GPS

http://t3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRiafUN6-_Gf4OpoMMaQ3ta7THI9KivazG-H5QfvUBEjoPBdc-R GPS

 

   O Sistema de Posicionamento Global (GPS) É o único totalmente funcional Global Navigation Satellite System (GNSS). Utilizando um constelação de pelo menos 24 órbita médiasatélites que transmitem preciso sinal de  microondas , o sistema permite um  receptor GPS determinar o seu local, Velocidade, direção e tempo. Desenvolvido pelo Departamento de Defesa Estados Unidos  , É nomeado oficialmente NAVSTAR GPS (Ao contrário da crença popular, não é uma NAVSTAR Sigla, Mas simplesmente um nome dado por John Walsh, um tomador de decisão chave quando ele veio para o orçamento para o programa GPS). A constelação de satélites é gerido pelo Estados Unidos da Força Aérea50 Space Wing. O custo da manutenção do sistema é de aproximadamente E.U. $750 milhões por ano, Síntese incluindo a substituição dos satélites por elhecimento,  pesquisa e desenvolvimento. Apesar destes custos, o GPS é gratuito para uso civil como um bem público.  GPS tornou-se amplamente utilizado como auxílio à navegação mundial, e uma ferramenta útil para cartográfica, , Comércio e usos científicos.

Simplificado método de operação

    Um receptor de GPS calcula a sua posição através da medição da distância entre si e três ou mais  satélites de GPS . Medindo o intervalo de tempo entre transmissão e recepção de cada sinal de microondas.  GPS dá a distância de cada satélite, uma vez que o sinal viaja a uma velocidade conhecida, perto da velocidade da luz. Estes sinais também levar informações sobre a localização dos satélites e do sistema de saúde geral (conhecido como almanaque e efemérides dados). Ao determinar a posição ea distância de, pelo menos três satélites, o receptor pode calcular a sua posição com triangulação.. Receptores normalmente não têm relógios perfeitamente exato e, portanto, completa um ou mais satélites adicionais, usando seus relógios atômicos para corrigir os propios erros. 

 

 

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 PALESTRA GPS

 

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 GPS AULA 2

 

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 GPS AULA 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Descrição técnica

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Unlaunched satélite GPS em exposição no Museu de San Diego Aerospace

Segmentação do sistema

O GPS atual consiste em três segmentos principais. Estes são o segmento espacial (SS), um segmento de controle (CS), e um segmento de usuário (E.U.).

Segmento espacial

O segmento espacial (SS) inclui os satélites em órbita do GPS, ou Veículos Espaciais (SV) no jargão do GPS. O projeto originalmente chamado GPS para 24 VVs a ser distribuído igualmente entre os seis circular plano orbitals. Os planos orbitais são centradas na Terra, não rodam com relação às estrelas distantes. Os seis aviões têm aproximadamente 55 ° inclinação (inclinação em relação à Terra equador) E estão separados por 60 ° ascensão reta do nó ascendente (ângulo ao longo do equador, de um ponto de referência para a interseção de órbita).  Orbitando a uma altitude de aproximadamente 20.200 km (12.600 milhas ou 10.900 milhas náuticas; Raio orbital de 26,600 km (16.500 km ou 14.400 NM)), cada SV faz duas órbitas completas cada dia sideral, Assim que passa sobre a mesma localidade na Terra uma vez por dia. As órbitas são arranjadas para que pelo menos seis satélites estão sempre dentro linha de visão em quase toda a superfície da Terra.  Até setembro de 2007, Existem 31 satélites de radiodifusão activamente no GPS constelação. Os satélites adicionais melhorar a precisão dos cálculos receptor GPS, fornecendo medições redundantes. Com o aumento do número de satélites, a constelação foi mudado para um acordo de não-uniforme. Tal acordo foi mostrado para melhorar a confiabilidade e disponibilidade do sistema, relativo a um sistema uniforme, quando vários satélites falhar.]

Segmento de controle

As trajectórias dos satélites são controlados por E.U. Air Force em estações de monitoramento Havaí, Kwajalein, Ascension Island, Diego GarciaE Colorado Springs, Colorado, Juntamente com as estações de monitor operado pelo National Geospatial-Intelligence Agency (NGA). As informações de rastreamento é enviado para o Air Force Space Command's na estação de controle mestre Schriever Air Force Base em Colorado Springs, que é operado pelo 2d Esquadrão de Operações Espaciais (2 PON) da Estados Unidos da Força Aérea (USAF). 2 contactos POPs cada satélite GPS regularmente com uma atualização de navegação (usando as antenas terrestres na Ilha de Ascensão, Diego Garcia, Kwajalein e Colorado Springs). Essas atualizações sincronizar o relógios atômicos a bordo dos satélites dentro de um microssegundo e ajustar o efemérides de um modelo interno de cada satélite orbital. As atualizações são criadas por um Filtro de Kalman que utiliza as entradas das estações de monitorização do solo, meteorologia espacial informação, e vários outros insumos.

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Receptores GPS vêm em uma variedade de formatos, de dispositivos integrados em carros, telefones e relógios, a dispositivos dedicados, como os mostrados aqui de fabricantes Trimble, Garmin e Leica (da esquerda para direita).

