Global Positioning System ( GPS ) (ranskaksi: "Système Mondial laskeuma" [kirjaimellisesti] tai "Geo-paikannus satelliitilla"), alun perin nimellä Navstar GPS , on satelliittipaikannusjärjestelmä omistama liittohallitus. Yhdysvalloista . Perustama Yhdysvaltain puolustusministeriö sotilaallisiin tarkoituksiin vuodesta 1973 järjestelmän kaksikymmentäneljä satelliittia oli täysin toimintakykyinen vuonna 1995.
Kuka tahansa voi vastaanottaa ja käyttää satelliittien lähettämiä signaaleja vapaasti. Käyttäjä, onko maalla, merellä tai ilmassa, voi tietää hänen asemaansa milloin tahansa ja missä tahansa pinnalla tai läheisyydessä pinnan maapallon ennennäkemättömän tarkasti, koska 'se on varustettu GPS- vastaanottimen ja vastaanotettujen tietojen käsittelyyn tarvittavat ohjelmistot.
Toimintaperiaate perustuu satelliittien lähettämien synkronoitujen sähkömagneettisten signaalien trilaterointiin . Paikannustarkkuuden varmistamiseksi GPS-järjestelmä käyttää kehittynyttä tekniikkaa: aluksella olevat atomikellot , relativististen vaikutusten kompensointi , havainto- ja synkronointiasemien perustaminen . Lasketut maakoordinaatit viittaavat WGS 84 -geodeettiseen järjestelmään .
Kaupallisesti GPS on erittäin onnistunut ja tuottaa monia kehityksiä monilla alueilla: meri-, maa- ja lentonavigointi , kaupallisten laivastojen (veneet, lentokoneet, kuorma-autot) sijainti, reittien seuranta ja jäljitys, reitin merkityksellisyyden arviointi. GPS-sirujen integrointi älypuhelimiin moninkertaistaa kotitalous- tai yksittäiskäytön. Tiedemaailmassa, tarkkuus lokalisointi ja synkronoinnin avulla on mahdollista kehittää ja hyödyntää uusia sovelluksia: Geodesia , synkronointi atomikellojen, tutkimus ilmapiiri , jne
Eurooppa, Kiina, Venäjä ja Intia, jotka ovat tietoisia tällaisen satelliittipaikannusjärjestelmän strategisesta mielenkiinnosta, ovat kehittäneet kilpailevia järjestelmiä useita vuosia.
GPS sisältää vähintään 24 satelliittia, jotka kiertävät 20 200 km : n korkeudessa . Ne on jaettu kuudelle erilliselle kiertoradalle, joissa on neljä satelliittia kiertorataa kohti. Nämä satelliitit lähettävät jatkuvasti kahdella taajuudella L1 (1 575,42 MHz ) ja L2 (1227,60 MHz ) vaihemoduloitua ( BPSK ) yhdellä tai useammalla näennäissatunnaiskoodilla , jotka on päivätty tarkasti atomikellonsa ansiosta , ja navigointiviestillä. Tämä viesti, joka lähetetään nopeudella 50 bittiä / s , sisältää erityisesti efemeridit, jotka mahdollistavat satelliittien sijainnin laskemisen, sekä tiedot niiden sisäisestä kellosta . Koodit ovat C / A-koodia (lyhenne sanoista " karkea hankinta ", ranskaksi: "raaka hankinta") virtausnopeudella 1,023 Mbit / s ja jakson 1 ms , ja koodin P (haulle "tarkka") virtausnopeudella 10 , 23 Mbit / s ja jakso 1 viikko. Ensimmäinen on vapaasti käytettävissä, toinen on rajoitettu valtuutetuille käyttäjille, koska se on yleensä salattu: sitä kutsutaan Y-koodiksi . Siviilialalla myytävät vastaanottimet käyttävät C / A-koodia . Jotkut tarkkuussovellusten vastaanottimet, kuten geodeesia , toteuttavat tekniikoita, jotka sallivat P-koodin käytön huolimatta sen salauksesta Y-koodissa .
Siten GPS-vastaanotin, joka sieppaa vähintään neljän useilla atomikelloilla varustetun satelliitin signaalit, voi laskemalla näiden signaalien etenemisajat satelliittien ja itsensä välillä, tietää etäisyytensä niihin nähden ja kolmivaiheisesti paikantaa tarkasti Kolme ulottuvuutta mikä tahansa GPS-satelliittien näkyvyyteen sijoitettu piste, 3–50 metrin tarkkuudella standardijärjestelmää varten. GPS: ää käytetään siten paikantamaan liikkuvia ajoneuvoja, aluksia, lentokoneita, ohjuksia ja jopa matalalla kiertoradalla liikkuvia satelliitteja.
