全地球測位システムとは何ですか？ GPSを理解する

全地球測位システムまたはGPSは、測位、ナビゲーション、およびタイミングシステム（PNT）を提供する全地球航法衛星システム（GNSS）です。 これは、米国国防総省（US DoD）1970年代初頭。ロシアのGLONASS、ヨーロッパのガリレオ、中国の北斗などの他の衛星ベースのナビゲーションシステムがありますが、米国の全地球測位システム（GPS）とロシアの全地球ナビゲーション衛星システム（GLONASS）は唯一の完全に機能する衛星ベースですそれぞれ32の衛星コンステレーションと27の衛星コンステレーションを備えたナビゲーションシステム。 GPSテクノロジーが開発される前は、（海、陸、または水上での）ナビゲーションの主な支援は地図とコンパスでした。 GPSの導入により、2メートル以下の位置精度でナビゲーションと位置特定が非常に簡単になりました。GPSGPS構造の概要GPSセグメントスペースセグメント制御セグメントユーザーセグメントGPSの動作原理衛星の位置の決定衛星とGPS受信機の間の距離の決定3D平面での受信機XNUMXD空間での受信機の位置GPS受信機の種類全地球測位システム（GPS）のアプリケーションGPSの歴史GPSが開発される前は、米国によるLORAN（長距離航法）のような地上航法システム 英国のデッカ航法システム ナビゲーションの主な技術です。 これらの技術は両方とも電波に基づいており、範囲は数百キロメートルに制限されていました。1960年代初頭、米国政府機関のXNUMXつ、すなわち国家航空宇宙局（NASA）、国防総省（DoD）、運輸省（DoT）は、他のいくつかの組織とともに、高精度、天候に依存しない操作、およびグローバルカバレッジを提供することを目的として、衛星ベースのナビゲーションシステムの開発を開始しました。このプログラムは、ナビゲーション衛星タイミングおよび測距グローバルポジショニングシステム（NAVSTARグローバルポジショニングシステム）に発展しました。 このシステムは、米軍のニーズを満たすための軍事システムとして最初に開発されました。 アメリカ 軍は、ナビゲーションだけでなく、兵器システムのターゲティングおよびミサイル誘導システムにもNAVSTARを使用しました。 敵が米国に対してこのナビゲーションシステムを使用する可能性は、民間人がそれへのアクセスを許可されなかった主な理由です。最初のNAVSTAR衛星は1978年に打ち上げられ、1994年までに24個の衛星の完全な星座が軌道に配置され、それは完全に機能します。1996年に、米国 政府は、民間人にとってGPSの重要性を認識し、軍と民間人の両方にアクセスできるようにするデュアルユースシステムを宣言しました。GPS構造の概要衛星ベースのナビゲーションシステムである全地球測位システム（GPS）の基本的な手法は、受信機と同時に観測される衛星はほとんどありません。これらの衛星の位置はすでにわかっているため、これらの衛星のうちXNUMXつと受信機の間の距離を測定することにより、GPS受信機の位置のXNUMXつの座標、つまり 緯度、経度、高度を設定できます。 受信機の位置の変化を非常に正確に決定できるため、受信機の速度も決定できます。GPSセグメントこの複雑な全地球測位システムの構造は、宇宙セグメント、制御セグメント、およびユーザーのXNUMXつの主要なセグメントに分けられます。セグメント。 この中で、制御セグメントと宇宙セグメントは、米国空軍によって開発、運用、保守されています。 次の画像は、GPSシステムの24つのセグメントを示しています。宇宙セグメントGPSの宇宙セグメント（SS）は、地球の周りをほぼ円軌道で周回しているXNUMX個の衛星のコンステレーションで構成されています。 衛星はXNUMXつの軌道面に配置され、各軌道面はXNUMXつの衛星で構成されます。 軌道面の傾斜と衛星の配置は、地球上のどの場所からでも最低20,000つの衛星が常に視線上にあるように特定の方法で配置されます。空間内の星座の配置に来ると、GPS衛星は、高度約XNUMX KMの中軌道（MEO）に配置されます。 冗長性を高め、精度を向上させるために、コンステレーション内のGPS衛星の総数は32に増え、そのうち31の衛星が稼働しています。制御セグメントGPSの制御セグメント（CS）は、世界中の監視と制御のネットワークで構成されています。と追跡ステーション。 制御セグメントの主なタスクは、GPS衛星の位置を追跡し、コマンド操作の助けを借りて適切な軌道に維持することです。さらに、制御システムは、搭載システムの整合性、大気条件、原子時計からのデータを決定して維持します。 GPS制御セグメントは、新しいマスター制御ステーション（NMCS）、代替マスター制御ステーション（AMCS）、XNUMXつの地上アンテナ（GA）、および監視ステーション（MS）の世界的なネットワークのXNUMXつのサブシステムに再び分割されます。 GPS衛星コンステレーションの中央制御ノードはマスターコントロールステーション（MSC）です。 コロラド州シュリーバー空軍基地にあり、24時間年中無休で運用されています。マスターコントロールステーションの主な役割は、衛星のメンテナンス、ペイロードの監視、原子時計の同期、衛星の操作、GPS信号のパフォーマンスの管理、ナビゲーションメッセージデータのアップロード、検出です。 GPS信号の障害とそれらの障害への対応いくつかのモニターステーション（MS）がありますが、そのうちの7つが重要です。 ハワイ、コロラドスプリングス、アセンション島、ディエゴガルシア、クェゼリン、ケープカナベラルにあります。 これらの監視ステーションは衛星の位置を継続的に追跡し、データはさらなる分析のためにマスターコントロールステーションに送信されます。データを衛星に送信するために、アセンション島、ケープカナベラル、ディエゴガルシア、クェゼリン。 これらのアンテナは、データを衛星にアップリンクするために使用され、データは、クロック補正、テレメトリコマンド、ナビゲーションメッセージなどのいずれかになります。ユーザーセグメントGPSシステムのユーザーセグメントは、正確または標準のナビゲーション用の民間人や軍隊などのテクノロジーのエンドユーザーで構成されます。ポジショニングとタイミング。 一般に、GPSサービスにアクセスするには、スタンドアロンのGPSモジュール、GPS対応の携帯電話、専用のGPSコンソールなどのGPS受信機を装備する必要があります。これらのGPS受信機を使用すると、一般ユーザーは標準位置を正確に知ることができます。軍隊が正確な位置決め、ミサイル誘導、ナビゲーションなどにそれらを使用している間の時間と速度。GPSの動作原理GPS受信機の助けを借りて、XNUMX次元またはXNUMX次元空間のいずれかで地球上の任意の場所にあるオブジェクトの位置を計算できます。 このために、GPS受信機はTrilaterationと呼ばれる数学的方法を使用します。これは、オブジェクトと既知の位置を持つ他のいくつかのオブジェクトとの間の距離を測定することによってオブジェクトの位置を決定できる方法です。したがって、GPS受信機の場合は受信機の位置を見つけるために、受信機モジュールは次のXNUMXつのことを知る必要があります。•空間内の衛星の位置と•衛星とGPS受信機の間の距離衛星の位置の決定衛星の位置を決定するためにGPS受信機は、GPS衛星によって送信されるXNUMX種類のデータ（アルマナックデータとエフェメリスデータ）を利用します。GPS衛星は、そのおおよその位置を継続的に送信します。 このデータはアルマナックデータと呼ばれ、衛星が軌道を移動するたびに定期的に更新されます。 このデータはGPS受信機によって受信され、そのメモリに保存されます。 GPS受信機はアルマナックデータの助けを借りて、衛星の軌道と衛星がどこにあるべきかを決定することができます。空間の状態は予測できず、衛星が逸脱する可能性が非常に高いです。彼らの実際の道。 マスターコントロールステーション（MCS）と専用のモニターステーション（MS）は、高度、速度、軌道、位置などの他の情報とともに衛星の経路を追跡します。パラメーターのいずれかにエラーがある場合、修正されたデータは次のとおりです。衛星が正確な位置にとどまるように衛星に送信されます。 MCSから衛星に送信されるこの軌道データはエフェメリスデータと呼ばれます。 衛星は、このデータを受信すると、その位置を修正し、このデータをGPS受信機に送信します。 アルマナックとエフェメリス、GPS受信機は常に衛星の正確な位置を知ることができます。衛星とGPS受信機の間の距離を決定するGPS受信機と衛星の間の距離を測定するために、時間は主要な役割を果たします。 GPS受信機から衛星までの距離を計算する式は次のとおりです。距離=光速x衛星信号の通過時間ここで、通過時間は衛星信号（電波の形式の信号、光の速度は一定値であり、C = 3 x 108 m / sに等しくなります。 時間を計算するには、まず衛星から送信される信号を理解する必要があります。衛星から送信されるトランスコードされた信号は、疑似ランダムノイズ（PRN）と呼ばれます。 衛星がこのコードを生成して送信を開始すると、GPSレシーバーも同じコードの生成を開始し、それらを同期しようとします。次に、GPSレシーバーは、レシーバーが生成したコードが送信された衛星と同期するまでにかかる時間の遅延を計算します。コード。衛星の位置とGPS受信機からの距離がわかれば、2D空間または3D空間でのGPS受信機の位置を見つけるには、次の方法を使用できます。2D平面での受信機の位置2 –次元空間でオブジェクトまたはGPS受信機の位置を見つけるためにすなわち XY平面、私たちが見つける必要があるのは、GPS受信機とXNUMXつの衛星の間の距離だけです。 D1とD2をそれぞれ衛星1と衛星2からの受信機の距離とし、衛星を中心に半径D1とD2を置き、XY平面上でそれらの周りにXNUMXつの円を描きます。 この場合の画像表現を次の画像に示します。上の画像から、GPS受信機はXNUMXつの円が交差するXNUMXつのポイントのいずれかに配置できることが明らかです。 衛星の上の領域を除外すると、衛星の下の円の交点でGPS受信機の位置を特定できます.2つの衛星からの距離情報は、のGPS受信機の位置を決定するのに十分ですXNUMXDまたはXY平面。 しかし、現実の世界は3次元空間であり、GPS受信機の3次元位置を決定する必要があります。 その緯度、経度、高度。 GPS受信機の3次元位置を決定するための段階的な手順を見ていきます。3D空間での受信機の位置GPS受信機に対する衛星の位置がすでにわかっていると仮定しましょう。 衛星1が受信機からD1の距離にある場合、受信機の位置は、衛星1を中心とし、D1を半径として形成される球の表面のどこにでも配置できることは明らかです。受信機からの2番目の衛星（衛星2）がD1の場合、受信機の位置は、半径D2とD1の2つの球と、それぞれ中心にある衛星XNUMXとXNUMXの交差によって形成される円に制限できます。この画像から、GPS受信機の位置を交差円上の点に絞り込むことができます。 GPS受信機から既存の3つの衛星までの距離がD3のXNUMX番目の衛星（衛星XNUMX）を追加すると、受信機の位置はXNUMXつの球の交点に限定されます。 リアルタイムの状況では、GPS受信機のあいまいさをXNUMXつの位置のうちのXNUMXつに配置することは現実的ではありません。 これは、受信機から距離D4の4番目の衛星（衛星XNUMX）を導入することで解決できます.XNUMX番目の衛星は、XNUMXつの衛星だけで以前に決定された可能性のあるXNUMXつの場所からGPS受信機の場所を正確に特定できます。 したがって、リアルタイムで、オブジェクトの正確な位置を特定するには、最低4つの衛星が必要です。実際には、GPSシステムは、地球上のどこにでもあるオブジェクト（GPSレシーバー）から少なくとも6つの衛星が常に見えるように機能します。タイプGPS受信機の概要GPSは、民間人と軍人の両方に利用されています。 したがって、GPS受信機の種類は、民間GPS受信機と軍用GPS受信機に分類できます。 ただし、標準的な分類方法は、受信機が検出できるコードの種類に基づいています。基本的に、GPS衛星が送信するコードには粗取得コード（C / Aコード）とP-コードのXNUMX種類があります。 民生用GPS受信機ユニットはC / Aコードのみを検出できます。 このコードは正確ではないため、民間の測位システムは標準測位サービス（SPS）と呼ばれます。一方、P –コードは軍隊によって使用され、非常に正確なコードです。 軍隊が使用する測位システムは、Precise Positioning Service（PPS）と呼ばれます。 GPS受信機は、これらの信号をデコードする機能に基づいて分類できます。市販のGPS受信機を分類する別の方法は、信号を受信する機能に基づいています。 この方法を使用すると、GPS受信機は次のように分類できます。シングル–周波数コード受信機シングル–周波数キャリア–平滑化コード受信機シングル–周波数コードおよびキャリア受信機デュアル–周波数受信機グローバルポジショニングシステム（GPS）のアプリケーションGPSはグローバルインフラストラクチャの重要な部分になっています。インターネットに似ています。 GPSは、現代の生活のさまざまな側面に広がる幅広いアプリケーションの開発における重要な要素です。 大規模な製造の増加とコンポーネントの小型化により、GPS受信機の価格が下がりました。 GPSが重要な役割を果たすアプリケーションの小さなリストを以下に示します。現代の農業では、GPSの助けを借りて生産が増加しています。 農家は、GPSテクノロジーと最新の電子機器を使用して、フィールドエリア、平均収量、燃料消費量、走行距離などに関する正確な情報を取得しています。自動車の分野では、無人搬送車が産業用または消費者向けアプリケーションで最も頻繁に使用されています。 GPSは、これらの車両のナビゲーションと測位を可能にします。民間人は、ナビゲーションの目的でGPS受信機を使用します。 GPS受信機は、携帯電話や腕時計の専用モジュールまたは組み込みモジュールにすることができます。 彼らはトレッキング、ロードトリップ、運転などに非常に役立ちます。 その他の機能には、車両の正確な時間と速度が含まれます。消防や救急車などの緊急サービスは、GPSによる災害位置の正確な位置特定の恩恵を受け、時間どおりに対応できます。軍隊は、ナビゲーション、ターゲットトラッキング、ミサイルに高精度のGPS受信機を使用しています。ガイダンスシステムなど GPSが使用されている、または将来的に広範囲に使用されるアプリケーションは他にもたくさんあります。関連記事：無線通信：はじめに、タイプとアプリケーションマルチプレクサーとデマルチプレクサインターネットが切断され続ける理由組み込みCプログラムの基本MEMSセンサーとは何ですか。

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