जीपीएस अवलोकन

Author- Hartebeesthoek Radio Astronomy Observatory

Source- GPS Overview 

 

परिचय

जीपीएस कार्यक्रम 1 9 73 में शुरू किया गया था जब संयुक्त राज्य वायुसेना, सेना, नौसेना, समुद्री कोर और रक्षा मानचित्रण एजेंसी ने अपने संयुक्त तकनीकी संसाधनों का उपयोग करने के लिए एक बहुत ही सटीक अंतरिक्ष-आधारित नेविगेशन प्रणाली विकसित करने का निर्णय लिया था। इन एजेंसियों के कार्मिक को जीपीएस संयुक्त कार्यक्रम कार्यालय के प्रारंभिक कैडर में इकट्ठा किया गया था और बाद में नौ अन्य नाटो सदस्य राष्ट्रों के एक दल ने शामिल हो गए थे। जीपीएस कार्यक्रम के लिए प्राथमिक औचित्य सैन्य था लेकिन नागरिक उपयोगकर्ताओं और अनुप्रयोगों की संख्या प्रतिदिन बढ़ रही है। जीपीएस अत्यधिक सटीक समय, वेग और स्थितित्मक डेटा प्रदान करता है साथ ही उपयोगकर्ताओं के व्यापक स्पेक्ट्रम की सामान्य रेडियो स्थिति आवश्यकताओं को पूरा करता है। उपयोग के तरीके और उपकरणों का उपयोग करने के आधार पर, भू-स्थानिक अनुप्रयोगों में उच्च परिशुद्धता माप किए जा सकते हैं। इसलिए यह भूगर्भीय कार्यक्रमों में उपयोग किया जाता है ताकि डाटाबेस को पूरक और मजबूत किया जा सके जो पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रों, महासागर ज्वार, समुद्री सतह स्थलाकृति, अभिविन्यास, वैश्विक समुद्र स्तर और महासागर परिसंचरण के मॉडल बनाने के लिए उपयोग किए जाते हैं। यह विशेष रूप से उच्च परिशुद्धता लघु बेसलाइन काम के लिए उपयुक्त है। जीपीएस उपकरण, पोर्टेबिलिटी और अंतरराष्ट्रीय सहयोग के लाभों में उपलब्धता और आर्थिक पहुंच में नाटकीय सुधारों के कारण जीपीएस को geodesists का प्राथमिक उपकरण माना जाता है।

सामान्य प्रणाली विवरण

जीपीएस प्रणाली में तीन प्रमुख खंड शामिल हैं; अंतरिक्ष, नियंत्रण और उपयोगकर्ता खंड। अंतरिक्ष और नियंत्रण खंडों का संचालन यूएसएएफ स्पेस कमांड द्वारा प्रबंधित किया जाता है और जीपीएस संचालन के लिए सहायक कमांड यूएस वायु सेना रसद कमांड (एएफएलसी) की ज़िम्मेदारी है।

अंतरिक्ष सेगमेंट

पूरी तरह परिचालन अंतरिक्ष खंड की योजना छह उपग्रहों के साथ छह उपग्रहों में 21 उपग्रहों, साथ ही 3 परिचालन स्पेयरों का नक्षत्र बनाने की योजना थी। उनकी कक्षाएं लगभग 55 डिग्री की झुकाव के साथ नाममात्र रूप से परिपत्र हैं और 12 घंटे की अवधि है। कक्षीय ऊंचाई लगभग 20 200 किमी है। उपग्रह एल बैंड में दो आवृत्तियों पर फैल स्पेक्ट्रम सिग्नल भेजते हैं, जिसे लिंक 1 (एल 1) = 1575.42 मेगाहर्ट्ज और लिंक 2 (एल 2) = 1227.6 मेगाहर्ट्ज के नाम से जाना जाता है। एल 1 सिग्नल को एक परिशुद्धता (पी) श्रेणी कोड और एक मोटे / अधिग्रहण (सी / ए) के साथ मॉडलिंग किया गया है, जबकि एल 2 सिग्नल केवल पी-कोड के साथ मॉड्यूल किया गया है। सभी सिग्नल घटकों को परमाणु घड़ियों द्वारा नियंत्रित किया जाता है जो सिस्टम की सटीकता की कुंजी है। कोड पर सुपरमोज्ड नेविगेशन संदेश डेटा है, जिसमें सैटेलाइट घड़ी और इफेमेरिस पैरामीटर, यूटीसी सिंक्रनाइज़ेशन सूचना और उपग्रह सिग्नल स्वास्थ्य डेटा शामिल है। वर्तमान में चार से आठ उपग्रह लगभग 15 डिग्री के ऊंचाई मास्क के साथ दिखाई दे रहे हैं।