Tarkkuuden suhteen on tavallista, että vaakasuora sijainti on 10 m: n sisällä . Koska GPS on Yhdysvaltojen armeijalle kehitetty järjestelmä, on suunniteltu valikoivaa saatavuutta: tiettyjä tietoja, erityisesti satelliittikelloa koskevia tietoja, voidaan tarkoituksella heikentää ja ottaa pois vastaanottimet, joilla ei ole vastaavia koodeja. Siksi siviileillä oli muutaman vuoden ajan vain vähän tarkkuutta (noin 100 m ). 1. st toukokuu 2000Presidentti Bill Clinton ilmoitti tekevänsä lopun palvelujen vapaaehtoisesta huonontumisesta.
Jotkin GPS-järjestelmät, jotka on suunniteltu hyvin erityiskäyttöön, voivat tarjota sijainnin muutamassa millimetrissä. Differentiaali-GPS (DGPS), mikä korjaa kanta, joka on saatu tavanomaisella GPS: lähetetty data viittaus maa-aseman sijaitsee hyvin tarkasti. Muut autonomiset järjestelmät, jotka tarkentavat sijaintiaan kahdeksan tunnin altistuksen aikana, saavuttavat vastaavanlaiset tulokset.
Joissakin tapauksissa vain kolme satelliittia voi olla riittävä. Korkeussijainti (Z-akseli) ei ole heti oikea, kun taas pituus- ja leveysaste (X- ja Y-akseli) ovat edelleen hyvät. Siksi voimme olla tyytyväisiä kolmeen satelliittiin lennettäessä "tasaisen" pinnan (valtameri, meri) yläpuolella. Tämän tyyppinen poikkeus on erityisen hyödyllinen sellaisten lentävien laitteiden (kuten lentokoneiden ) paikannuksessa, jotka eivät voi luottaa pelkästään GPS: ään, mikä on liian epätarkka antaa heille korkeuden . Mutta WGS 84: een liittyy kuitenkin maailmanlaajuinen geoidimalli nimeltä " Earth Gravity Model 1996 " tai EGM96, jonka avulla WGS 84 -koordinaateista voidaan määrittää merenpinnan keskiarvoksi ilmoitettujen korkeuksien noin 1 m tarkkuudella . Kehittyneet GPS-vastaanottimet sisältävät tämän mallin realistisempien korkeuksien tarjoamiseksi.
Alun perin GPS oli Yhdysvaltain asevoimien tutkimushanke . Se käynnistettiin 1960-luvun lopulla presidentti Richard Nixonin käskystä . Toteutus uskottiin Ivan A.Gettingille (fi), joka suunnitteli periaatteen, että satelliittijoukko kiertää ja lähettää GPS-vastaanottimien vastaanottamia UHF- radioaaltoja .
Se perustuu aikaisempiin ohjelmiin, mukaan lukien SECOR , sarja satelliitteja, joita käytetään geodeettisten mittausten suorittamiseen .
Ensimmäinen satelliitti laukaistiin vuonna 1978 . Vuonna 1995 24 operatiivisen satelliitin (plus 4 varalla) sijoittaminen saatiin päätökseen. Sitten järjestelmästä tulee toimiva.
Vuonna 1983 presidentti Ronald Reagan ehdotti Korean Air Lines -lennon 007 269 matkustajan kuoleman jälkeen , että GPS-tekniikka asetetaan siviilien saataville maksutta heti käytön jälkeen. Toinen satelliittisarja käynnistettiin vuonna 1989 riittävän laivaston rakentamiseksi.
Vuonna 1995 käytettävissä olevien satelliittien lukumäärä mahdollisti GPS: n toimintakyvyn pysyväksi koko maapallolla siviilikäyttöön noin sadan metrin tarkkuudella. Vuonna 2000 presidentti Bill Clinton vahvisti kiinnostusta tekniikkaan siviilitarkoituksiin ja hyväksyi GPS-signaalien rajoittamattoman levittämisen, mikä mahdollisti kymmenen metrin tarkkuuden ja tekniikan demokratisoitumisen suurelle yleisölle 2000-luvun puolivälistä lähtien .
Yhdysvallat jatkaa järjestelmänsä kehittämistä korvaamalla ja lisäämällä satelliitteja sekä toimittamalla täydentäviä GPS-signaaleja, jotka ovat tarkempia ja vaativat vähemmän virtaa vastaanottavilta laitteilta. GPS-järjestelmien ja Galileon välillä on myös vahvistettu yhteentoimivuutta koskeva sopimus, jotta nämä kaksi järjestelmää voivat käyttää samoja taajuuksia ja varmistaa niiden yhteensopivuuden.
