Ugrás a tartalomhoz

Geodézia 7., Térbeli helymeghatározás navigációs műholdrendszerrelTarsoly

Tarsoly Péter (2010)

Nyugat-magyarországi Egyetem

7.4 A GPS-rendszer kialakulása és felépítése

7.4 A GPS-rendszer kialakulása és felépítése

A NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System- globális helymeghatározó rendszer navigációs műholdakkal idő- és távolságmeghatározás útján) elvét az Egyesült Államokban dolgozták ki katonai navigációs célokra, 1973-ban. Az első műhold fellövésére 1978-ban került sor, a rendszer teljes kiépítése 1995-ben valósult meg. A GPS rendszer a felhasználó helyzetét távolságmérés alapján határozza meg. A távolságmérés mind időméréses, mind fázisméréses távolságmérés elvén lehetséges. A rendszer lényegében egy egyutas megoldásként működik, hiszen a műholdról kibocsátott jelek csak egy irányban kell, hogy befussák a megmérendő távolságot. A működés alapfeltétele az idő igen pontos mérése és a Föld körüli pályán keringő műholdak helyzetének pontos ismerete. A technikai és technológia fejlődése éppen a múlt század 80-as, 90-es éveiben tette lehetővé, hogy e két feltételt egyszerre teljesíteni lehessen.

A rendszer legfontosabb jellemzőit az alábbiakban foglalhatjuk össze:

  • A GPS rendszerben ismert helyzetű Föld körüli pályákon keringő műholdak navigációs adatokat tartalmazó jeleket sugároznak a Föld felszíne felé. (7-3. ábra) A földi vevőkészülék ezeknek a jeleknek a mérési adataiból, illetve az általuk szállított információk feldolgozásából meghatározza a saját helyzetét. A rendszer tehát aktív műholdakkal és passzív földi vevőkészülékkel működik.

7-3. ábra A GPS-műholdak elhelyezkedése és egy GPS-műhold a Föld körüli pályán

  • A GPS rendszer működéséhez feltétlenül szükséges az, hogy a vevőkészülék antennája és a műholdak között ne legyen akadály, ez azt jelenti, hogy a GPS rendszer csak olyan helyen alkalmas helymeghatározásra, ahol az égboltra való – a használt frekvenciájú rádióhullám szempontjából – szabad rálátás biztosított.

  • A GPS rendszer működésének alapfeltétele az időmérés pontossága. Minden műholdon igen pontos cézium és rubídium atomórák találhatók, melyek abszolút pontossága eléri a 10-13-10-14 értéket. Ez azt jelenti, hogy egy ilyen pontosságú óra kb. 300.000 – 3.000.000 év alatt késik vagy siet egyetlen másodpercet.

  • A GPS műholdak jele navigációs adatokat tartalmaz, melyek a vevőkészüléket tájékoztatják a műhold aktuális helyzetéről és a műholdon mérhető pontos időről. A rendszer minden műholdja szinkronizáltan működik, azaz óráik pontosan össze vannak hangolva, és jeleiket is pontosan azonos időben küldik a vevő felé. A távolságot a vevő időmérésre visszavezetett távolságméréssel határozza meg. Méri a jel érkezési idejét, és – ismerve a jel kiindulásának időpontját – a jelterjedési idő kiszámítása után a fénysebesség ismeretében meghatározza a műhold és a vevőkészülék távolságát.

A GPS rendszer három alapvető alrendszerből épül fel (7-4. ábra):

-         a műholdak alrendszere,

-        a földi követőállomások alrendszere

-        a felhasználói alrendszer (vevőkészülékek és szolgáltatások).