उपयोगकर्ता सेगमेंट

उपयोगकर्ता की पहुंच

सिस्टम की निर्भरता कम करने के लिए दो विधियों का उपयोग किया जाता है।

  1. चुनिंदा उपलब्धता (एसए) एसए मुख्य रूप से सिंगल रिसीवर उपयोग करने के लिए है और मुख्य रूप से उपग्रह घड़ी आवृत्ति कम कम करने की की जाती है। प्रेषित नेविगेशन संदेश को भी छोटा किया जा सकता है जो उपयोगकर्ता को उपग्रहों के निर्देशक की प्रतिक गणना करने की क्षमता से इनकार करता है।
  2. एंटी-स्पूफिंग (एएस) इस सुविधा को पीपीएस उपयोगकर्ताओं के संभावित स्पूफिंग (शत्रुतापूर्ण अनुकरण) को अस्वीकार करने के लिए यादृच्छिक रूप से बुलाया जाता है। यह क्षमता अनिवार्य रूप से पी-सीधी बंद कर देता है या एन्क्रिप्टेड वाई-कोड पर बदल जाता है।

सेवा के स्तर

जीपीएस द्वारा प्रदान की जाने वाली सेवा के दो बुनियादी स्तर हैं:

  1. सटीक पोजिशनिंग सेवा (पीपीएस) पीपीएस 8 मीटर परिपत्र त्रुटि संभाव्य (सीईपी) स्थिति और 100 एनएस (एक सिग्मा) यूटीसी समय हस्तांतरण प्रदान कर सकता है। सीईपी को क्षैतिज सर्कल के त्रिज्या के रूप में परिभाषित किया जाता है जिसमें सभी संभावित स्थिति सुधारों का 50% होता है। यह सेवा केवल अधिकृत उपयोगकर्ताओं के लिए उपलब्ध है और मुख्य रूप से सैन्य उपयोगकर्ताओं के लिए है। एसए और एएस का आह्वान करके पीपीएस तक पहुंच अमेरिकी रक्षा विभाग (डीओडी) द्वारा नियंत्रित की जाती है।
  2. मानक पोजिशनिंग सेवा (एसपीएस) यह सेवा 100 मीटर क्षैतिज स्थिति और लगभग 337 एनएस यूटीसी समय हस्तांतरण सटीकता का उत्पादन करने के लिए निर्दिष्ट है।

उपयोगकर्ताओं को दो श्रेणियों में बांटा गया है, जिनके पास पीपीएस तक पहुंच है और शेष राशि एसपीएस के डिफ़ॉल्ट उपयोगकर्ताओं द्वारा हैं। एक पीपीएस-सक्षम जीपीएस रिसीवर में अंतर्निहित क्रिप्टोग्राफिक तर्क है जो पीपीएस कुंजी के साथ क्रिप्शन / डिक्रिप्शन प्रोसेसिंग की अनुमति देता है। आम तौर पर पीपीएस-सक्षम जीपीएस रिसीवर सेट एसए और एएस कार्यों के लिए पीपीएस एन्क्रिप्शन / डिक्रिप्शन प्रोसेसिंग लागू करते हैं, हालांकि भूगर्भीय सर्वेक्षण नेटवर्क में उपयोग किए जाने वाले कुछ जीपीएस रिसीवर सीमित पीपीएस मोड में काम करते हैं। इन जीपीएस रिसीवर के साथ पीपीएस एन्क्रिप्शन प्रोसेसिंग केवल एएस फ़ंक्शन के रीयल-टाइम समर्थन के लिए आवश्यक है क्योंकि एसए डिक्रिप्शन फ़ंक्शंस को पोस्ट-प्रोसेसिंग के दौरान ख्याल रखा जाता है।

