Global Positioning System GPS

Global Positioning System GPS (Navstar 2) Mahtab Nasiri mni03001@student.mdh.se CIDEV 2 Handledare: Gordana Dodig Grnkovic Västerås 2004-10-18

Sammanfattning Syftet med denna rapport är att ge en grundläggande beskrivning av GPS (Global Positioning System) och dess användningsområde. GPS-systemet består av 27 satelliter i omloppsbana kring jorden och deras 5 kontrollbas på marken dygnet runt. Satelliterna placeras på så sätt att minst 5 satelliter är tillgängliga för användaren på marken. Signalerna som skickas ut från satelliterna är på två olika frekvenser 1575,42 MHz och 1227,6 MHz och det är bara en av de som är för civilt bruk och den andra används av militären. Eftersom varje satellit har sin egen almanack som är känd för mottagaren, kan en mottagare på marken jämföra datakoden från satelliten och sin egen, och räkna ut avståndet till varje satellit och beräkna sin egen position. Idag används detta system i de flesta verksamheter inom vilka positionsbestämning är avgörande. Mahtab Nasiri 2

Innehåll Sammanfattning... 3 Innehåll... 4 Inledning... 5 Global Positioning System...5 Hur fungerar GPS?... 6 Korrigering av tid i mottagare... 7 Avståndsmätning... 8 Signaler i GPS... 9 C/A-koden... 10 P-koden... 10 GPS användningsområde... 10 Andra navigeringssystem... 11 GPS och framtiden... 11 Slutsatser... 12 Referenser... 12 Mahtab Nasiri 3

Inledning Att veta var man befinner sig och vart man är på väg, har varit en av människans behov sedan länge. Förr i tiden användes himlakroppar och deras rörelse på himlen för navigering, i och med utvecklingen av radioteknologin gjorde man stora framsteg inom positionering och navigering. GPS står för Global Positioning System och är en av århundrades mest betydelsefulla uppfinningar. Det finns fortfarande ingen som står bakom denna uppfinning men projektet bedrivs av USA:s försvarsdepartement. År 1978 skickades den första GPS satelliten, Navstar1 upp. Syftet med detta var att USA:s försvarsdepartement ville ha en bättre lösning för global navigering till militären. Några år senare skickades flera satelliter upp och totalt blev 27 satelliter för både civilt och militärt bruk. Global Positioning System GPS (Global Positioning System) är ett satellitbaserade positionering och navigationssystem som kan delas upp på följande sätt: Satellit delen: Den består av 27 satelliter och deras omloppsbanor på en höjd av 20200 kilometer runt jorden. Tre av dessa satelliter är reserver och resten är verksamma, för satelliternas livslängd är 10 år och de ersätts kontinuerligt med nya. Banorna är delade i 6 med fyra till fem satelliter på var och en. Varje satellit fullbordar ett varv runt jorden på 12 timmar, vilket möjliggör navigering över allt dygnet runt. De skickar kontinuerligt: -Tid och datum (tiden representeras av en kod) - Satellit ID (vilken satellit det är) - Status ( frisk, sjuk ) - Almanack (data som anger var satelliten är vid varje given tidpunkt) Kontrollsegment: Runt hela jorden har placerats fem markstationer som har till uppgift att styra satelliterna, dvs. kontrollera satelliternas situationer och funktioner. Mottagare delen: Är en enhet som tar emot signalen från satelliter och räknar ut positionen. GPS mottagarna har byggt på få integrerade kretsar och därför är de mycket ekonomiska och tillgängliga för alla. Hur fungerar GPS? Positionsbestämning med GPS går ut på att GPS-mottagaren räknar den tid det tar att signalen uppnås av satelliten och därefter multipliceras den med ljusets hastighet för att räkna ut avståndet. Det krävs minst tre satelliter för att räkna ut mottagarens position. Principen för hur detta går till är så att mellan satelliten och mottagaren finns ett visst avstånd och detta avstånd kan ses som radien i en sfär, med satelliten som medelpunkt. Radien är avståndet mellan mottagaren och satelliten. Den position mottagaren nu kan ha begränsas till ytan av denna sfär (se Figur: 1). Mahtab Nasiri 4

Om signalen fås från den andra satelliten, blir positionen en cirkel som byggs av skärningen mellan de två sfären (se Figur 2). Med förutsättning att klockan i mottagare är lika exakt som atomuren i satelliterna. Figur:1 Med en signal från en tredje satellit, får man två punkter som kan vara Befinnelseplatsen (se Figur 3). Vilken av punkterna är riktig, bestäms av en fjärde satellit, men i de flesta fall är en av punkterna långt ifrån jorden och stämmer inte med positionen och därför används Figur: 2 den fjärde satelliten när klockan i mottagaren är fel. Korrigering av tid i mottagare Figur: 3 Alla mottagare i GPS-systemet använder kristallklockor, för de är billigare än atomur som finns i satelliterna, och därför är kristallklockorna inte så noggranna som atomur och kan lätt gå fel. Tidsfel i mottagare kan illustreras med hjälp av tvådimensionella figurer, eftersom det gör det lättare att förstå. Om mottagarens klocka är perfekt, så blir punkten X (Figur 4) positionen man befinner sig i, förutsatt att signalen från satellit A tar 4 s, från satellit B 6 s och C 8 s. Figur: 4 Figur: 5 Om klockan i mottagare går en sekund fel, dvs. en sekund försenad (se Figur 5), då blir ingen gemensam skärningspunkt för de tre satelliterna. Mottagarens dator märker att de inte finns en gemensam punkt och börjar därför att rätta till felet. Mahtab Nasiri 5