7-4. ábra A GPS-rendszer három alrendszere

A műholdak alrenszere teljes kiépítésben 24 műholdat tartalmaz, azonban jelenleg ténylegesen 31 műhold lett pályára állítva. Ennek oka részben az, hogy a műholdak élettartama nem pontosan kiszámítható. A műholdak hat azonos alakú pályán keringenek: a szomszédos pályasíkok metszésvonalai az egyenlítő síkjával azonos (55°-os) szögeket zárnak be, az azonos pályán haladó 4-5 műhold egymástól egyenlő szögtávolságban kering, a 2 szomszédos pályán a megfelelő műholdak 40°-ot ,,sietnek” illetve ,,késnek”. A szimmetrikus elrendezés révén biztosított, hogy a földfelszín bármely pontján bármely időpontban legalább négy műhold van észlelésre alkalmas helyzetben, azaz legalább 15°-kal a horizont felett. A műholdak keringési ideje közel 12 óra, a közepes pályasugár ebből adódóan kb. 20 200 km. A műholdak felszerelése: adó-vevő rádiócsatorna, fedélzeti számítógép jelentős háttértároló kapacitással, két független frekvenciaetalon (atomóra), oszcillátor és frekvenciasokszorozó a vivőjelek előállításához. Egy-egy műhold tömege megközelítőleg 850-2000 kg között mozog, energiaforrása napelem. A NAVSTAR műholdak két vivőfrekvenciát használnak a kommunikációra, az L1 és az L2 frekvenciát. Az előbbi 1 575.42 Mhz-en szállít üzeneteket, és a szinkronizáláshoz szükséges ál-véletlen kódot, az utóbbi pedig 1 227.60 Mhz-en sokkal pontosabb, katonai ál-véletlen kódot tartalmaz. Minden egyes műholdnak saját ál-véletlen kódja van, így tudjuk egyértelműen azonosítani az adót. A polgári GPS álvéletlen C/A kódot használ (Coarse Acquisition), míg a katonai P (Precise) kódot. A P kód sokkal pontosabb, 266.4 naponta ismétlődik. Minden héten vasárnap éjfélkor (GPS hét kezdete) egy kód generálása megtörténik, mely modulálja mindkét vivőfrekvenciát, de ezt katonai célok miatt titkosították (a titkosított P kódot nevezzük Y kódnak). Sok esetben a P kód meghatározása sokkal bonyolultabb, ezért katonai alkalmazás során is először C/A kódot kérnek, majd utólag térnek át P kódra. A P kód körülbelül tízszer pontosabb, és sokkal ellenállóbb a zavarokkal szemben. A C/A kód minden műhold esetében egyedi. Ezredmásodpercenként ismétlődik, hossza 300 kilométer, az átlagos műhold-vevő távolságon tehát megközelítőleg 80 ilyen digitális kódsorozat fér el. A kód segítségével a jel beérkezési időpontja alapján a kód futási ideje egyértelműen meghatározható, mivel minden digitális kódsorozat tartalmazza a saját kiindulási időpontját is.

A földi követőállomások alrendszerének feladata az ismert helyzetvektorok sorozatából pálya-adatok számítása. Amerikai katonai támaszpontok területén lévő állomásokon (7-5. ábra) mért és egy-egy műholdra vonatkozó adatokat a vezérlő központban értékelik(Colorado Springs, USA), meghatározzák a pálya- és órakorrekciókat, majd az adatokat adatfeljuttató állomások segítégével rádióüzenetként a műholdak fedélzeti számítógépének memóriájába juttatják.

7-5. ábra Földi követőállomások a GPS-rendszerben

A felhasználók alrendszere lényegében a GPS-rendszer alkalmazóiból áll, szűkebb értelemben a helymeghatározásra használt vevőkészülékekből. (7-6. ábra) A vevőberendezés antennaegységből és jelfeldolgozó egységből áll. Az antennaegység feladata az észlelési programban kiválasztott műholdak összetett jelének vétele. A jelfeldolgozó egység legfontosabb része a navigációs célú vevőkészülék esetében a számítógép, amely lehetővé teszi az adatok gyors feldolgozását, a pozíció meghatározását, és a terepi vezérlést, a tulajdonképpeni navigációt.

7-6. ábra A felhasználók alrendszere