नियंत्रण सेगमेंट

नियंत्रण खंड में कोलोराडो में फाल्कन एएफएस में एक मास्टर कंट्रोल स्टेशन (एमसीएस) और हवाई, क्वाजलेन, डिएगो गार्सिया, असेंशन और एमसीएस में स्थित पांच मॉनीटर स्टेशन शामिल हैं। एमसीएस मॉनिटर स्टेशनों से ट्रैकिंग डेटा को जोड़ता है और उपग्रह कक्षा और घड़ी पैरामीटर की गणना करता है। तीन ग्राउंड कंट्रोल स्टेशन जो क्वाजलेन, डिएगो गार्सिया और असेंशन में मॉनिटर स्टेशनों के साथ सह-स्थित हैं, एमसीएस द्वारा निर्धारित परिणामों को अपलोड करते हैं।

कई अन्य गैर-सैन्य मॉनिटर स्टेशन परिष्कृत कक्षाओं के विकास और भूगर्भीय शोध के लिए डेटा संग्रह में योगदान देते हैं। हार्ट्राओ वर्तमान में पासाडेना, कैलिफोर्निया में जेट प्रोपल्सन प्रयोगशाला से ऋण पर टर्बो रोड जीपीएस रिसीवर स्थापित कर रहा है। यह हमें भूगर्भ विज्ञान (आईजीएस) के लिए अंतर्राष्ट्रीय जीपीएस सेवा में मूल्यवान डेटा का योगदान करने की अनुमति देगा जो दुनिया भर में वितरित पचास से अधिक स्टेशनों के वैश्विक नेटवर्क से डेटा का उपयोग करता है। आईजीएस सेंट्रल ब्यूरो के परिणाम http://sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/global पर पाए जा सकते हैं।

जीपीएस पर्यवेक्षक

दो जीपीएस अवलोकन हैं जिनका उपयोग स्थिति निर्धारित करने के लिए किया जाता है। निचले परिशुद्धता अनुप्रयोग जैसे नेविगेशन उपयोग छद्म श्रेणियां। भूगर्भीय सर्वेक्षण वाहक चरणों में उपयोग किया जाता है क्योंकि यह उच्च परिशुद्धता की अनुमति देता है।

छद्म रेंज

जीपीएस स्थिति निर्धारण आगमन की अवधि के अवधारणा पर आधारित है। एक साधारण उदाहरण एक स्थिर ट्रांसमीटर से समय टी 1 में कुछ सटीक तत्काल पर सिग्नल के उत्सर्जन पर विचार करना होगा। सिग्नल कुछ समय बाद रिसीवर पर आता है, टी 2 कहें। समय अंतर टी 2 – टी 1 आगमन के समय (टीओए) मूल्य के निर्धारण की अनुमति देता है। रिसीवर और ट्रांसमीटर के बीच सीमा (दूरी) सिग्नल प्रसार गति के साथ टीओए गुणा करके पाया जा सकता है। जब चार उपग्रह एक साथ मनाए जाते हैं, तो (एक्स, वाई, जेड) स्थिति और रिसीवर घड़ी ऑफसेट एक अवलोकन से पाया जा सकता है। सर्वेक्षण शब्दावली में, यह दूरी से शोधन है।

जीपीएस उपग्रह छद्म यादृच्छिक शोर (पीआरएन) अनुक्रम-मॉड्यूटेड रेडियो तरंगों को प्रेषित करते हैं। पीआरएन कोड बाइनरी डेटा के पूर्वनिर्धारित तार हैं जो सैटेलाइट घड़ी से उत्पन्न होते हैं जो सिग्नल के लिए ट्रांसमिशन एन्कोडिंग के समय के रूप में कार्य करता है। प्रत्येक उपग्रह का संचरण अनूठा होता है भले ही वे सभी एक ही आवृत्ति पर संचारित हों। यह जीपीएस रिसीवर संकेतों के बीच अंतर करने की अनुमति देता है। यह जीपीएस रिसीवर द्वारा एक सटीक प्रतिकृति पीआरएन अनुक्रम उत्पन्न करता है जिसे रिसीवर में मिश्रित किया जाता है, जब तक कि अधिकतम सहसंबंध प्राप्त नहीं हो जाता है, तब तक कोड-ट्रैकिंग पाश द्वारा आगे और पीछे की ओर मार दिया जाता है। Slewing की परिमाण मनाया टीओए मूल्य है।