Avståndsmätning I GPS-systemet måste avståndet mätas precis och i en sådan satellit som roterar hela tiden är det inte lätt och därför sker avståndsmätning genom att multiplicera hastigheten med den tid det tar att signalen uppnås (Avstånd = Hastighet * tid). Hastigheten blir ljusets hastighet som är ca 3 * 10 8 (m/s). Men vad är signalernas färdtid? Tidmätningen ska också vara precis för annars kommer en tusendels sekund fel att ha en positionsavvikelse i ungefär 30 mil. I satelliterna används atomur och därför löses tids precisionen men eftersom det blir dyrt att använda samma klockor i mottagarna så används vanliga kristall klockor som kan lätt gå fel. För att mäta tidsfärden så synkroniseras klockorna i satelliten och mottagaren, sedan skickas en unik kod från både satelliten och mottagaren vid en bestämd tidpunkt. Eftersom signalen som färdas genom rymden blir försenad jämfört med mottagarens, så fördröjs signalen innan mottagaren får den. Mottagaren jämför de två koderna och räknar ut fördröjningstiden med hjälp av tidsmarkeringar. Den uppmätta fördröjningen motsvarar färdtiden. Signaler i GPS Varje GPS-satellit skickar kontinuerligt ut signaler på två olika frekvenser: 1227.60 MHz och 1575.42 MHz. Detta för att frekvenserna ska jämföras och störningar kan korrigeras och räknas ut. På satellitsignalen finns två PRN koder (pseudo random code) modulerade, C/A koden och P koden (se Figur 6). På frekvensen 1575.42 Mhz, som kallas för L1, ligger både P-koden och C/A-koden,samt navigationsdata. På den andra frekvensen 1227.60 Mhz, L2, ligger endast P-koden och navigationsdata. P-koden är krypterad så endast militären kan använda den och civila GPS-mottagare kan använda C/A-koden. Cykel Bärvåg +1 Koden -1 Modulerade signal Figur 6: Bifasmodulerade signal Mahtab Nasiri 6

C/A-koden C/A står för Coarse Acquisition dvs. grovt förvärvande och är en 1023 bitar ettor och nollor, en lång kod som sänds ut med en frekvens på 1 Mhz. Varje satellit har en egen unik C/A-kod. Denna kod är tillgänglig för alla användare av GPS. P-koden P står för Precise och P-koden är mycket längre än C/A-kodens 1023 bitar. P-koden upprepas en gång varje vecka och sänds ut med en frekvens på 10 MHz. Koden används precis som i C/A fallet för att modulera frekvensen. P-koden brukar krypteras och därför kan endast militära GPS mottagare använda den. GPS användningsområde GPS utveckling går framåt snabbt och dess användningsområde ökar också i samma takt. T ex med detta system i en bil kan räddningspersonalen vid en olycka, få reda på var bilen befinner sig. Man kan även som bilförare på ett mycket bekvämt sätt med hjälp av GPS, orientera sig i nya miljöer. Geologer, kartritare, naturvårdsforskare och arkeologer, är några som använder GPS. Andra navigeringssystem GPS är inte det enda navigeringssystemet som finns idag utan Ryssland har också GLONASS som är jämförbart med GPS. Andra system som finns är den franska DORIS-systemet, tyska PRARE, fransk-amerikanska ARGOS (används inom forskning). TRANSIT, föregångaren till GPS och två kommersiella system utvecklade i USA, GEOSTAR och STARFIX. GPS är fortfarande ledande i dessa grupper. GPS och framtiden GPS har genomgått en enorm utveckling under de senaste åren, som närmast kan jämföras med framstegen inom telekommunikation.. Antal satelliter som skickas upp för positionsbestämning ökar och i framtiden kommer man att kunna räkna positionen med mindre än en millimeter precision. En GPS-mottagare består av några få integrerade kretsar (IC-kretsar) och har på så sätt blivit mycket billigare. Idag går det att hitta mottagare nästan överallt; i bilar, flygplan, jordbruksmaskiner, mobiltelefoner och bärbara datorer för att nämna några. GPS spås en lysande framtid, då dess användningsområden bara blir fler och fler. Mahtab Nasiri 7

Slutsatser Behovet av positionsbestämmande system har lett till att GPS-systemet har utvecklats snabbt de senaste åren. Europa har också utvecklat sitt eget satellitnavigeringssystem som heter Galileo och har 30 satelliter i banan runt jorden, och ett kontrollsegment. Med samarbete med GPS kommer en mottagare att få signaler från både GPS och Galileo. Antalet fristående navigeringssystem har ökats de senaste åren och i framtiden kommer en del att användas inom specifika områden. Genom att använda detta system kan man spara tid, pengar och energi. Referenser 1. B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger och J. Collins, Global Positioning System - Theory and Practice, femte upplagan, sidorna 73-80, ISBN: 3-211-83534-2. 2. http://www.trimble.com (2004-09-24) 3. Introduktion till GPS, Gunnar Djerf http://www.utsidan.se/utrustning/kartor/gpsintro.htm (2004-09-27) 5. GPS_Vår tids navigationssystem (2004-09-29) http://fy.chalmers.se/tf/f1projekt/1999/gps/utskrift.html 6. GPS, Navigering med stor precision av Dennis Aksberg (2004-10-02) http://www.e.kth.se/~e98_dak/gps/ 7. GPS Navigation System www.skyrocket.de/space/index_frame.htm?http://www.skyrocket.de/space/doc_sdat/navstar.h tm (2004-09-27) Mahtab Nasiri 8