Venäjä kehitti kaksi muuta järjestelmää , GLONASS vuodesta 1980 , ja Kiina, Beidou aloitti vuonna 2000 .
GPS koostuu kolmesta elementtiryhmästä (kutsutaan segmenteiksi): satelliitit, jotka kiertävät maata (avaruusosa); maanhallinta-asemat (ohjaussegmentti); ja käyttäjien GPS-vastaanottimet (käyttäjäsegmentti).
Avaruussegmentti koostuu 31 toiminnassa olevan satelliitin tähdistöstä , mutta käytössä olevien satelliittien määrä tiettynä päivänä voi vaihdella (katso taulukko) riippuen ohjaussegmentin päättämistä toiminnoista. Tähdistö on järjestetty 24 pääsatelliitin ympärille, jotka varmistavat GPS: n maailmanlaajuisen saatavuuden. Oletuksena on, että vähintään neljä satelliittia näkyy maasta kaikkialla maailmassa. Kiertoradalla on aina enemmän satelliitteja, jotta nämä 24 paikkaa voidaan pitää täynnä myös katkoksen sattuessa. Vuodesta 2011 lähtien pääjoukon kokoonpano on nostettu 27 sijaintiin paremman kattavuuden takaamiseksi. Satelliitit liikkuvat kuudella kiertoradatasolla, joiden kaltevuus on noin 55 ° päiväntasaajalla . Ne noudattavat lähes pyöreä rata , jonka säde on noin 26600 km: n päässä (eli korkeudessa 20200 km: n päässä ), joita ne kattaa 11 h 58 min 2 s , eli Sideral puoli päivää . Siten satelliitit, katsottuna maasta, palaavat samaan asentoon taivaalla sideriaalisen päivän jälkeen .
Satelliitit | Määrä |
---|---|
Lohko IIA | 0 |
Lohko IIR | 8 |
Lohko IIR (M) | 7 |
Lohko IIF | 12 |
Lohko III | 4 |
Kaikki yhteensä | 31 |
Satelliittien peräkkäisiä sukupolvia kutsutaan "lohkoiksi":
Tämä on osa, jonka avulla voit hallita ja valvoa järjestelmää. Se koostuu viidestä maa-asemien päässä 50. Space Wing of Air Force Space Command , asemapaikka Schrieverin Air Force Base in Colorado (pääaseman perustuu Colorado Springs ) on Cheyenne Mountain Base . Heidän tehtävänään on päivittää satelliittien lähettämät tiedot (efemeridit, kelloparametrit) ja tarkistaa niiden oikea toiminta.
Käyttäjäsegmentti ryhmittelee kaikki sotilas- ja siviilikäyttöön tarkoitetut GPS-vastaanottimet, jotka vastaanottavat ja käyttävät GPS-satelliittien signaaleja sijainti-, nopeus- tai aikatietojen laskemiseen. Koska käyttäjät vastaanottavat vain (he eivät lähetä satelliitteille), järjestelmää ei voida tyydyttää ja GPS-käyttäjien enimmäismäärä on rajaton.
Vuonna 2014 GPS-vastaanottimien kokonaismääräksi arvioidaan 3,6 miljardia. Älypuhelimet joissa on sisäänrakennettu GPS ovat lukuisat kanssa 3080000000 seurasi 260 miljoonaa navigointilaitteet teiden sovelluksiin. Jäljellä oleva määrä laitteita jaetaan eri sovelluksiin: muu liikenne (ilmailu, rautatie, meriliikenne), topografia , maatalous , kriittinen infrastruktuuri .
GPS toimii laskemalla etäisyyden GPS-vastaanottimen ja useiden satelliittien välillä. Säännöllisesti vastaanottimeen lähetettävien satelliittien sijainnin laskemiseen tarvittavat tiedot, vastaanotin voi tietää sen etäisyyden tuntemisen ansiosta, joka erottaa sen satelliiteista.
GPS-satelliitit lähettävät useita koodattuja signaaleja, jotka on tarkoitettu siviili- tai sotilaskäyttöön. Rajoittamatonta käyttöä varten käytettävä siviilisignaali vastaa 1575 MHz: n kantoaallolla lähetettyä C / A-koodia .
Tällä kantoaallolla modulointisignaali on sekvenssi, joka johtuu näennäissatunnaiskoodin C / A modulo 2: n lisäyksestä nopeudella 1 Mbit / s ja datasta nopeudella 50 bittiä / s, joka sisältää satelliittien efemeridit ja muut navigointitiedot. Se on C / A-koodi, jota käytetään vastaanottimissa korreloimalla vastaanotetun signaalin kanssa sen määrittämiseksi tarkan lähetyshetken.