Segmento de usuários

O usuário receptor de GPS é o segmento de usuário (E.U.) do sistema GPS. Em geral, os receptores GPS são compostos de uma antena, sintonizado com as freqüências transmitidas pelos satélites, um receptor de processadores, e um relógio altamente estável (geralmente um oscilador de cristal). Eles podem também incluir um monitor para fornecer a localização e velocidade de informação para o usuário. Um receptor é frequentemente descrito pelo seu número de canais: isso significa quantos satélites pode monitorar simultaneamente. Originalmente limitado a quatro ou cinco, isso tem aumentado progressivamente ao longo dos anos para que, a partir de 2006, Os receptores geralmente têm entre doze e vinte canais.

É possível que seu navegador não suporte a exibição desta imagem. É possível que seu navegador não suporte a exibição desta imagem. Os receptores GPS podem incluir uma entrada para correcções diferenciais, utilizando a RTCM SC-104 formato. Isto é tipicamente na forma de um RS-232 porto de 4.800 bit / s de velocidade. Dados é enviada a uma taxa muito mais baixa, o que limita a precisão do sinal enviado usando RTCM. Receptores com receptores internos DGPS podem superar aqueles que utilizam dados externos RTCM. A partir de 2006, mesmo de baixo custo geralmente incluem unidades Wide Area Augmentation System (WAAS) receptores. Muitos receptores GPS podem transmitir dados de posição para um PC ou outro dispositivo usando a NMEA 0183 protocolo. NMEA 2000[11] é um protocolo mais novo e menos amplamente adotada. Ambos são proprietárias e controlada pela norte-americana National Marine Electronics Association. As referências aos protocolos NMEA foram compilados a partir de registros públicos, permitindo que ferramentas de código aberto como gpsd Para ler o protocolo sem violar propriedade intelectual leis. Outros protocolos proprietários existentes, bem como a SiRF e protocolos MTK. Receptores podem interagir com outros dispositivos, utilizando métodos, incluindo uma conexão serial, USB ou Bluetooth.

Sinais de navegação

Cada satélite GPS transmite continuamente um Mensagem de navegação em 50 bit / s dando o momento do dia, GPS número da semana e informações sobre saúde via satélite (todos transmitidos na primeira parte da mensagem), um efemérides (transmitido na segunda parte da mensagem) e um almanaque (parte posterior da mensagem). Os dados de efeméride dá própria órbita do satélite é preciso e saída de mais de 18 segundos, repetindo a cada 30 segundos. A efeméride é atualizado a cada 2 horas e geralmente é válida por 4 horas, com provisões para 6 horas time-outs. O tempo necessário para adquirir a efeméride está se tornando um elemento significativo do atraso para corrigir a primeira posição, porque, como o hardware se torna mais capaz, o tempo de bloqueio para os sinais de satélite diminui, mas os dados de efemérides exige 30 segundo pior () antes de ser recebido, devido à baixa taxa de transmissão de dados. O almanaque é composto de órbita grosseiro e informações de estado para cada um dos satélites da constelação e leva 12 segundos para cada presente via satélite, com informações para um novo satélite a ser transmitida a cada 30 segundos (15,5 minutos para os 31 satélites). A finalidade dos dados é auxiliar na aquisição de satélites no arranque, permitindo que o receptor para gerar uma lista de satélites visíveis com base na posição armazenados e do tempo, enquanto uma efeméride de cada satélite é necessário para calcular a sua posição actual com que o satélite . Em hardware mais antigo, a falta de um almanaque de um novo receptor poderia causar atrasos longos antes de fornecer uma posição válida, porque a pesquisa para cada satélite foi um processo lento. Avanços em hardware ter feito o processo de aquisição muito mais rápida, para não ter um almanaque não é mais um problema. Uma coisa importante a notar sobre dados de navegação é que cada satélite transmite apenas a sua própria efeméride, mas transmite um almanaque para todos os satélites.  Cada satélite transmite a sua mensagem de navegação com pelo menos dois códigos distintos spread spectrum: a Coarse / Acquisition (C / A code), Que é livremente acessível ao público, e os Precisas (P) código, Que normalmente é criptografado e reservado para aplicações militares. O código C / A é 1.023 chippseudo-aleatório (PRN) código em 1,023 milhões chips / s para que ele se repete a cada milissegundo. Cada satélite tem seu próprio C / A code para que ele possa ser unicamente identificado e recebeu separadamente dos outros satélites de transmissão na mesma freqüência. A P-código é uma Megachip 10,23 / seg código PRN que se repete apenas a cada semana. Quando o "anti-spoofing" modo está ligado, como está em operação normal, o código P é codificada pelo Código Y para produzir o P (Y) código, que apenas pode ser decifrada por unidades com uma chave de decodificação válido. Tanto a C / A e P (Y) códigos de dar o tempo preciso de dia para o usuário. Frequências utilizadas pelo GPS incluem

  • L1 (1575,42 MHz): Mix de Navegação Mensagem, grosseiro aquisição (código C / A) e P precisão criptografado (código Y), mais o L1C novo sobre o futuro satélites Block III.
  • L2 (1227,60 MHz): P (Y) código, mais o código L2C novo no bloco IIR-M e os satélites mais recentes.
  • L3 (1381,05 MHz): Usado pela detonação nuclear (NUDET) Sistema de Detecção de Carga (NDS) para sinal de detecção de explosões nucleares e outros eventos de alta energia infravermelha. Usado para aplicar tratados proibição de testes nucleares.
  • L4 (1379,913 MHz): sendo estudados para a correção ionosférica adicionais.
  • L5 (1176,45 MHz): Proposta para o uso como um segurança civil da vida humana (SoL sinal) (ver Modernização do GPS). Esta freqüência cai em um intervalo de proteção internacional para a navegação aeronáutica, prometendo pouca ou nenhuma interferência em todas as circunstâncias. O primeiro satélite Bloco IIF que fornecer este sinal é definida para ser lançado em 2008.

Cálculo de posições

Utilizando o código C / A

Para começar, o receptor que capta C / A códigos para ouvir pelo PRN número, baseado no almanaque de informações que tiver previamente adquirido. Como se detecta o sinal de cada satélite, ele identifica-lo pela sua distinta C / Um padrão de código, em seguida, mede o tempo de atraso para cada satélite. Para fazer isso, o receptor produz uma idêntica C / A seqüência usando o mesmo número de sementes como o satélite. Ao alinhar as duas seqüências, o receptor pode medir o atraso e calcular a distância até o satélite, chamado de pseudodistância

É possível que seu navegador não suporte a exibição desta imagem. É possível que seu navegador não suporte a exibição desta imagem. Pseudoranges sobrepostas, representados como curvas, são modificadas para ceder a posição provável

Em seguida, os dados de posição orbital, ou efemérides, A partir da mensagem de navegação é então transferido para calcular a posição exata do satélite. Um receptor mais sensível será potencialmente obter os dados de efemérides mais rapidamente do que um receptor menos sensível, especialmente em um ambiente ruidoso. Conhecendo a posição ea distância de um satélite indica que o receptor está localizado em algum lugar sobre a superfície de uma esfera imaginária centrada no que via satélite e cujo raio é a distância para ele. Receptores pode substituir a altitude para um satélite, que o receptor GPS se traduz em uma pseudo-medidos a partir do centro da terra.  Locais não são calculadas no espaço tridimensional, mas em quatro dimensões spacetime, Ou seja, uma medida do momento preciso do dia é muito importante. O pseudoranges medido a partir de quatro satélites já foram determinadas com o relógio interno do receptor e, portanto, ter uma quantidade desconhecida de erro de relógio. (O erro do relógio ou o tempo real não importa para o cálculo inicial de pseudo, porque se baseia quanto tempo já passou entre a recepção de cada um dos sinais dos satélites, independente do relógio do receptor.) The four-dimensional que ponto é equidistante dos pseudoranges é calculado como um palpite quanto à localização do receptor, eo fator usado para ajustar os pseudoranges que cruzam que quatro ponto-dimensional dá um palpite quanto ao relógio do receptor offset. Com cada um palpite, um geométrica diluição de precisão (GDOP vector) é calculado, com base nas posições céu relativa dos satélites usados. Quanto mais satélites são captados, pseudoranges das combinações mais de quatro satélites podem ser processados para adicionar mais palpites para o local e clock offset. O receptor então determinar quais combinações de utilizar e como calcular a posição estimada pela determinação da média ponderada dessas posições e deslocamentos relógio. Após a localização final e tempo são calculadas, a localização é expressa em um sistema de coordenadas específico, por exemplo, latitude/longitude, Utilizando o WGS 84Datum geodésico ou um sistema local específico de um país.

Usando a P (Y) Código

Calculando uma posição com a P (Y sinal) é geralmente similar no conceito, assumindo um pode decifrar. A criptografia é essencialmente um mecanismo de segurança: se um sinal pode ser decifrada com sucesso, é razoável assumir que é um verdadeiro sinal sendo enviado por um satélite GPS. Em comparação, os receptores civis são altamente vulneráveis a falsificação já formatado corretamente C / A sinais podem ser gerados usando geradores de sinais prontamente disponíveis. RAIM características não protegem contra a falsificação, pois RAIM só verifica os sinais de uma perspectiva de navegação.

Fontes de Precisão e erro

A posição calculada por um receptor GPS requer o momento atual, a posição do satélite e do atraso medido do sinal recebido. A precisão da posição é essencialmente dependente da posição do satélite e atraso do sinal.  Para medir o atraso, o receptor compara a seqüência de bits recebido do satélite com uma versão gerado internamente. Ao comparar o nascer eo bordo de fuga das transições pouco, a eletrônica moderna pode medir o sinal de deslocamento para dentro de cerca de 1% de uma hora de bits, ou aproximadamente 10 nanosegundos para a C / A code. Desde os sinais de GPS propagar quase no velocidade da luz, Isto representa um erro de aproximadamente 3 metros. Este é o erro mínimo possível, usando apenas o GPS C / sinal.  Precisão da posição pode ser melhorado, usando o maior chiprate-P (Y sinal). Assumindo o mesmo 1% de precisão pouco tempo, o P de alta freqüência (Y) os resultados de sinal em uma precisão de cerca de 30 centímetros.  Eletrônicos são um erro de precisão vários efeitos degradantes descritas na tabela abaixo. Quando tomados em conjunto, autônomo GPS civis corrige a posição horizontal são geralmente precisa de cerca de 15 metros (50 pés). Estes efeitos também reduzir o P mais preciso (Y) precisão código.