जीपीएस रिसीवर में घड़ी उपग्रह घड़ी के साथ सिंक्रनाइज़ नहीं है, ताकि TOA उपरोक्त सरल उदाहरण पर सीधे लागू न हो। रिसीवर घड़ी में पूर्वाग्रह होता है जो जीपीएस रिसीवर सेट के डेटा प्रोसेसर द्वारा पाया जाता है। जब मनाया गया टीओए ज्यामितीय रेंज को खोजने के लिए संकेत प्रसार विलंब से गुणा किया जाता है, तो रिसीवर घड़ी पूर्वाग्रह शामिल होता है। इस कुल सीमा को छद्म रेंज (पीआर) माप कहा जाता है। मापा पीआर ट्रोपोस्फेरिक और आयनोस्फेरिक प्रचार विलंब से प्रभावित होते हैं। इसलिए TOA में प्रचार विलंब और घड़ी ऑफसेट दोनों शामिल हैं।

एक सरल उपयोगकर्ता स्थिति निर्धारण एल्गोरिदम होगा:

  1. चार उपग्रहों से पीआरएन दृश्यों को ट्रैक करें।
  2. चार पीआर माप प्राप्त करने के लिए प्रकाश की गति से टीओए मूल्यों को गुणा करें।
  3. आयनोस्फेरिक और ट्रोपोस्फेरिक देरी के लिए सही पीआर माप। प्रत्येक उपग्रह की घड़ी और जीपीएस सिस्टम समय, सापेक्षता के प्रभाव इत्यादि के बीच अंतर के लिए सुधार जोड़ें। उपग्रहों से प्रेषित 50 हर्ट्ज डिजिटल डेटा स्ट्रीम (नेविगेशन संदेश) उनके पी-और सी / ए कोड के साथ आवश्यक जानकारी है, जैसे कि विशेष उपग्रह के लिए ट्रांसमिशन, इफेमेरिस और घड़ी डेटा का जीपीएस sytem समय। इन समायोजनों को बनाने के लिए आयनोस्फेरिक विलंब मॉडल और उपग्रह स्वास्थ्य जानकारी के लिए सभी उपग्रहों, गुणांक के लिए अल्मनैक डेटा भी शामिल है।
  4. चार श्रेणी समीकरणों को हल करके एक स्थिति / समय समाधान करें और WGS-84 समन्वय प्रणाली के संदर्भ में (x, y, z) स्थिति फ़िक्स की गणना करें।

सिस्टम सटीकता लक्षण

दो महत्वपूर्ण पैरामीटर जीपीएस सांख्यिकीय सटीकता वितरण दिखाने के लिए कारण बनता है। सबसे पहले, मापा पीआर में त्रुटि होती है और दूसरी बात, उपग्रह ज्यामिति के कारण सटीकता सीमित कारक है। ये दो कारक महत्वपूर्ण हैं क्योंकि यह जीपीएस की सीमाओं की समझ को जन्म देता है और स्थिति और समय की प्रत्याशा की भविष्यवाणी की अनुमति देता है।

उपयोगकर्ता समतुल्य रेंज त्रुटि (यूईआरई)

प्रत्येक उपग्रह से पीआरएस के निर्धारण में त्रुटि उपग्रह की कक्षा की भविष्यवाणी, इसकी घड़ी की स्थिरता, नेविगेशन संदेश में त्रुटियों, आयनोस्फेरिक और ट्रोपोस्फेरिक मॉडल त्रुटियों के साथ-साथ सहसंबंध त्रुटियों में त्रुटियों के कारण होती है। यूईआरई नेविगेशन संदेश में निहित है और डीओपी कारकों के साथ संयोजन बिंदु स्थिति में परिशुद्धता के अनुमान सक्षम करता है जिसे हासिल किया जा सकता है।