Tätä C / A-koodin referenssilähetyshetkeä voidaan moduloida jälleen näennäissatunnaiskoodilla maanpinnan sijainnin määrittämisen heikentämiseksi. Tätä salausta kutsutaan " selektiiviseksi saatavuudeksi " (SA), mikä lisää järjestelmän tarkkuutta 10 m noin 100 m . Se hylättiin vuonna 2000 siviilikäyttäjien painostuksesta johtuen DGPS: n kehityksestä, joka kompensoi sen suurelta osin. Tämä mahdollisuus on kuitenkin aina olemassa satelliiteilla. SA sisältää myös mahdollisuuden heikentää tietoa, mikä mahdollistaa satelliittien sijainnin laskemisen kiertoradallaan; sitä ei ole koskaan käytetty.
Satelliitit lähettävät sähkömagneettisia aaltoja ( mikroaaltoja ), jotka kulkevat valon nopeudella . Tämän tietäen voimme sitten laskea satelliitin ja vastaanottimen välisen etäisyyden tietämällä ajan , jonka aalto on kulunut tämän polun kulkemiseen.
Aallon saavuttamiseksi kuluneen ajan mittaamiseksi GPS-vastaanotin vertaa signaaliin sisältyvää lähetysaikaa vastaanottimen aallon vastaanottoaikaan. Tämä mittaus kerrotaan signaalin nopeudella kertomalla pseudoetäisyys , joka on verrattavissa etäisyyteen, mutta johon liittyy virhe satelliitin ja vastaanottimen kellojen synkronoinnissa, ja esimerkiksi risteyksestä johtuvat häiriöt ilmakehästä. Kellovirhe voidaan mallintaa suhteellisen lyhyellä ajanjaksolla useiden satelliittien mittauksista.
Tietäen satelliittien asemat aikaan signaalien lähetystä, ja mitattu pseudo-etäisyyksiä (mahdollisesti korjattu eri tekijät liittyvät erityisesti aaltojen etenemisen ), tietokone, että vastaanotin kykenee ratkaisemaan järjestelmä yhtälöt, joiden neljä tuntematonta ovat vastaanottimen sijainti (kolme tuntematonta) ja sen kellon siirtymä GPS-aikaan nähden. Tämä laskenta on mahdollista heti, kun neljään satelliittiin liittyvät mittaukset ovat saatavilla; laskeminen huonontuneessa tilassa on mahdollista kolmella satelliitilla vain, jos korkeus on tiedossa ; kun näkyvissä on yli neljä satelliittia (mikä on hyvin usein tapana), ratkaistava yhtälöjärjestelmä on ylimääräinen: laskennan tarkkuus paranee, ja voimme arvioida sijainnin ja ajan virheet.
Tarkkuus kannan saatu riippuu, kaikkien muiden olosuhteiden ollessa samat, on geometria järjestelmän: jos näkyvissä olevien satelliittien kaikki sijaitsevat havainto kartio , jossa on pieni avauskulma, tarkkuus on huonompi kuin jos ne ovat säännöllisesti jakautuneet suuressa kartiossa. Mittausjärjestelmän geometrian vaikutukset tarkkuuteen kuvataan parametrilla: DOP (" tarkkuuden laimennus ", ranskaksi "vaimennus" tai "tarkkuuden heikkeneminen"): H DOP viittaa tarkkuuden vaakasuoraan , T DOP tarkkuuteen ajan mittaan, V DOP tarkkuuteen korkeuden yli. Odotettu tarkkuus on sitäkin parempi, koska DOP on pieni.
Navigointikaavan ratkaisu voidaan tehdä pienimmän neliösumman menetelmällä ja Bancroft-menetelmällä. Se vaatii neljä yhtälöä (neljä satelliittia).
Jokainen satelliittisignaali antaa vastaanottimelle seuraavan yhtälön :
Neliöimällä saamme:
Sitten laajentamalla:
Voimme esitellä , ja Lorentzin pseudo-skalaaritulona määritelty mitään quadrivector ja vuoteen . Edellinen yhtälö kirjoitetaan uudestaan seuraavasti:
Laittamalla kaikki käytettävissä olevat signaalit matriisimuodossa saadaan
:
Huomaa: rivien , ja on oltava sama ja suurempi kuin tai yhtä kuin 4.
Tarkastelemalla vakiona voidaan edellinen yhtälö ratkaista menetelmällä, jolla saadaan pienin neliö, joka antaa ratkaisun: kanssa .
Sitten voimme käyttää ja ratkaista näin määriteltyä yhtälöä, jonka ratkaisut ovat neliöllisen polynomin juuret :
Vaikeus on synkronoida satelliittien ja vastaanottimen kellot . Yhden miljoonasosan sekunnin virhe aiheuttaa 300 metrin virheen sijainnissa. Vastaanotin ei tietenkään voi hyötyä atomikellosta, kuten satelliitit; sillä on kuitenkin oltava melko vakaa kello, mutta jonka aikaa ei ole etukäteen synkronoitu satelliittien kanssa. Vähintään neljän satelliitin signaaleja tarvitaan tämän siirtymän määrittämiseksi, koska on tarpeen ratkaista vähintään neljän matemaattisen yhtälön järjestelmä, jossa on neljä tuntematonta, jotka ovat sijainti kolmessa ulottuvuudessa plus vastaanottimen kellon siirtymä l GPS-ajalla ( Katso edellä).
Suurin osa vastaanottimista pystyy tarkentamaan laskelmiaan yli neljällä satelliitilla (mikä tekee laskentatuloksista tarkempia) ja poistaa lähteet, jotka näyttävät epäluotettavilta tai liian lähellä toisiaan oikean mittauksen aikaansaamiseksi, kuten edellä on määritelty.
GPS: ää ei kuitenkaan voida käyttää kaikissa tilanteissa. Erityisesti GPS: n avulla sijainti on melkein mahdotonta rakennusten sisällä. Esimerkiksi älypuhelimet, jotka pystyvät paikantamaan sisätiloissa, eivät käytä GPS-paikannusta näissä erityisolosuhteissa, mutta käytettävissä olevat erilaiset WIFI-verkot. NAVSTAR-satelliittien lähettämä signaali on melko heikko, ja erilaiset tekijät voivat vaikuttaa paikannuksen tarkkuuteen: ilmakehän kerrosten ylitys muun muassa vesipisaroiden kanssa, puiden yksinkertaiset lehdet voivat absorboida kokonaan tai osittain signaali, ja "kanjonivaikutus", joka on erityisen havaittavissa rotkoissa, vuoristossa (tästä nimi) tai kaupunkialueilla ( kaupunkikanjonin ilmiö ( fr ) ). Se koostuu satelliitin peittämisestä reliefillä (esimerkiksi rakennus); tai mikä vielä pahempaa, signaalin kaiku pintaa vasten, joka ei estä lokalisointia, mutta antaa väärän paikannuksen: tämä on GPS-signaalien monitieongelma .
Muita virheitä, joilla ei ole korrelaatiota mittausväliaineen tai ilmakehän luonteen kanssa, voi esiintyä. Nämä ovat systemaattisia virheitä, kuten kiertoradan siirtymät tai jopa viive atomikellossa, joka laskee ajan, jolloin mittaus tehdään. Vastaanottimen (tai muun järjestelmän elektronisen laitteen) väärä kalibrointi voi myös aiheuttaa mittausvirheen.
Esteiden puuttuessa on kuitenkin edelleen merkittäviä häiritseviä tekijöitä, jotka edellyttävät laskentatulosten korjaamista. Ensimmäinen on ilmakehän alempien kerrosten, troposfäärin, ylitys . Kosteuden läsnä ollessa ja muutosten paineessa olevaa otsonia muuttaa taitekerroin n ja näin ollen nopeutta ja etenemissuunta radiosignaalin . Jos termi hydrostaattinen tunnetaan tällä hetkellä hyvin, kosteudesta johtuvat häiriöt edellyttävät korjaamiseksi vesihöyryn tarkan profiilin mittaamista korkeuden funktiona, informaatiota, jota on vaikea kerätä paitsi erittäin kalliilla tavoilla. lidarit , jotka antavat vain hajanaisia tuloksia. Nykyisissä vastaanottimissa on korjausmalli.
Toinen häiritsevä tekijä on ionosfääri . Tämä aurinkosäteilyllä ionisoitu kerros muuttaa signaalin etenemisnopeutta. Suurin osa vastaanottimista integroi korjausalgoritmin, mutta voimakkaan aurinkoaktiivisuuden aikana tämä korjaus ei ole enää tarpeeksi tarkka. Tämän vaikutuksen korjaamiseksi tarkemmin tietyt kaksitaajuiset vastaanottimet käyttävät sitä tosiasiaa, että GPS-signaalin kahteen taajuuteen LI ja L2 ei vaikuteta samalla tavalla, ja laskevat siten todellisen häiriön uudelleen.
Vuonna 2017 Los Alamosissa , New Mexico, National Laboratory avasi meteorologeille kuusitoista vuotta GPS-järjestelmien aiheuttamia häiriöitä aurinkosäteilyn avulla, joka oli tallennettu 23 satelliitin tähdistössä .