 

Fontes de usuário equivalente Faixa de Erros (UERÊ)
Fonte Efeito
Efeitos ionosféricos ± 5 metros
Erros Ephemeris ± 2,5 metros
Relógio erros de Satélite ± 2 metros
Distorção Multipath ± 1 metro
Efeitos troposférico ± 0,5 metros
Erros numéricos ± 1 metro

Efeitos atmosféricos

Inconsistências das condições atmosféricas afetam a velocidade dos sinais GPS, eles passam a A atmosfera da Terra e ionosfera. A correção desses erros é um desafio significativo para melhorar a precisão da posição GPS. Estes efeitos são menores quando o satélite está diretamente aéreo e tornar-se maior para os satélites mais próximos da horizonte já que o sinal é afetada por um longo tempo. Uma vez que a localização aproximada do receptor é conhecido, um modelo matemático pode ser usado para estimar e compensar estes erros.  Porque demora ionosféricas afeta a velocidade de sinais de microondas de forma diferente dependendo da freqüência de uma característica conhecida como dispersão-Ambas as bandas de freqüência pode ser usado para ajudar a reduzir este erro. Alguns inquérito militar e caro-grade receptores civis comparar os diferentes atrasos nas freqüências L1 e L2 para medir a dispersão atmosférica, e aplicar uma correção mais precisa. Isto pode ser feito em receptores civis sem descriptografar a P (Y) sinal transportado em L2, seguindo o onda portadora em vez do modulada código. Para facilitar esta tarefa em receptores de baixo custo, um sinal do novo código civil na L2, chamado L2C, foi adicionada ao bloco IIR-M satélites, que foi lançado em 2005. Ela permite uma comparação direta dos sinais L1 e L2 com o sinal codificado em vez da onda portadora. Os efeitos da ionosfera geralmente mudam lentamente, e podem ser calculados sobre o tempo. Os efeitos para qualquer área geográfica pode ser facilmente calculada comparando o GPS-medidos posição de um local conhecido pesquisados. Essa correção também é válida para outros receptores no mesmo local em geral. Diversos sistemas enviam essa informação através do rádio ou outros links para permitir que os receptores L1 apenas para fazer as correções ionosféricas. Os dados ionosféricos são transmitidas via satélite em Satellite Based Augmentation Systems como WAAS, que transmite na frequência de GPS usando um pseudo-especiais de números aleatórios (PRN), portanto, apenas uma antena e um receptor são obrigatórios.  Umidade também provoca um atraso variável, resultando em erros semelhantes ao atraso ionosférico, mas que ocorrem no troposfera. Este efeito é tanto mais localizados e as mudanças mais rapidamente do que efeitos ionosféricos, e não é dependente da freqüência. Essas características fazem medições precisas e reparação de erros de umidade mais difícil do que efeitos ionosféricos.  Mudanças de altitude receptor também alterar a quantidade de atraso, devido ao sinal passando por menos da atmosfera em altitudes mais elevadas. Uma vez que o receptor GPS calcula a sua altitude aproximada, esse erro é relativamente simples de corrigir.

Efeitos Multipath

Sinais GPS também podem ser afetados por multipath questões, onde os sinais de rádio refletir fora do terreno circundante; edifícios, paredes de garganta chão, rígido, etc Estes sinais atraso pode causar imprecisão. Uma variedade de técnicas, espaçamento correlator principalmente estreitas, têm sido desenvolvidos para atenuar os erros multipath. Para multipath atraso, o próprio receptor pode reconhecer o sinal retrógrado e descartá-lo. Para resolver multipath prazo mais curto a partir do sinal refletindo no chão, antenas especializadas podem ser utilizadas para reduzir a potência do sinal recebido pela antena. Reflexões atraso curtos são mais difíceis de filtrar, porque eles interferem com o sinal verdadeiro, provocando efeitos quase indistinguíveis das flutuações de rotina em atraso atmosférico.  Multipath efeitos são muito menos graves em veículos em movimento. Quando a antena GPS está se movendo, as falsas soluções usando sinais refletidos falhar a convergir rapidamente e só o resultado directo de sinais em soluções estáveis.

Ephemeris erros e relógio

A mensagem de navegação de um satélite é enviado apenas a cada 30 segundos. Na realidade, os dados contidos nestas mensagens tendem a ser "out of date" por uma quantia ainda maior. Considere o caso quando um satélite GPS é impulsionada para trás em uma órbita apropriada, por algum tempo após a manobra, o cálculo do receptor da posição do satélite será incorreta até que ele recebe uma outra atualização efemérides. Os relógios a bordo são extremamente precisos, mas eles sofrem de algum deriva do relógio. Esse problema tende a ser muito pequeno, mas pode adicionar até 2 metros (6 pés) de imprecisão.  Esta classe de erro é mais "estável" do que os problemas ionosféricas e tende a mudar ao longo do dia ou semana em vez de minutos. Isto torna bastante simples correção através do envio de um almanaque mais precisa em um canal separado.

Disponibilidade Seletiva

GPS inclui um (atualmente desativada) recurso chamado Disponibilidade Seletiva (SA), Que podem introduzir intencional, mudando lentamente erros aleatórios de até cem metros (328 pés) para os sinais de navegação à disposição do público para confundir, por exemplo, guiar mísseis de longo prazo com objectivos precisos. Quando ativado, a precisão está ainda disponível o sinal, mas de uma forma encriptada que está disponível apenas para os Estados Unidos militar, seus aliados e alguns outros, principalmente os usuários do governo. Mesmo aqueles que não conseguiram adquirir os receptores GPS ainda precisa obter a diária chave, Cuja divulgação é rigidamente controlado. Antes de ser desativado, SA tipicamente adicionados erros de sinal de até cerca de 10 metros (32 pés) na horizontal e 30 metros (98 pés) verticalmente. A imprecisão do sinal civil foi deliberadamente codificados de modo a não mudar muito rapidamente. Por exemplo, toda a zona oriental E.U. pode ler 30 m fora, mas 30 m fora todo o lado e na mesma direção. Para melhorar a utilidade do GPS para navegação civil, GPS Diferencial foi usado por muitos receptores de GPS civil para melhorar consideravelmente a precisão. Durante o Guerra do Golfo, A escassez de unidades militares do GPS e na disponibilidade dos entes civis causadas muitas tropas para comprar suas próprias unidades de GPS civil: a sua ampla utilização entre o pessoal resultou em uma decisão de Disponibilidade Seletiva desativar. Isso foi irônico, como SA havia sido introduzido especificamente para estas situações, permitindo que as tropas aliadas se usar o sinal para uma navegação precisa, ao mesmo tempo negá-lo ao inimigo, mas o pressuposto subjacente a esta política foi a de que todas as tropas E.U. e tropas inimigas teria militar de receptores GPS de especificação e que os receptores civis não existiria em zonas de guerra. Mas uma vez que muitos soldados americanos estavam usando dispositivos civis, SA foi também negando a mesma precisão para milhares de tropas amigas e se desligar (removendo o acrescentado em erro) apresentou um claro benefício para as tropas aliadas.  Na década de 1990, o FAA começou a pressionar os militares para desativar permanentemente SA. Isso iria salvar a FAA milhões de dólares todos os anos na manutenção de suas próprias radionavegação sistemas. Os militares resistiram por mais de década de 1990, e ele finalmente tomou uma ordem executiva para ter SA removido do sinal GPS. A quantidade de erros foi acrescentado "de zero"[14] à meia-noite 1 de maio2000 na sequência de um anúncio feito pelo presidente do U. S. Bill Clinton, Permitindo aos usuários o acesso ao sinal de erro-L1 livre. Per a directiva, o erro induzido da SA foi alterada para acrescentar nenhum erro aos sinais públicos (C / A code). Ordem executiva de Clinton necessário SA a ser definido para zero em 2006, que aconteceu em 2000.  Disponibilidade Seletiva ainda é uma capacidade do sistema de GPS, e erro poderia, em teoria, ser restabelecidos a qualquer momento. Na prática, tendo em conta os riscos e os custos para isso induziria E.U. e estrangeiras de navegação, é improvável que seja restabelecida, bem como várias agências governamentais, incluindo o FAA, afirmaram que não é destinada a ser reintroduzida. Os militares E.U. desenvolveu um novo sistema que fornece a capacidade de negar o GPS (e outros serviços de navegação) para as forças hostis em uma área específica de crise, sem afetar o resto do mundo ou os seus próprios sistemas militares.   Um efeito colateral interessante do hardware Disponibilidade Seletiva é a capacidade de corrigir a freqüência do GPS césio e rubídiorelógios atômicos com uma precisão de cerca de 2 × 10-13 (um em cada cinco trilhões). Isso representou uma melhoria significativa em relação a precisão dos relógios-primas. Ligado 19 de setembro2007, O Estados Unidos Departamento de Defesa anunciou que não iria obter qualquer mais satélites capazes de implementar SA.

Relatividade

De acordo com o teoria da relatividade, Devido ao seu constante movimento e altura em relação à Terra centrado referencial inercial, os relógios dos satélites são afetados pela sua velocidade (relatividade especial), Bem como seu potencial gravitacional (relatividade geral). Para os satélites GPS, a relatividade geral prediz que o relógios atômicos em altitudes GPS orbital vai assinalar mais rapidamente, em cerca de 45.900 nanosegundos (ns) por dia, porque eles estão em um campo gravitacional mais fraca do que os relógios atômicos na superfície da Terra. Relatividade especial prediz que os relógios atômicos que se deslocam a velocidades GPS orbital vai assinalar mais lentamente do que os relógios chão parado por cerca de 7.200 ns por dia. Quando combinadas, a discrepância é de 38 microssegundos por dia, uma diferença de 4,465 partes em 10. Para esclarecer isso, a bordo da freqüência padrão de cada satélite é dada uma taxa de compensação antes do lançamento, fazendo-a funcionar um pouco mais lento do que a freqüência desejada na Terra, especificamente, na 10,22999999543 MHz em vez de 10,23 MHz.  GPS processamento de observação também deve compensar um outro efeito relativista, o Efeito Sagnac. A escala de tempo GPS é definida em um inercial sistema, mas as observações são processadas em um Centrada na terra, Terra-fixo (co-rotativa), sistema em que um simultaneidade não é unicamente definido. O Transformação de Lorentz entre os dois sistemas modifica o tempo de execução do sinal, uma correção tendo oposto sinais algébricos para satélites no Leste e Oeste hemisférios celestes. Ignorando o efeito irá produzir um erro leste-oeste da ordem de centenas de nanossegundos, ou dezenas de metros na posição.  Os relógios atômicos a bordo dos satélites GPS são precisamente sintonizado, tornando o sistema uma engenharia de aplicação prática da teoria científica da relatividade em um ambiente do mundo real.

