Global Positioning System GPS i funktion

Transkript

1 Global Positioning System GPS i funktion Martin Åhlenius ECOP mas00001@student.mdh.se Andreas Axelsen ECOP aan00006@student.mdh.se 15 oktober 2003 i

2 Sammanfattning Denna rapport försöker förklara funktionen för Global Positioning System(GPS), det satellitnavigeringssystem som togs i bruk av amerikanska flottan GPS används numer också av civil verksamhet över hela jorden och är det ledande satellitnavigeringssystemet. ii

3 Innehåll 1 Inledning 1 2 Global Positioning System Varför GPS? GPS i funktion Signalstrukturen Tidtagning Avståndsmätning Bestämma positionen Elektroniken i en GPS Andra system GLONASS Global Navigation Satellite System Slutsats 5 iii

4 1 Inledning Olika tekniker för navigering har utvecklats sedan civilisationens början. I början använde man stjärnorna för att navigera, att bestämma positionen med hjälp av stjärnorna är dock begränsad då man är beroende av att se dem. Man kunde dock bestämma positionen relativt bra med endast några hundra meters felmarginal, men med dagens krav är detta inte tillräckligt. År 1957 sköt Sovjetunionen upp Sputnik och människan tog steget ut i rymden, det skulle visa sig ha en revolutionerande effekt på navigationen. Detta gav kunskaper om hur dopplereffekten som uppstod från den sändande satelliten kunde användas för att beräkna dess position. Detta användes då det första fungerande satellitbaserade navigationssystemet utvecklades av den amerikanska flottan Det hette Navy Navigation Satellite System[1] men var mer känt som Transit. Transit var baserad på 5 satelliter som cirkulerade runt jorden på 1100km höjd. Med en väl känd bana runt jorden, kunde man beräkna positionen på ytan med hjälp av dopplereffekten från de 5 sändande satelliterna. Dock kunde man få vänta upp till 115min innan man kunde beräkna sin position, då man var tvungen att vänta på att en satellit skulle lämna synfältet samtidigt som en andra satellit kommer in. 2 Global Positioning System 1973 utvecklade amerikanarna Global Positioning System(GPS)[1]. Tillskillnad från transit som var baserad på dopplereffekten, så är GPS baserad på att man mäter avståndet mot tre satelliter. Med hjälp av avståndet från satelliterna kan man bestämma positionen i x-, y- och z-led, dvs. latitud, longitud och altitud, genom simpel geometri. GPS är dock inte baserad på bara tre satelliter, utan 24 stycken. Det gör att en GPS-mottagare alltid får in minst 3 satelliter överallt på jorden, såtillvida man inte är skärmad av t.ex. en tunnel eller ett hus. Fördelen med GPS är att man inte behöver vänta på att satelliterna ska vara i en viss position, vilket gör den väldigt snabb om man jämför med t.ex. Transit. Det tar bara någon sekund att beräkna positionen, vilket gör att man kan använda den i realtid för att styra saker. 2.1 Varför GPS? Som all ny teknik så var GPS utrustningen i början väldigt kostsam och det var i enbart militären som hade tillgång till den nya tekniken. Idag är tekniken billig och allt fler privatpersoner får tillgång till GPS. Idag används den av militären, inom sjöfarten och av privatpersoner. I takt med att städerna växer och kraven på mobilitet ökar så har GPS blivit ett alltmer användbart och nödvändigt hjälpmedel för privatpersoner och företag i trafiken. Idag uppfylls kraven på storlek, vikt och prestanda för en GPS till ett lågt pris inte minst tack vare integrerade kretsar och mikroprocessorer. 2.2 GPS i funktion Idag är användningen av GPS utbred inom all typ av navigering och positionsbestämning. Den används av sjöfarten och taxibolagen i större städer. Den går att koppla till kartor och kan välja bästa vägen från punkt A till punkt B åt användaren. GPS teknik kan kopplas till styrningen av flygplan så ingen pilot behövs. I takt med att utbredningsområdet växer så 1

5 ställs högre krav på prestanda, vikt och storlek. Idag är felmarginalen nere på ca 10m[1]. Tidigare var det endast amerikanska militären som hade tillgång till den precisionen och det civila användningsområdet fick nöja sig med en felmarginal runt 100m Signalstrukturen För att skicka information från satelliten till mottagaren så används en elektromagnetisk bifasmodulerad signal. En bifasmodulerad signal är uppbyggd av en bärvåg som skiftar i fas för att representera etta och nolla, se figur 1. Bärvåg +1-1 Medelande Modulerad signal Klockcykel Figur 1: Utseende på en bifasmodulerad signal. Bärvågen för signalering från satellit till mottagaren har en primär frekvens som är 1575,42MHz och en sekundär frekvens 1227,60MHz. Meddelandet som satelliten skickar till handenheten innehåller klockslaget då signalen sändes och satellitens position. Med hjälp av positionen från satelliterna och tidsförskjutningen mellan tiderna då signalerna sändes från satelliterna så kan positionen bestämmas i alla tre dimensioner Tidtagning GPS-mottagaren har en inbyggd signal som är på samma frekvens som signalen från satelliten. Signalen i GPS-mottagaren synkroniseras med satellitens signal som är kontrollerad av ett atomur. Det är en avancerad teknik som krävs för att synkronisera dessa signaler men det är inte ekonomiskt försvarbart att montera ett atomur i en GPS-mottagare, då skulle priset hamna över 50000kr för en simpel version av en GPS-mottagare. På grund av avståndet mellan satellit och mätpunkt kommer signalen från satelliten att vara fasförskjuten när den tas emot av GPS-mottagaren. Denna fasförskjutning används för att mäta avståndet mellan satellit och mottagare. 2