प्रेसिजन (डीओपी) कारकों के Dilution

डीओपी कारकों को आमतौर पर स्थिति और समय समाधान पर उपग्रह वितरण की ज्यामिति के प्रभाव द्वारा योगदान त्रुटि के उपाय के रूप में उपयोग किया जाता है। डीओपी कारक समायोजित पैरामीटर के कॉन्वर्सिस मैट्रिक्स के विकर्ण तत्वों के सरल कार्य होते हैं। यह विवरण स्पष्ट हो जाता है जब यह महसूस किया जाता है कि एक जीपीएस रिसीवर में काल्मन फ़िल्टर में पीआर त्रुटियों के अनुमान (कॉन्वर्सिस मैट्रिक्स) का मैट्रिक्स होता है। कलमैन फ़िल्टर में इरियोस्फेरिक सुधार, उपयोगकर्ता घड़ी बहाव इत्यादि में त्रुटियों के परिणामस्वरूप शोर स्रोतों की विशेषता होती है ताकि उनके त्रुटि को लागू करने के प्रभाव को कम किया जा सके। यह एक पुनरावर्ती (पिछले अनुमानों और वर्तमान डेटा का रैखिक संयोजन) माध्य-स्क्वायर अनुमानक है जो कम से कम वर्ग के अर्थ में, राज्य वेक्टर के न्यूनतम कॉन्वर्स अनुमान का उत्पादन करता है, जिसमें जीपीएस रिसीवर की स्थिति और समय जैसे पैरामीटर शामिल हैं। त्रुटि covariance मैट्रिक्स एक रिकैटी समीकरण को संतुष्ट करता है, जो एक माइक्रोप्रोसेसर का उपयोग करके हल करने के लिए अपेक्षाकृत आसान है, जो बदले में एक जीपीएस रिसीवर में कार्यान्वयन की सुविधा देता है। कॉन्वर्सिस मैट्रिक्स के विकर्ण में स्थिति त्रुटियों और रिसीवर घड़ी पूर्वाग्रह त्रुटि के भिन्नताएं होती हैं।

एक अच्छे डीओपी की संख्या कम होती है (2-3) जबकि खराब डीओपी में उच्च संख्या होती है। सहजता से, सबसे अच्छा संभव डीओपी एक उपग्रह द्वारा सीधे ओवरहेड और तीन उपग्रहों को क्षितिज पर समान रूप से स्थान दिया जाएगा। उच्च डीओपी परिणाम तब होते हैं जब उपग्रह एक साथ क्लस्टर होते हैं या एक रेखा बनाते हैं। चूंकि उपग्रह की स्थिति अनुमानित है, अच्छे मूल्य सुनिश्चित करने के लिए सर्वेक्षण के नियोजन चरणों के दौरान डीओपी मूल्यों की गणना की जा सकती है। इस खंड को समाप्त करने के लिए विशेष प्रकार के डीओपी का संक्षेप में वर्णन किया गया है और उनके भाव दिए गए हैं।

  1. वीडीओपी वर्टिकल डीओपी। ऊंचाई पर उपग्रह ज्यामिति के प्रभाव का वर्णन करता है।
  2. एचडीओपी क्षैतिज डीओपी। क्षैतिज पदों के लिए परिशुद्धता के कमजोर पड़ता है।
  3. पीडीओपी स्थिति डीओपी। संयुक्त ऊर्ध्वाधर क्षैतिज स्थिति मान।
  4. टीडीओपी समय डीओपी। ज्यामिति का समय आयाम प्रभाव।
  5. जीडीओपी जियोमेट्रिक डीओपी। लंबवत क्षैतिज-समय आयामों का एक समग्र उपाय।