GPS interferências e empastelamento

Fontes naturais

Desde os sinais de GPS em receptores terrestres tendem a ser relativamente fraca, é fácil para outras fontes de radiação eletromagnética para dessensibilizar o receptor, tornando a aquisição eo seguimento do satélite sinais difícil ou impossível.  Solar flares são um exemplo natural de emissão, com potencial para degradar a recepção GPS, eo seu impacto pode afetar a recepção durante a segunda metade da Terra voltada para o sol. Sinais GPS também podem ser afectadas pelo que ocorre naturalmente tempestades geomagnéticas, Predominantemente encontrados perto dos pólos do Campo magnético da Terra.[20] Sinais GPS também estão sujeitas à interferência de Van Allen Belt radiação quando os satélites passam pelo Anomalia do Atlântico Sul. Outra fonte de problemas é o metal embutido em algum carro pára-brisas para evitar formação de gelo, recepção degradante apenas dentro do carro.

Fontes artificiais

Man-made interferência também pode atrapalhar, ou jam, Os sinais de GPS. Em um caso bem documentado, um porto inteiro não foi capaz de receber sinais GPS, devido a interferências não intencionais causados por um mau funcionamento pré-amplificador de antena de TV. Interferência intencional também é possível. Geralmente, os sinais mais fortes podem interferir com receptores GPS, quando eles estão dentro do alcance do rádio, ou linha de visão. Em 2002, uma descrição detalhada de como construir uma curta distância do GPS L1 C / A jammer foi publicado na revista on-line Phrack.[22]  O Governo E.U. acredita que os jammers tal foram utilizados ocasionalmente durante a guerra de 2001 no Afeganistão e as forças armadas E.U. reivindicou para destruir um GPS jammer com uma bomba guiada por GPS durante a Guerra do Iraque.[Tais um jammer é relativamente fácil de detectar e localizar, tornando-o um alvo atraente para mísseis anti-radiações. O Ministério da Defesa britânico testado um sistema de bloqueio na região Oeste do Reino Unido em 7 e 8 de Junho de 2007.   Alguns países permitem o uso de repetidoras GPS para permitir a recepção de sinais de GPS em ambientes fechados e em locais obscurecido, no entanto, no âmbito da UE e as leis do Reino Unido, a utilização destas é proibido, os sinais podem causar interferência em outros receptores GPS que pode receber dados de ambos os satélites GPS e da repetidora. Devido ao potencial de ambos naturais e antrópicos ruído produzido, numerosas técnicas continuarão a ser desenvolvidos para lidar com a interferência. A primeira é a de não contar com GPS como uma única fonte. Segundo John Ruley "IFR pilotos devem ter um plano de emergência em caso de avaria GPS ".Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM) é um recurso já incluído em alguns receptores, que é projetado para fornecer um aviso para o usuário se atolar ou outro problema for detectado. Os militares E.U. também tem implantado os seus Disponibilidade Seletiva / Anti-Spoofing Module (SAASM) na Defense Advanced GPS (DAGR). Nos vídeos de demonstração, o DAGR é capaz de detectar interferências e manter o seu bloqueio sobre os sinais codificados GPS durante a interferência que faz com que os receptores civis perder o bloqueio.

Técnicas para melhorar a precisão

Augmentation

Métodos de aumento de melhorar a precisão dependem de informações externas a ser integrados no processo de cálculo. Há muitos desses sistemas no lugar e que são geralmente nomeado ou descrito com base em como o sensor de GPS recebe a informação. Alguns sistemas transmitem informações adicionais sobre as fontes de erro (como deriva do relógio, efemérides, ou o atraso ionosférico), outros fornecem medidas diretas de quanto o sinal foi desligado no passado, enquanto um terceiro grupo de fornecer informações de navegação ou veículo adicional para ser integrado no processo de cálculo.  Exemplos de sistemas incluem o aumento do Wide Area Augmentation System, GPS Diferencial, Inertial Navigation Systems e GPS Assistido.

Acompanhamento preciso

A precisão de um cálculo também pode ser melhorada através de um controlo preciso e medição dos sinais de GPS existentes de forma complementar ou alternativa.  Após SA, que foi desativado, o maior erro do GPS é geralmente o atraso imprevisível através da ionosfera. A nave espacial de parâmetros do modelo de difusão ionosférica, mas os erros permanecem. Esta é uma razão a nave GPS transmitem em pelo menos duas freqüências L1 e L2. Atraso ionosférica é uma função bem definida de freqüência e conteúdo total de elétrons (TEC) ao longo do caminho, para medir a diferença de tempo de chegada entre as freqüências do TCE determina e, portanto, o atraso ionosférico precisos em cada frequência. Receptores com chaves de descriptografia pode decodificar a P (Y)-código transmitido em ambos L1 e L2. No entanto, essas chaves são reservadas para os militares e "autorizadas" e as agências não estão disponíveis ao público. Sem as chaves, ainda é possível utilizar um codeless técnica para comparar o P (Y) códigos em L1 e L2 para ganhar muita da informação mesmo erro. No entanto, esta técnica é lenta, pelo que actualmente se limita a equipamentos de topografia especializada. No futuro, os códigos de civis deverão ser transmitidos na L2 e frequências L5 (ver Modernização do GPS, Abaixo). Então, todos os usuários serão capazes de realizar medições de freqüência dupla e directamente calcular erros atraso ionosférico.  A segunda forma de monitorização precisa é chamado Carrier-Phase Enhancement (CPGPS). O erro, que é corrigida, surge porque a transição do pulso PRN não é instantâneo, e assim o correlação (satélite seqüência receptor compatível operação) é imperfeito. A abordagem CPGPS utiliza a onda portadora L1, que tem uma período 1000 vezes menor do que a do C / A período de bit, para atuar como um adicional sinal de relógio e resolver a incerteza. O erro de diferença de fase em quantidades normais de GPS para entre 2 e 3 metros (m 6 a 10) de ambiguidade. CPGPS trabalhando para a 1% da transição perfeita reduz este erro de 3 centímetros (1 polegada) de ambiguidade. Ao eliminar esta fonte de erro, juntamente com CPGPS DGPS normalmente realiza entre 20 e 30 centímetros (8 a 12 polegadas) de precisão absoluta.  Posicionamento relativo cinemático (PRJ) é uma outra abordagem para um GPS preciso sistema baseado no posicionamento. Nesta abordagem, a determinação do alcance do sinal pode ser resolvido com uma precisão de menos de 10 centímetro (4 in). Isto é feito para resolver o número de ciclos em que o sinal é transmitido e recebido pelo receptor. Isso pode ser feito usando uma combinação de GPS diferencial (DGPS) Dados de correcção, transmitindo informações de GPS fase do sinal e técnicas de resolução de ambigüidade através de testes estatísticos, possivelmente com processamento em tempo real (em tempo real de posicionamento cinemático, RTK).

GPS data e hora

Enquanto a maioria dos relógios são sincronizados Coordenas de tempo universal  (UTC), o Os relógios atômicos sobre os satélites estão definidas para Tempo GPS. A diferença é que o tempo do GPS não é corrigido para coincidir com a rotação da Terra, de modo que não contenha segundo salto ou outras correções que são periodicamente adicionados ao UTC. Tempo GPS foi definido para corresponder Tempo Universal Coordenado (UTC), em 1980, mas já divergiram. A falta de correcções significa que o tempo GPS permanece em um constante deslocamento (19 segundos), com Tempo Atômico Internacional (TAI). Correções periódicas são realizadas a bordo relógios para corrigir os efeitos relativísticos e mantê-los sincronizados com relógios de chão.  A mensagem de navegação GPS inclui a diferença entre GPS e hora UTC, o que a partir de 2006 é de 14 segundos. Receptores subtrair esse deslocamento de tempo de GPS para calcular a UTC e valores fuso horário específico. Novas unidades de GPS não pode mostrar a hora UTC correto até que depois de receber a mensagem UTC offset. O GPS-deslocamento UTC campo pode acomodar 255 segundo salto (oito bits) que, na actual taxa de variação da rotação da Terra, é suficiente para durar até o ano 2330. Ao contrário do ano, mês, dia e formato do Calendário juliano, A data de GPS é expresso como um número de semanas e um dia-de-semana o número. O número da semana é transmitida como uma ten -pedaço campo da C / A e P (Y) Mensagens de navegação, e assim se torna zero novamente a cada 1.024 semanas (19,6 anos). GPS zero semana começou às 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI) em 6 de janeiro1980 eo número de semanas tornou-se novamente zero pela primeira vez em 23:59:47 UTC em 21 de agosto1999 (00:00:19 TAI em 22 de agosto, 1999). Para determinar a corrente Gregorian data, um receptor de GPS deve ser fornecida com a data aproximada (para dentro de 3.584 dias) para traduzir corretamente o sinal de GPS data. Para resolver esta questão, as mensagens de navegação GPS modernizado usar um campo de 13-bit, que só se repete a cada 8.192 semanas (157 anos), e não voltará a zero até perto do ano 2137.

Modernização do GPS

 

Tendo atingido os requisitos do programa para Plena capacidade operacional (FOC) em 17 de julho, 1995,[27] o GPS completou seu objetivos do projeto original. No entanto, os avanços adicionais em tecnologia e novas exigências sobre o actual sistema conduziu ao esforço de modernização do sistema GPS. Comunicações do Vice-Presidente e à Casa Branca em 1998 deu início a essas mudanças, e em 2000 o Congresso autorizou o esforço E.U., referindo-se a ele como GPS III. O projecto visa melhorar a precisão e disponibilidade de todos os usuários e envolve as estações de terra nova, novos satélites, e quatro sinais de navegação adicionais. Novos sinais civis são chamados L2C, L5 e L1C; O novo código militar é chamado M-Code. Capacidade operacional inicial (COI), do Código L2C é esperado em 2008. A meta de 2013 foi estabelecida para todo o programa, com incentivos oferecidos aos contratantes se pode concluir que em 2011.

Aplicações

O Sistema de Posicionamento Global, embora inicialmente um projeto militar, é considerado um de dupla utilização tecnologia, o que significa que tem aplicações importantes, tanto para a indústria militar e civil.

Militar

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Os militares utilizam GPS para as seguintes finalidades:

Navegação

GPS permite que os soldados a encontrar os objectivos no escuro ou em território desconhecido, e para coordenar o movimento de tropas e suprimentos. Os receptores GPS-comandantes e soldados usam são, respectivamente, chamado de Comandantes Digital Assistant e Soldado Digital Assistant.

Alvo de monitoramento

Vários sistemas de armas militares utilizam o GPS para monitorar o potencial da terra e as metas do ar antes que eles são sinalizadas como hostil. Estes sistemas de armas passar GPS coordenadas de alvos para munições guiadas com precisão que lhes permitam exercer os alvos com precisão.  As aeronaves militares, especialmente aqueles usados em ar-terra papéis de usar o GPS para localizar alvos (por exemplo, camera gun vídeo a partir de AH-1 Cobras em Iraque co mostrar GPS coordenadas que podem ser pesquisados no Google Earth).

Mísseis e projéteis de orientação

GPS permite uma mira precisa de várias armas de guerra, incluindo ICBMs, mísseis de cruzeiro e munições guiadas com precisãoArtilhariaprojécteis com receptores de GPS incorporados capaz de resistir a forças de 12.000G têm sido desenvolvidos para uso em 155 milímetros obuses.

Busca e Salvamento

Downed pilotos pode ser localizado mais rapidamente se eles têm um receptor GPS.

Criação de Reconhecimento e Mapa

O GPS usa extensivamente a ajuda militar e mapeamento reconhecimento.

Outro

Os satélites GPS também carregam detectores de detonação nuclear, que formam uma parte importante da Estados Unidos Nuclear Detonation Sistema de Detecção.

Civil

 

Esta antena está montada no telhado de uma cabana com uma experiência científica que necessitam de tempo preciso.

Muitos benefícios aplicações civis a partir de sinais de GPS, utilizando um ou mais dos três componentes básicos do GPS: posição absoluta, movimento relativo, e de transferência de tempo. A capacidade de determinar a localização absoluta do receptor permite que os receptores GPS para funcionar como um agrimensura ou como uma ferramenta de auxílio à navegação. A capacidade de determinar o movimento relativo permite que um receptor para calcular a velocidade local e orientação, útil em vasos ou observações da Terra. Ser capaz de sincronizar relógios de exigentes normas permite a transferência de tempo, que é crítico em grande comunicação e sistemas de observação. Um exemplo é CDMA celular digital. Cada estação base tem um receptor GPS de tempo para sincronizar os seus códigos de espalhamento com outras estações de base para facilitar a inter-mão celular desligado e GPS apoio híbrido / CDMA posicionamento de celulares para chamadas de emergência e outras aplicações. Finalmente, o GPS permite aos investigadores para explorar o ambiente da Terra, incluindo a atmosfera, ionosfera e do campo de gravidade. GPS equipamento de pesquisa tem revolucionado tectônica por medir diretamente o movimento de falhas em terremotos.  Para ajudar a evitar civis GPS orientação de ser usado em um inimigo militares ou armas improvisadas, o Governo E.U. controla a exportação de aparelhos receptores civis. A norte-americana fabricante geralmente não podem exportar um receptor GPS a menos que o receptor contém limites de restringi-lo de funcionar quando ele é simultaneamente (1) a uma altitude acima de 18 km (60.000 pés) e (2) viajando a mais de 515 m / s (1.000 nós).

História

O design do GPS é baseado em parte no terreno semelhante baseado em sistemas de rádio de navegação, como LORAN e Decca Navigator desenvolvido no início dos anos 1940, e utilizada durante II Guerra Mundial. Inspiração adicional para o sistema GPS veio quando o União Soviética lançou o primeiro Sputnik em 1957. Uma equipe de cientistas E.U. conduzido pelo Dr. Richard B. Kershner estavam monitorando as transmissões de rádio da Sputnik. Eles descobriram que, por causa da Efeito Doppler, A freqüência do sinal a ser transmitido por Sputnik foi maior que o satélite se aproximava, e mais baixo, já que continuou longe deles. Eles perceberam que desde que soube da sua localização exata no globo terrestre, poderiam identificar onde o satélite foi ao longo de sua órbita através da medição da distorção Doppler.  O primeiro sistema de navegação por satélite, Trânsito, Utilizada pelo Marinha dos Estados Unidos, Foi primeiramente testado com sucesso em 1960. Usando uma constelação de cinco satélites, que poderia fornecer uma correção de navegação aproximadamente uma vez por hora. Em 1967, a U. S. Navy desenvolveu o Timation satélite, que mostrou a capacidade de colocar relógios precisos no espaço, uma tecnologia do sistema GPS se baseia. Na década de 1970, os terrestres Sistema de navegação Omega, Com base na comparação de fase do sinal, se tornou o mundo primeiro sistema de navegação de largura de rádio.  O primeiro bloco experimental-I satélite GPS foi lançado em fevereiro de 1978. Os satélites GPS foram inicialmente fabricados por Rockwell International (agora parte da Boeing) E agora são fabricados por Lockheed Martin (IIR / IIR-M) e Boeing (IIF).

 Números de Satélite

 

Nome Período de lançamento N º de satélites lançados, inc. falhas de lançamento Actualmente em serviço
Bloco I 1978-1985 11 0
Bloco II 1985-1990 9 0
Bloco IIA 1990-1997 19 15 +11
Bloco IIR 1997-2004 12 12
Bloco IIR-M 2005 -- 4 3
Bloco IIF 2008 -- 0 0
Total 54 (mais um não lançado) 30 +1
1Um satélite de teste
       

 

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