6 2.2.3 Avståndsmätning För att mäta så stora avstånd, avstånd i den storlek som är mellan satelliten och GPSmottagaren så används följande formel[2] för avstånd: Avstånd = Hastighet Tid Tiden det tar för signalen att färdas från satelliten till GPS-mottagaren mäts, signalen färdas med ljusets hastighet och kvar blir en enkel ekvation att lösa. Med tanke på att ljusets hastighet är väldigt hög, så skulle ett mindre fel i tidmätningen orsaka ett väldigt felaktigt värde på sträckan Bestämma positionen Man vet positionen på en satellit och dess avstånd från den punkt man vill mäta upp. Punkten kommer då att ligga någonstans längs en cirkel på jordytan som har lika stort avstånd från satelliten. Om man sedan använder en satellit till, får man två cirklar som korsar varandra i två punkter där den ena ligger i den punkt vi vill beräkna. För att bestämma vilken av dom som är korrekt behövs en tredje satellit. Den korrekta punkten kommer vara den där alla tre cirklarna korsar varandra i samma punkt, se figur 2. L1 L2 P L3 Figur 2: En förenklad illustration över positionsbestämning med GPS. 2.3 Elektroniken i en GPS I dagens samhälle ställs höga krav på ny teknik. Mobilteknik ska var liten, lätt, billig och samtidigt ha låg effektförbrukning. Med dagens avancerade teknik så går det att leva upp 3

7 till dessa krav men då krävs det att man hela tiden använder den senaste tekniken för att utveckla nya produkter. Elektroniken i dagens GPS är väldigt avancerad. För att förklara den så kan man dela upp den i olika block, se figur 3. Antennen är kopplad till en mottagardel. Antenn In/Ut Mottagare RF Mikroprocessor Minne Batteri Figur 3: Blockschema över en GPS-mottagare. Mottagarendelen Består av en radio- och frekvensdel(rf) och en mikroprocessor. RF-delen tar emot signalen från antennen och filtrerar bort bärvågen från signalen innan den går vidare till mikroprocessorn. Mottagardelen är kopplad till en in/ut-del där användaren kan ställa in enheten och avläsa värden. Mottagardelen är också kopplade till ett minne där exempelvis kartor eller koordinater kan lagras för senare bearbetning. 3 Andra system GPS är inte det enda satellitnavigeringssystem som används. Ryssarna har sitt GLONASS[1] som utvecklades under sovjettiden. Andra håller på att utvecklas, dom brukar sammanfattas under namnet Global Navigation Satellite System(GNSS)[1], där Europa har ett projekt som går under GNSS GLONASS GLONASS bygger på samma princip som GPS. Systemet hade 24 satelliter från början, men har minskat då inga nya satelliter har skickats upp som ersättare för dom gamla och utkänta. Sedan 1997 har systemet dock hållits igång och består fram till idag av 14 satelliter. GLONASS ses som ett bra alternativ och komplement till GPS. 3.2 Global Navigation Satellite System Eftersom GPS är militärt styrt, så har olika internationella samarbeten skapat olika projekt som går under namnet GNSS. Ett civilt satellitsystem kan ge kommersiella mojligheter som ett militärt system som GPS inte tillåter. 4

8 Med tanke på att dessa planer kom till när det civilt tillåtna GPS var begränsad, så finns det svårigheter att motivera dessa nya system idag, när god kvallitet från GPS kan fås till en billig penning. 4 Slutsats GPS har på kort tid fått stor betydelse för vårat liv. Den har länge använts av militär och inom sjöfarten men idag är den på väg att bli var mans ägodel. Storleken blir mindre och positionsbestämningen blir allt mer exakt samtidigt som priset blir allt lägre. I takt med att utvecklingen går framåt så breder nya användningsområden ut sig och inom en snar framtid kommer det att finnas fler produkter som kommer att använda GPS, t.ex. robotar och obemannade stridsflygplan. 5

9 Referenser [1] Per Enge och Pratap Misra, Scanning the Issue/Technology - Special Issue on Global Positioning System, Proceedings of the ieee, Volum 87, Nr 1, [2] B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger och J. Collins, Global Positioning System - Theory and Practice, femte upplagan, sidorna 73-80, ISBN: