיס ⁇ , אך, אך ורק על בסיס גבוה יותר, יש פחות מאתגר יותר, אך ורק על בסיס ⁇ , רק על פני שטח עמוק, אך ורק על

חיזוי DOP אפשרי עם לווייני Almanacs. לדוגמה, מטייל בקניון יכול לבדוק מגרשי שמים מראש כדי לקבוע נסיעות כאשר הגיאומטריה לוויינית הוא חיובי.נייד יישומים עכשיו לספק חיזוי DOP בזמן אמת, המאפשר למשתמשים לחכות לעמדות לוויין טובות יותר לפני נטילת מדידות קריטיות.מודעה זו חשובה במיוחד עבור סקרים, גיאולוגים, ההר, אשר מסתמכים על דיוק תת-דמטר.

השפעות Ionospheric וטרופוספריות על תכונות פיזיות

בעוד הרים ובניינים גורמים לחסימות ישירות, האווירה של כדור הארץ מטילה עיכובים שונים מרחבית המושפעים מתכונות פיזיות.ה ionosphere, המורכב חלקיקים טעונים, משפיע על אותות GPS ביחס לתוכן אלקטרוני הכולל (TEC) משתנה עם פעילות סולארית, זמן של יום, וגישה גיאוגרפית מעל אזורים הרריים, TEC יכול להיות שונה באופן משמעותי מזה על פני מישורים מוקדמים בשל ריצוף מקומי; 2.

עיכוב טרופי תלוי בטמפרטורה, לחץ ולחות, אשר משתנה באופן דרמטי עם גובה. באזורים הרריים, ה- troposphere הוא דק יותר בגובה גבוה יותר, צמצום העיכוב.עם זאת, המעבר החד בין עמק לפסגות יכול ליצור Shears כי סיבוך מודלים. עבור יישומים בעלי רמה גבוהה כגון סקר או בנייה, משתמשים משתמשים משתמשים משתמשים בנתונים מטאוריולוגיים ספציפיים לאתר כדי להסביר את ההשפעות האלה.

הסתגלות טכנולוגית לאתגרים של Terrain

תעשיית ה-GPS פיתחה מספר טכנולוגיות כדי להתגבר על מכשולים בשטח:

  • (FLT:0) מקלטי רגישות גבוהה: FLT:1 משתמשים בטכניקות קורלציה מתוחכמת (למשל, קודרטורים מקבילים מסיביים) לרכוש ולעקוב אחר אותות חלשים בקניונים עמוקים או תחת ערפל.S רגישות למטה עד 165 dBm או נמוך יותר הוא כעת נפוץ.
  • (FLT:0)Dual- ⁇ L5:FLT:1) הלהקה החדשה יותר L5 1365 MHz) מציעה כוח גבוה יותר ורוחב פס רחב יותר, שיפור ההתנגדות להפרעות ורבפת בסביבות מאתגרות.
  • (FLT:0) תמיכתם של הלוויינים: אנדרל 1 (GLONASS, גלילאו, ו-BeiDou, הלוויינים הנוספים משפרים את הגיאומטריה ומספקים גיבויים כאשר כמה לוויינים חסומים על ידי שטח.לדוגמה, בעמק דולפינים צר, שישה לווייניים משלושה קבוצות כוכבים עשויים להיות גלויים גם אם רק אחד או שניים GPS הם מובנים.
  • (FLT:0) אינטימנטלי ומיזוג החיישן: FIRLT:1 ; meMS accelerometers ו-gyroscopes בסמארטפונים וניתן לבישת GPS במהלך הודעות אותות. Dead לשקול אלגוריתמים להעריך מיקום באמצעות נתוני חיישן ומיפוי מידע, פערים מתפתלים שבהם אותות שטח.
  • (FLT:0) בזמן אמת kinematic (RTK) מיקום: FLT:1 סקר GPS משתמש מדידות דו-פעמי נושא-phase עם תיקונים מתחנת בסיס סמוך כדי להשיג דיוק ס"מ, אפילו ליד מבנים גבוהים. RTK מסתמכ על קישור נתונים חזק ועשוי לדרוש נוף ברור לרזולוציה של ambiguity ראשונית, אבל פעם קבוע, יכול לעקוב אחר דרך מכשולים קטנים.

כיוונים עתידיים: יותר לוויינים, Better Terrain Handling

קבוצת GPS ממשיכה להמודרניזציה.לווינים GPS III שהושקו מאז 2018 כוללים אבני חן עבור אותות חזקים יותר, שיפור אנטי-אג'ינג, ו- Civil L5.ההתרחבות לתוך להקת L5 מספקת תדר שלישי עבור משתמשים אזרחיים, המאפשר תיקונים אטמוספריים טובים יותר וצמצום רב-אופטימי.בנוסף, כוח החלל האמריקאי מתכנן להציג מושגים תפעוליים חדשים כגון crosslink , ו-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-דיוק ו-to-in-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to

קבוצות קבוצות אחרות של GNSS מרחיבות גם את אותות הניווט בעוצמה גבוהה של גלילאו, לווייני ההנדסה הגיאוגרפית של ביידו המספקים את הגדלה האזורית, ו- IRNSS (NavIC) על הודו כולם תורמים לתערובת עשירה יותר של לווינים שיכולים לחדור את השטח.המגמה לעבר רב-אנתרופולוגיה, מקלטים רב-מקלטים של ריבוי-constellation יפחיתו באופן דרמטי את ההשפעה של תכונות פיזיות על ביצועי GPS בעשור הבא.

כאשר משלבים את כל GNSS, מקלט בקניון עירוני יכול בדרך כלל לעקוב אחר 20-30 לווייניים לעומת 8-12 מ- GPS בלבד. שפע זה משפר את הגיאומטריה ומפחית את ההשפעות של כל לוויין חסום יחיד.העתיד מבטיח אפילו יותר טוב טיפול בשטח כמו שעונים אטומיים להיות יציבים יותר אותות הופכים להיות יותר עמידים להפרעות.

מסקנה

המסע של לווייני GPS סביב התכונות הפיזיות של כדור הארץ הוא סיפור של עמידות והסתגלות.מסבבי MEO שנבחרו בקפידה כי שמיכה את כדור הארץ למקלטים המתוחכמות שמגמלים על חוסמים והשתקפות, טכנולוגיית GPS התפתחה לתפקד באופן אמין בהרי, יערות, ערים ואוקיאנוסים, הבנה של האינטראקציה בין מסלולים וקרקע עוזר לתכנן מערכות טובות יותר ועוזרת לעשות בחירות על ציוד ותהליכי ניווט פיזיים, כאשר אנו נכנסים לעידן של מערכות ניווט.

לקריאה נוספת, לחקור את אתר ה- GPS הרשמי של ממשלת ארה"ב (ראה:0) ;0) ,GPS.govFLT:1), את התיעוד הטכני של מינהל התעופה הפדרלי (ראה:2FAA דף WAAS 3FLT 3FLT) ואת המאמר על "תפקידו של GNSS בניווט אלפיני" ב-Journal of Applied Geodesy (Fallows:5: LT5:5 LT5).

הערה המחבר: מאמר זה נכתב מחדש והורחב באופן משמעותי לפרסום צי, מיקוד 2200-2500 מילים של פרוזה סמכותית, ייצור-קריאה.לא סמן, בלוקים גוטנברג או מילים מילוי משמשים.