वाहक चरण

वाहक चरण माप पीआर माप से अधिक सटीक हैं और उच्च परिशुद्धता वाले छोटे और बहुत लंबे बेसलाइन दोनों पर उपयोग किए जाते हैं। प्रश्न “वाहक चरण क्या है” सबसे पहले सिद्धांतों से शुरू करके उत्तर दिया जाता है। चरण में देखा जा सकता है उपग्रह से प्रेषित वाहक तरंग और एक निर्दिष्ट युग टी पर रिसीवर ओसीलेटर संकेत के बीच चरण में अंतर है। एक तरंग का चरण इस प्रकार केवल तभी होता है जब इसे समान आवृत्ति की दूसरी लहर के सापेक्ष निर्दिष्ट किया जाता है। सिग्नल अधिग्रहण शुरू हो जाने के बाद चक्रों की पूरी संख्या गिना जाता है। चरण माप संदिग्ध हैं और जब तक प्रारंभिक युग में पूर्ण सीमा अंतर निर्धारित नहीं होता है, चरण माप केवल मनाई गई अवधि के दौरान सीमा में परिवर्तन प्रदान करता है। शुरुआती पूर्णांक अस्पष्टता प्रारंभिक युग में रिसीवर-उपग्रह संयोजन पर निर्भर करती है और यह एक विशेष निरीक्षण अवधि पर समान होती है। यह प्रारंभिक और अज्ञात पूर्णांक अस्पष्टता को एक पूर्वाग्रह अवधि द्वारा प्रदर्शित करने की अनुमति देता है। रिसीवर सॉफ़्टवेयर विफलता के कारण संकेतों के अवरोध, कमजोर सिग्नल या गलत सिग्नल प्रोसेसिंग के कारण ट्रैकिंग बाधित होने पर एक चक्र पर्ची हो सकती है।

यह चक्र पर्ची चक्रों की पूर्णांक संख्या को बदल देगी, हालांकि सिग्नल के पुनर्मूल्यांकन के बाद आंशिक चरण माप समान होगा जैसे ट्रैकिंग को बाधित नहीं किया गया था। साइकिल तकनीकों को ठीक करने के लिए कई तकनीकों का विकास किया गया है, जैसे कि खोज तकनीक, अलग-अलग कलमैन फ़िल्टरिंग, अनुकूलित चॉल्सकी अपघटन और कोड और वाहक में दोहरी आवृत्ति डेटा के मामले में, अस्पष्टता फिक्सिंग को चौड़ा करना। वास्तविक समय के अनुप्रयोगों के लिए फास्ट तकनीक बहुत महत्वपूर्ण हैं और वर्तमान में बेहतर और तेज अस्पष्टता संकल्प विधियों को खोजने के लिए बहुत अधिक शोध प्रगति पर है।

वाहक चरण प्रेसिजन

सामान्य रूप से ऊर्ध्वाधर घटक क्षैतिज घटकों की तुलना में अधिक मानक विचलन होता है। यह इस तथ्य के कारण है कि लंबवत घटक बाध्य नहीं है और ट्रोपोस्फेरिक विलंब में त्रुटियों के प्रति अधिक संवेदनशील है। ऊर्ध्वाधर घटक में प्रेसिजन एक साथ बड़ी संख्या में उपग्रहों के साथ बढ़ता जा रहा है क्योंकि ऊर्ध्वाधर स्टेशन समन्वय और जेनिथ ट्रोपोस्फेरिकल विलंब के बीच सहसंबंध गुणांक कम हो जाता है। वैश्विक आकलन वैश्विक स्तर पर लगभग 10 मिमी और स्थानीय स्तर पर लगभग 1 मिमी होगा। इन accurcies केवल तभी प्राप्त किया जाता है जब उन्नत प्रसंस्करण सॉफ्टवेयर के साथ ही सटीक कक्षा की जानकारी का उपयोग किया जाता है। जीपीएस रिसीवर के संदर्भ के रूप में कार्य करने वाले समय और आवृत्ति मानकों का अप्रत्याशित व्यवहार माप में त्रुटि का मुख्य स्रोत है। Differencing की प्रक्रिया से, रिसीवर और उपग्रह घड़ियों से उत्पन्न त्रुटियों को लगभग समाप्त कर दिया जा सकता है। रिसीवर, उपग्रह, युग या इनके संयोजन के बीच मतभेद किया जा सकता है। अंतरफलक आयोनोस्फीयर और ट्रोपोस्फीयर के प्रभाव को कम करता है जब रिसीवर एक-दूसरे के करीब होते हैं, ताकि छोटे बेसलाइन के लिए दोहरी आवृत्ति ऑपरेशन आवश्यक न हो।

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