Differentiaali-GPS ( Differential Global Positioning System : DGPS) parantaa GPS: n tarkkuus pienentämällä järjestelmän virhemarginaalin.
Tarkkuuden ja eheyden parantamiseksi on otettu käyttöön täydentäviä järjestelmiä ( SBAS , Satellite based augmentation system ), kuten WAAS Pohjois-Amerikassa, MSAS Japanissa, EGNOS Euroopassa tai GAGAN Intiassa. Ne kaikki perustuvat samaan periaatteeseen: alueellinen tai mannermainen maa-asemaverkko, yksi tai useampi pääasema, joka keskittää asemadatan ja lähettää geostationaarisille satelliiteille, jotka lähettävät tietoja uudelleen maahan luotettavuuden ja tarkkuuden parantamiseksi. GPS-tiedot ja hälyttävät käyttäjää jonkin satelliitin vikaantumisen yhteydessä.
Muut maat valmistautuvat SBAS-järjestelmän käyttöönottoon: SDCM Venäjän federaatioon, BDSBAS Kiinaan ja K-SBAS Etelä-Koreaan.
Vastaanottimen maanpäälliset koordinaatit lasketaan geosentrisessä karteesisessa koordinaatistossa, jossa on kolme akselia (X, Y, Z), joka on peräisin maamassojen painopisteestä (järjestelmä, jota kutsutaan geodeettiseksi järjestelmäksi ). Jotta nämä koordinaatit olisivat helposti hyödynnettävissä, ne on muunnettava maantieteellisiksi koordinaateiksi ( leveysaste , pituusaste , korkeus ), järjestelmäksi, jota käytetään laajalti kartografisessa esityksessä .
Tämä muunnos suoritetaan GPS-vastaanottimen jälkikäsittelyllä käyttäen oletuksena geodeettista järjestelmää WGS 84 ( World Geodetic System 84 ). Tämä maailmassa eniten käytetty järjestelmä on referenssi, joka täyttää maailmanlaajuisen navigointijärjestelmän tavoitteet. Korkeus ei ole aina suoraan hyödynnettävissä, johtuen WGS 84 -geodeettisessa järjestelmässä lasketun ellipsoidisen korkeuden ja geodeettisen korkeuden välisestä erosta . Tämä vaihtelu voi saavuttaa paikallisesti useita kymmeniä metrejä. Kehittyneimmillä vastaanottimilla on geodeettiset korjausmallit, ja ne osoittavat samanlaisen korkeuden kuin kartat. Saadut koordinaatit voidaan ilmaista muissa geodeettisissa järjestelmissä, erityisesti alueelle tai maalle, tai toisessa kartografisessa projektiojärjestelmässä. Ranskassa vertailujärjestelmä on edelleen usein NTF , vaikka virallinen geodeettinen järjestelmä on nyt RGF93 , joka eroaa hyvin vähän WGS 84: stä .
Maantieteellisten koordinaattien laskeminen vaatii vastaanottimen sisäisen kellon siirtymän laskemisen "GPS-ajan" kanssa ja siten UTC- ajan siirtymän laskemisen . Vastaanottimen kello synkronoidaan satelliittien kellon kanssa sadan miljardin sekunnin tarkkuudella. Tämä erittäin tarkka pääsy UTC-aikaan tekee mahdolliseksi ohjata ulkoista kelloa erittäin tarkasti taajuudella tai synkronoida etäkelloja. Tätä mahdollisuutta hyödynnetään laajasti tiedemaailmassa. Esimerkiksi GPS-ajan integroiminen seismisiin seurantaverkkoihin antaa tutkijoille mahdollisuuden paikantaa nopeasti maanjäristysten ja muiden maalla esiintyvien ilmiöiden episentti. Viestinnän maailmassa suuret tietoliikenneverkot edellyttävät täysin synkronoituja laitteita toimiakseen kunnolla. Matkapuhelin- ja tietoverkot käyttävät GPS-aikaa pitääkseen kaikki tukiasemansa synkronoituna.
Maanpäälliset GPS-vastaanottimet tai älypuhelimet, joissa on GPS-siru, sisältävät yleensä jälkikäsittelymoduulin, joka sisältää kartografisen näytön toiminnot. Nämä toiminnot perustuvat integroituihin maantieteellisiin tietokantoihin. Ne perustuvat kaavioiden (solmujen) matemaattisen teorian käyttöön ja algoritmien, kuten GPS-sijaintittoman sijainnin, Floyd-Warshallin , Dijkstran, käyttöön ja antavat esimerkiksi mahdollisuuden määrittää eniten juoksuja kahden pisteen välillä. Yritys Broadcom ilmoittaa vuodelle 2018 GPS-sirun, joka näyttää sijainnin 30 senttimetrin tarkkuudella.
Kartat voidaan upottaa GPS-vastaanottimiin .
GPS on yleisin konkreettinen sovellus, jonka toimintaan liittyy suhteellisuusteoria. Jos sen vaikutuksia ei oteta huomioon, GPS-navigointia haittaavat liian suuret virheet.
Aikaan - sen mittaamiseen - vaikuttavat erityisesti kaksi olosuhetta: liike suurella nopeudella ja korkeus painovoimakentässä. Nämä kaksi vaikutusta selittävät, että samalla atomikellolla ei ole samaa taajuutta maassa tai kiertoradalla. GPS-satelliitin kellottamiseksi nämä kaksi vaikutusta ovat suurella pyöreällä nopeudella liikkuvia vastakohtia, joutokäynnin aika on 7 mikrosekuntia (7 mikrosekuntia) päivässä, kun taas maan gravitaatiokentän yläpuolella , hänen aikaa kiihdytetään 45 µs päivässä (katso laskelma Kokeellinen Testit yleisen suhteellisuusteorian ). Näiden kahden summa saa GPS: n satelliitin kellonajan edetä maasta katsottuna δt = 38 µs päivässä. Tämä vastaa siis spatiaalinen virheen At x c , missä c on valon nopeus ja siten drift 38 us x 3 x 10 8 m / s = 11,4 km / päivä .
Nämä kaksi päävaikutusta mallinnetaan suhteellisuusteoriassa:
Historiallisesti vuonna 1977, kun cesium- atomikello asetettiin ensimmäisen kerran kiertoradalle NTS-2-satelliitissa, suhteellisuusteorian vaikutukset oli laskettu, mutta jotkut epäilivät relativististen vaikutusten oikeellisuutta. Ensimmäisissä satelliittilähetyksissä ei ollut relativistisia korjauksia, mutta etäyhteyden kautta aktivoitava taajuussyntetisaattori oli suunniteltu, mikä voisi tehdä sen. Kaksikymmentä päivää kiertoradalla kiertävän atomikellon mitattiin ajautuvan maasta 4 425 × 10 −10 , mikä oli lähellä teoreettista laskentaa aikaan 4,465 × 10 −10 . Sen jälkeen syntetisaattori aktivoitiin pysyvästi. Driftin arvo saattaa tuntua pieneltä, mutta se on paljon tärkeämpää kuin cesium-atomikellon tarkkuus, joka on luokkaa 5 × 10 −14 .
Tämä muutos on sittemmin otettu huomioon kaikissa GPS-satelliittien kaikissa muodoissa. Cesium-kellojen korjaus tehdään maassa ennen kiertoradalle asettamista. Rubidium- atomikellojen tapaus on monimutkaisempi, koska ne voivat kokea arvaamattomia taajuushyppyjä laukaisun aikana. Taajuus mitataan kerran kiertoradalla, mutta sitä ei enää korjata suoraan: tarvittavat korjaukset sisältyvät navigointiviestiin. Muita relativistisia vaikutuksia on GPS: ssä. Jotkut ovat merkityksettömiä paikannussovellusten tavoitellun tarkkuuden kannalta, toiset on otettava huomioon: esimerkiksi GPS-vastaanottimet korjaavat Sagnac-vaikutuksen maapallon pyörimisen vuoksi.
GPS on järjestelmä, jonka ovat suunnitelleet Yhdysvaltain armeija ja sen hallinnassa. Signaali voi heikentyä aiheuttaen merkittävää menetystä tarkkuudessa, jos Yhdysvaltain hallitus niin haluaa. Tämä on yksi argumenteista sellaisen Euroopan Galileo- järjestelmän perustamisen puolesta, joka on itse siviili ja jonka teoreettinen tarkkuus on ylivoimainen. Yhdysvallat heikensi GPS-signaalin laatua tarkoituksella toukokuuhun 2000 asti , jolloin GPS: n tarkkuus autonomisessa tilassa oli silloin noin 100 metriä. Tämän presidentti Bill Clintonin poistaman vapaaehtoisen häirinnän päättymisen jälkeen tarkkuus on luokkaa 5-15 metriä.
GPS-järjestelmää käytetään usein ajan synkronointiin GSM- , UMTS- ja LTE- matkapuhelinverkkojen eri komponenttien välillä ; signaalin huonontumisen seuraukset vaikuttaisivat kriittiseen infrastruktuuriin .
Siviilien GPS-vastaanottimia on rajoitettu, joten niitä ei voida käyttää nopeassa asejärjestelmässä, kuten ballistisissa ohjuksissa . Käytännössä vastaanottimen ei enää tarvitse antaa navigointitietoja suurimman nopeuden tai korkeuden yläpuolella .
Historiallisesti nämä rajat asetettiin suurimmalle nopeudelle 515 m / s (1000 solmua) ja maksimikorkeudelle 18 000 m (60 000 jalkaa).
Niitä kutsuttiin CoCom rajoja jälkeen koordinointikomitea monenvälisiä Export Controls (CoCom), joka liuotettiin kaatumisen jälkeen itäblokin vuonna 1994. Tämän jälkeen määräyksiä GPS jäi vaikutusta Yhdysvalloissa mukaan kansainvälisestä asekaupasta Asetukset (ITAR), jotka säätelevät arkaluonteisten tekniikoiden vientiä Yhdysvalloista ja kansainvälisesti vuonna 1987 perustetun ohjusteknologian valvontajärjestelmän (MTCR) nojalla.
Vuodesta 2013 MTCR ei enää rajoita siviili-GPS: n käyttöaluetta korkeudessa ja on nostanut nopeusrajoituksen 600 m / s: iin . Vuodesta 2014 Yhdysvaltain ITAR- rajoituksissa sovelletaan samaa rajaa.
Suuren yleisön mielessä GPS: n ja väärinkäytön välillä on suora yhteys, puhekielen pejoratiivista termiä " selviytyminen " käyttävät yleensä tällaisten järjestelmien häiritsijät. Valvontatyökaluissa GPS on kuitenkin vain yksi väärinkäytön edellyttämistä teknisistä elementeistä.
Itse GPS-paikannuslaite on passiivinen järjestelmä, joka vain vastaanottaa signaaleja satelliiteista ja saa sijainnin niistä. GPS-satelliittien verkko ei siis saa mitään tietoja mistään maan päällä (tai lentokoneessa tai laivassa) olevista valvontajärjestelmistä, ja se on edelleen teknisesti kykenemätön valvomaan aluetta millään tavalla.
Toisaalta, erityisesti liikenteen alalla, ajoneuvoihin asennetut järjestelmät lisäävät laitteen GPS: llä saadun tiedon välittämiseksi. Tämä laite voi toimia reaaliajassa, se on silloin hyvin usein tiedonsiirtoyhteys matkapuhelimen kautta; tai toimivat myöhässä, tiedot ladataan sitten jälkikäteen fyysisen tai lyhyen kantaman radiojärjestelmän avulla. Niiden soveltaminen on yleensä varattu ammattilaisille seuraamaan kuorma-autokantaa, henkilöautokuljetuksia (mukaan lukien taksit ), hyötyajoneuvoja, hyödyntämistä tai interventiota. Näiden laivastoseurantatyökalujen tavoitteena on, että työnantaja varmistaa, että hänen työntekijänsä todella suorittaa vaaditun työn tai että ajoneuvoa ei ole kaapattu. Se parantaa myös ajoneuvokannan hallintaa.
Yksilöille voidaan myös kohdistaa jatkuva maantieteellinen sijainti (esimerkiksi liikennetietojen osalta). Tietojen keräämiseen on kaksi tapaa:
Ensimmäinen tunnistaa ja palauttaa tiedot tasaisella jaksolla, esimerkiksi kahden tai viiden minuutin välein. Pyynnön mukainen lokalisointi tarkoittaa tietojen lähettämistä vain terminaalin haltijan tai hoitajan pyynnöstä. Kaikissa tapauksissa päätelaitteen haltijalle on ilmoitettava ja suostuttava maantieteellisen sijainnin toimintoihin.
Automaattiset turvaseurantajärjestelmät , kuten meri- ja lennonvarmistuksen AIS , yhdistävät GPS-vastaanottimen ja lähettimen, mikä parantaa törmäysturvallisuutta ja etsivien etsintää. APRS käyttää samaa periaatetta, se hallinnoi vapaaehtoinen radioamatöörien .
WNRO- tai GPS- viikkonumeron kaatuminen (ranskaksi GPS-kalenterin numeroinnin nollaaminen ) aiheuttaa ohjelmiston vanhentumisen amerikkalaista järjestelmää käyttäen, koska aikaviite nollataan 1024 viikon välein (sisäisen satelliittilaskennan rajoitusten vuoksi); viimeinen tapahtui6. huhtikuuta 2019 ja siten mitätöi materiaalit, jotka ovat poissa valmistajien päivityksistä.
On olemassa muita satelliittipaikannusjärjestelmiä, mutta saavuttamatta GPS: n kattavuutta tai tarkkuutta: