GPS-i referaat (1)

Sissejuhatus
Globaalne asukoha määramise süsteem (GPS) on kosmosepõhine globaalne navigatsiooni satelliidi süsteem. See võimaldab asukoha ja aja info kättesaadavuse ka halva ilmaga, igal ajal ja igal pool üle Maa (või selle lähedal), kui on nähtavuses vähemalt neli satelliiti (orbiidil liigub korraga vähemalt neli või rohkem GPS satelliiti). See süsteem on vabalt kättesaadav kõigile, kellel on GPS vastuvõtja. GPS loodi ja realiseeriti Ameerika Ühendriikide Kaitseministeeriumi poolt ning originaalselt oli kasutuses 24 satelliidiga, mis asusid 20 200 km kõrgusel. See kujunes välja 1973. aastal, et üle saada eelmiste navigatsioonisüsteemide piirangutest.
Ajalugu
GPS-i välimus sarnaneb osaliselt maa-baasilise raadionavigatsiooni süsteemiga. Et saavutada täpseid nõudeid, kasutab GPS üldisi relatiivseid põhimõtteid, et parandada satelliitide aatomkella. Algne inspiratsioon GPS-i loomiseks tuli siis, kui Nõukogude Liit saatis esimese inimese poolt valmistatud satelliidi, Sputniku, kosmosesse aastal 1957. USA teadlaste meeskond , kelle juhiks oli Dr Richard B. Kershner, juhtisid Sputnikut raadiosaatja abil. Nad avastasid , et Doppleri efekti tõttu oli Sputniku poolt saadetud signaal tihedam ja tugevam, kui ta oli lähemal, ja madalam ning nõrgem, kui ta liikus eemale. Teadlased said aru, et kuna nad teadsid Sputniku täpset asukohta maakeral, saavad nad märgistada satelliidi asukohta, mõõtes Doppleri efekti muutumist (sageduste muutumist). Esimene satelliit -navigatsioonisüsteem, Transitiivsus, mida kasutasid USA mereväelased, tegi esimese õnnestunud testi aastal 1960. See süsteem kasutas viit satelliiti ja võrdles nende asukohtade kokkusattumist ning suutis tagada navigatsioonilist parandust ja uuendust umbkaudu kord tunnis. 1967. aastal arendas USA merevägi välja Timation’i satelliidi, mis tagas võimaluse paigaldada kosmosesse täpseid kelli, millele GP-süsteem toetub . 1970-tel valminud Omega Navigatsioonisüsteem sai esimeseks ülemaailmseks raadionavigatsiooni süsteemiks. Siiski, nende valminud süsteemide piirangud nõudsid universaalsemat navigatsioonisüsteemi valmimist ja selle täpsust.
Tööpõhimõte
GPS vastuvõtja arvutab asukoha, kasutades enda ja nelja või rohkema satelliidi vahelist kaugust. Kaugused omakorda leitakse, võrreldes satelliitide ja vastuvõtjate genereeritud kodeeritud signaalide täpseid algus- ja lõppaegu. Nii satelliidid kui ka vastuvõtjad genereerivad täpselt ühel ajal identselt kodeeritud signaale. Kui vastuvõtja püüab satelliidi signaali kinni, siis ta otsib kodeeringu järgi üles signaali alguse ja lõpu ning võrdleb neid aegu enda tekitatud signaali algus- ja lõppajaga – nii saab kätte ajanihke, mis signaalil kulus satelliidilt vastuvõtjani jõudmiseks, eeldatavalt valguse kiirusel, ja sealt siis saab ka kauguse.
GPS kasutab signaalide saatmiseks kaht sagedust: L1 (1575,42 MHz) ja L2 (122,60 MHz ). Seoses GPS-i moderniseerimisega on tulemas ka uus sagedus L5 (1176,45 MHz ). L1 on moduleeritud nn C/A koodiga ja P koodiga. L2 kannab ainult P koodi. Need koodid on iga satelliidi kohta veidi erinevad, see annab vastuvõtjale võimaluse satelliitidel vahet teha, kuna vastuvõtja teab, milliseid koode mingi satelliit väljastab. Lisaks saadavad satelliidid välja ka infot enda kohta: almanac, mis sisaldab kellaaega (UTC aeg), infot oma korrasoleku kohta ja jämedalt orbiidi andmeid ning ephemeris-t, mis sisaldab täpseid orbiidi andmed.
Maapealsed kontrolljaamad monitoorivad pidevalt satelliite, uuendavad neid andmeid regulaarselt (ephemeris uueneb iga 2 tunni tagant) ning vajadusel ka korrigeerivad satelliitide orbiite . Kui vastuvõtja teab oma kaugust vähemalt kolmest satelliidist, arvutab ta oma asukoha, kasutades trilateratsiooni meetodit (vähemalt kolme satelliiti on vaja, et määrata oma asukoht tasapinnal (pikkus- ja laiuskraad), neljas satelliit annab võimaluse määrata ka kõrguse merepinnast ning leida vastuvõtja kella vigu. Asukoht arvutatakse WGS-84 koordinaatsüsteemis ( laiused ja pikkused), selleks on vaja veel teada täpseid satelliitide asukohti samas süsteemis – need saabki ephemeris-est.
Lisaks koodidele saab satelliidi ja vastuvõtja vahelist kaugust mõõta ka signaali lainepikkustes. Kui C/A koodi kasutamisel on teoreetiliseks asukoha määramise täpsuseks 3 m ja P koodi puhul 0,3 m, siis signaali lainepikkustega kaugusi mõõtes on võimalik saavutada täpsuseks 2 mm. See tehnika eeldab vastavaid kõrgema klassi GPS vastuvõtjaid.