Գլոբալ տեղորոշման համակարգ

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից
ԳՏՀ արբանյակի կոնցեպտ
ԳՏՀ ընդունիչ

Գլոբալ Տեղորոշման Համակարգը (ԳՏՀ, անգլ.՝ GPS) միակ լիիրավ գործող Գլոբալ Նավիգացիոն Արբանյակային Համակարգն է, որը բաղկացած է 24 արբանյակներից, որոնք հեռարձակում են ճշգրիտ միկրոալիքային ազդանշաններ, հնարավորություն տալով ԳՏՀ ընդունիչներին որոշելու իրենց դիրքն, արագությունն, ուղղությունն և ժանանակը: Այն ստեղծվել է Միացյալ Նահանգների Պաշտպանության նախարարության կողմից: Նմանատիպ համակարգերից է նաև ռուսական ԳԼՈՆԱՍ, եվրոպական Գալիլեո տեղորոշման համակարգն, չինական ԲեյԴոու նավիգացիոն համակարգն (նաև հայտնի որպես «ԿՈՄՊԱՍՍ») և հնդկական IRNSS–ն: Սակայն բոլոր վերոհիշյալները դեռ մշակման և ստուգման փուլերում են, և արբանյակների թիվը երկրածիրում չի հասցվել նախատեսված թվին:

Սովորական ԳՏՀ ընդունիչը որոշում է իր դիրքն հիմնվելով չորս և ավելի ԳՏՀ արբանյակներից ստացված ազդանշանների վրա: Այդ ստացված ինֆորմացիայի հիման վրա որոշվում են դիրքային պարամետրերը՝ x, y, z, և ժամանակը՝ t: Յուրաքանչյուր ԳՏՀ արբանյակ ունի ատոմային ժամացույց և շարունակ հեռարձակում է հաղորդագրություններ, որոնք պարունակում են հաղորդագրության ուղարկման ժամանակն, հեռարձակող արբանյակի դիրքի հաշվման համար անհրաժեշտ պարամետրերը (էֆեմերիդ), և արբանյակների վիճակային պարամետրերը (ալմանաք): Ազդանշաններն փոխանցվում են լույսի արագությամբ մինչև երկրին հասնելը, և փոքր-ինչ ավելի դանդաղ մթնոլորտի միջով: Ընդունիչը՝ օգտագործելով հաղորդագրության ստացման ժամանակը, հաշվում է իր հեռավորությունն յուրաքանչյուր արբանյակից, որից և այն որոշում է իր դիրքն:

Համակարգի Սեգմենտացիան[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

ԳՏՀ-ն կազմված է երեք հիմնական սեգմենտներից՝ տարածքային սեգմենտից (ՏՍ), կառավարման սեգմենտից (ԿՍ) և օգտագործողի սեգմենտից (ՕՍ):[1]

Տարածքային սեգմենտն իր մեջ ընդգրկում է ԳՏՀ արբանյակներին՝ թվով 24–ը, որոնք դասակարգված են 6 հատ հարթությունների վրա [2]: Ուղեծրերը դասավորված են այնպես, որ երկրի կամայական կետից գրեթե միշտ հասանելի են 6 հատ արբանյակ [3]: Գտնվելով 20.200կմ բարձրության վրա, յուրաքանչյուր արբանյակ մեկ աստղային օրվա ընթացքում կատարում է երկու լրիվ պտույտ [4]:

Կառավարման սեգմենտի մեջ մտնում են ԳՏՀ–ն վերահսկող երեք մոնիթորինգային կայաններն, որոնք պարբերաբար ուղարկում են նավարկման ճշտումներն արբանյակներին՝ ստեղծված Կալմանի ֆիլտրի կողմից, որն գեներացնում է դրանք, հիմնվելով մոնիթորինգային կայանների տվյալների, եղանակի տեսության և այլ տվյալների վրա [5][6]:

Օգտագործողի սեգմենտն իրենից ներկայացնում է ԳՏՀ ընդունիչ: Հիմնականում ԳՏՀ ընդունիչները կազմված են ալեհավաքից՝ որն ծրագրված է ստանալու ԳՏՀ–ի կողմից հեռարձակվող ալիքները, պրոցեսորից և բավականին կայուն ժամացույցից (հիմնականում քվարցային):

Դիրքի որոշումը[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

դիրքի որոշումը փսեվդոհեռավորությունների հիման վրա

ԳՏՀ ընդունիչները իրենց դիրքը որոշելու համար կատարում են բազմաթիվ բարդ մաթեմատիկական հաշվարկներ, սակայն ընդհանուր գաղափարը կայանում է հետևյալում. Սկզբում ընդունիչը գրանցում է արբանյակից եկած հաղորդագրության ստացման ժամանակը, որի միջոցով հաշվում է իր հեռավորությունն արբանյակից, այսպես կոչված փսեվդոհեռավորությունը [7]:

Այնուհետև նավարկման հաղորդագրությունից բեռնվում է ուղեծրային դիրքային տվյալը՝ էֆեմերիդը՝ արբանյակի ճշգրիտ դիրքը որոշելու համար: Իմանալով արբանյակի դիրրքն ու հեռավորությունը դրանից նշանակում է, որ ընդունիչը գտնվում է մի գնդի մակերևույթի վրա, որի կենտրոնը հանդիսանում է արբանյակի դիրքն, իսկ շառավիղը՝ հեռավորությունն արբանյակից:

Այն բանից հետո, երբ որոշվել են չորս արբանյակներից փսեվդոտարածությունները, կատարվում է ընդունիչի դիրքի որոշման առաջին կանխատեսումն՝ հիմնված այն գաղափարի վրա, որ բոլոր փսեվդո–տարածությունները պետք է հատվեն մի կետում:

Բաժանելով լույսի արագությամբ այն հեռավորությունը, որով շեղելիս բոլոր փսեվդոտարածությունները կմոտենան իրար բավականին մոտիկ, որ կհատվեն մի կետում, կստանանք ընդունիչի ժամանակի շեղումը: Կատարելով նույն գործողությունն հասանելի այլ արբանյակների քառյակի հետ, ընդունիչը որոշում է, թե ստացված ո՞ր տվյալն օգտագործել: Այս գործողության արդյունքում որոշվում է ընդունիչի դիրքն ու ժամանակը:

Ճշտությունն ու սխալանքի աղբյուրները[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Ինչպես արդեն նշվել է, ԳՏՀ ընդունիչը իր դիրքն որոշելու համար օգտագործում է իր ժամանակն, արբանյակի դիրքն ու ստացված ազդանշանի տեղ հասնելու տևողությունն, ինչն էլ նշանակում է, որ դիրքի ճշտությունն հիմնականում կախված է արբանյակի դիրքի և ազդանշանի ուշացման հետ:

Ուշացումը չափելու համար, ընդունիչը համեմատում է ստացված ազդանշանը իր ներքին գեներացված տարբերակի հետ, որի արդյունքում ժամանակակից ընդունիչները կարող են ապահովել մինչև 10 նանովայրկյան ճշտություն: Քանզի ԳՏՀ ազդանշանները տարածվում են լույսի արագությամբ, սխալանքը կարող է կազմել մինչև 3 մետր:

Դիրքի ճշտությունն կարող է լավացվել օգտագործելով ռազմական նպատակների համար հեռարձակվող P(Y) ազդանշանը, որի դեպքում կստանանք մինչև 30 սմ. Ճշտություն:

Բացի վերը նշվածից, կան շատ այլ սխալանքի աղբյուրներ, որոնց արդյունքում հասարակ ԳՏՀ ընդունիչի սխալանքը կազմում է մոտավորապես 15 մ.: Ստորև բերված են աղբյուրներն իրենց ազդեցությամբ դիրքի ճշտության վրա.

Աղբյուր Ազդեցություն
իոնոսֆերիք ազդեցություններ ±5 մետր
էֆեմերիդի սխալանք ±2.5 մետր
արբանյակի ժամացույցի սխալանք ± 2 մետր
բազմակի ճանապարհների սխալանք ± 1 մետր
տրոպոսֆերիք ազդեցություններ ± 0.5 մետր
թվային սխալանք ± 1 մետր

Հողորդակցություն[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

ԳՏՀ ազդանշաններ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

GPS համակարգում կիրառվում է ազդանշանի կոդային բաժանումը (CDMA- կոդի բաժանում բազմակի մուտքերի), որի շնորհիվ բոլոր արբանյակները ճառագայթում են ազդանշաններ նույն հաճախականությամբ: GPS համակարգի յուրաքանչյուր արբանյակ ճառագայթում է երկու ազդանշան: Առաջին ազդանշանի հաճախականությունը կազմում է. L1=1575.42ՄՀց, իսկ երկրորդինը L2=1227.6ՄՀց: Երկայնությունների որոշման համար գեներացվում են 2 տեսակի կոդեր P և C/A:

C/A կոդը մշակվել է քաղաքացիական օգտագործողի համար: Այդ կոդը փսեվդոտարածքային է՝ հաջորդականությունը 1,023ՄՀց հաճախականությամբ կրկնվող: C/A կոդը կրկնվում է յուրաքնչյուր 1023 բիթ (մեկ միլիվայրկյանի տևողությամբ) և հատուկ են յուրաքանչյուր արբանյակի համար: Հաղորդման ժամանակը մեկ բիթի համար կազմում է 0,978 մկվ և բազմապատկելով այդ մեծությունը լույսի արագությունով, ստանում ենք հեռավորությունը՝ այդ բիթերը զբաղեցնող: Կոդ P-ն նախատեսված է զինվորականների համար՝ իրենից ներկայացնում է 1023 ՄՀց հաճախականությամբ, փսեվդոպատահական կոդ: Մի բիթի երկարությունը 29,3մ է:

Փսեվդոկոդը դրոշմված է Y կոդում, որի վերծանման համար պահանջվում է գաղտնի AS (Anti- Spofing) մոդուլ, ընդունիչի յուրաքանչյուր ալիքի համար: Նավիգացիոն հաղորդագրությունը մոդուլացվում է ըստ C/A կոդի: Այդ հաղորդագրությունը 50 ԳՀց-հաճախականությամբ ազդանշան է, որը կազմված է 25 բլոկներից, որոնցից յուրաքանչյուրը պարունակում է 1500 բիթ: Յուրաքանչյուր բլոկ տրոհված է ենթաբլոկների՝ 300-ական բիթերով: Ենթաբլոկի հաղորդումը տևում է 6վ, բլոկինը 30վ, ամբողջ հաղորդագրությունը 12,5ր.:

Յուրաքանչյուր ենթաբլոկում 30 բիթ տարողությամբ. 10 բառ է պարունակվում, որոնցից առաջին բառը պարունակում է հեռուստամետրական ինֆորմացիա, իսկ երկրորդը ժամանակի նշաչափերը: Այդ բառերի տակ ենթաբլոկներում 2 և 3 ենթամիջօրեակններ են՝ կեպլերյան էլեմենտներով արբանյակի ուղեծիրով, այդ ենթաբլոկները կրկնվում են յուրաքանչյուր բլոկում: 4 և 5 ենթաբլոկները պարունակում են տվյալներ իոնոսֆերայի ազդեցության ուղղումների մասին, ժամանակի սանդղակի պարամետրերը, արբանյակի սարքին լինելու մասին տեղեկությունները: 4-րդ և 5-րդ ենթաբլոկների ինֆորմացիան տրոհված 25 էջերից հաղորդվում է ըստ էջերի հերթականության և կրկնվում է յուրաքանչյուր 12,5րոպե տևողությամբ: Հաղորդագրությունների հոսքի կարևոր տեղեկությունները սովորաբար տեսաբանվում են յուրաքանչյուր 4 ժամը մեկ:

Ճշտության մեծացման «հավելման» եղանակը[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

«Հավելման» մեթոդները հիմնված են արտաքին ինֆորմացիայի վրա, որն օգտագործվում է վերջնական դիրքի հաշվման ժամանակ: Որպես կանոն ստեղծվում են վերգետնյա կայաններ, որոնք ինչ–որ հաճախականությամբ հեռարձակում են իոնոսֆերիք, էֆեմերիդի և ժամանակային սխալանքներն, որոնք ստանալով ընդունիչը կատարում է համապատասխան ուղղումներ՝ հասցնելով վերջնական դիրքի ճշտությունը 2-3 մետրի:

ԳՏՀ ընդունիչներ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

ԳՏՀ ընդունիչների հիմնական խնդիրն է ստանալ ԳՏՀ արբանյակներից ազդանշանները և մշակել դրանք՝ ընդունիչի դիրքն, արագությունն և շարժման ուղղությունը որոշելու համար:

Դրանք կազմված են ալեհավաքից՝ որն ծրագրված է ստանալու ԳՏՀ–ի կողմից հեռարձակվող ալիքները, պրոցեսորներից՝ ինֆորմացիայի մշակման համար, քվարցային ժամացույցից: Ընդունիչները նաև նկարագրվում են տարողության քանակով, որն ցույց է տալիս, թե քանի արբանյակներից ազդանշաններ ընդունիչը կարող է միաժամանակ ստանալ և մշակել: Ժամանակակից ընդունիչները զինված են SiRF Star II և SiRF Star III ԳՏՀ մոդուլներով, որոնց տարողությունը համապատասխանաբար 12 և 20 է:

MC5 և Step III ընդունիչները[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Այս ընդունիչները նախատեսված են ավտոմեքենաների համար: Աշխատացնելու համար հարկավոր է միացնել սարքը ավտոմեքենայի հոսանքի աղբյուրին, այնուհետև բորտային համակարգչին՝ ավտոմեքենայի վիճակային պարամետրերի մասին ինֆորմացիա ստանալու համար, միացնել երկու ալեհավաք՝ ԳՏՀ–ի և ԳՇՀ–ի համար և տեղադրել SIM քարտ:

Այս սարքերն իրենց մեջ ունեն արդեն մշակված տրամաբանություն, որն էլ և մշակում է ԳՏՀ–ից և բորտ համակարգչից եկած տվյալներն և GPRS–ով փոխանցում դրանք վեբ սերվերին: ԳՇՀ ցանցի բացակայության դեպքում տեղի է ունենում ինֆորմացիայի բուֆերիզացիա, որը ցանցի առկայության դեպքում ամբողջությանբ ուղարկվում է սերվերին՝ ապահովելով համակարգի անխափանությունը:

MC5 և Step III ընդունիչների վիճակային պարամետրերից են շարժման ազդանշանը, բենզինի, յուղի ու ջրի ցուցմունքները, շարժիչի աշխատանքային վիճակը և շատ այլ պարամետրեր:

WebTrac 4 ընդունիչը[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Այս ընդունիչը նախատեսված են մարդկանց համար: Աշխատացնելու համար բավական է տեղադրել SIM քարտ և սեղմել միացման կոճակը:

Սարքը հնարավորություն է տալիս որոշել երկու փոխանցման ծառայություններից որևէ մեկը՝ GPRS կամ SMS, ինչպես նաև կարող է ուղարկել հատուկ ազդանշաններ որոշակի պայմանների դեպքում, օրինակ՝ երբ մարդը սեղմում է կարմիր կոճակը:

Ծանոթագրություններ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

  1. «Navstar Global Positioning System» 
  2. Dana, Peter H.։ «GPS Orbital Planes»։ Վերցված է 1996 թ․ օգոստոսի 8–ին 
  3. USCG Navcen։ «GPS Frequently Asked Questions»։ Վերցված է 2007 թ․ հունվարի 3 
  4. Agnew, D.C. and Larson, K.M.. Finding the repeat times of the GPS constellation. 
  5. USNO NAVSTAR։ «Global Positioning System»։ Վերցված է 2006 թ․ մայիսի 14 
  6. U.S. Government։ «General public education website» 
  7. «How Does GPS Work?»