gistfile1.txt

http://slides.com/halldoreldjarn/navstar-gps-kerfid#/

Navstar GPS kerfið er það sem við í daglegu tali köllum GPS. Notandi þess getur, með hjálp fjöldamargra GPS gervitungla notað það til að staðsetja sig á jarðkringlunni, með nákvæmni upp á nokkra metra. Þróun þess hófst af fullri alvöru í kringum 1973, þegar varnamála-menn þar í landi hófu að þróa slíkt kerfi fyrir herinn. Síðar meir var kerfið einnig opnað fyrir almenningi og það er það kerfi sem við þekkjum í dag.

Á þessum tíma hafði myndast sá tæknilegi grundvöllur sem nauðsynlegur var til að hleypa því af stokkunum. Árin áður höfðu verið miklar framfarir í geimrannsóknamálum og orðið lítið mál að skjóta svosem eins og einum gervihnetti upp í 20.000 km hæð. Einnig voru miklar framfarir á öðrum sviðum og ýmsar tækninýjungar og uppgötvanir kynntar til sögunnar sem áttu eftir að gagnast í þróun kerfisins.

-- slide

Grunnhugmyndin er sú að GPS-tækið hlusti eftir merkjum frá gervihnöttunum. Þeir senda stöðugt frá sér hvað klukkan þeirra er og staðsetningu sína. 

GPS kerfið samanstendur af þremur þáttum. Þeir eru geimþáttur, stjórnþáttur og notandaþáttur. Á ensku útleggjast þeir sem Space Segment, Control Segment og User Segment.

Lítum fyrst aðeins á geimþáttinn

-- slide

Í desember 2012 voru gervihnettir á braut um jörðu 32 talsins. Þeir ferðast á 14.000 km/klst hraða og fara tvo hringi kringum jörðina á hverjum sólarhring. Þeir eru s.s. á ferð m.t.t. jarðarinnar, en ekki stöðugir. Þeim er beint á brautir sem eru þess eðlis að á sérhverjum punkti á jarðkringlunni séu að minnsta kosti fjórir sjáanlegir. Í besta falli eru 12 sjáanlegir! Ástæða þess að fjórir eru að minnsta kosti nauðsynlegir, er til að geta reiknað út þessar þrjár óþekktu stærðir sem við notum til að staðsetja okkur; lengdar- og breiddargráðu og hæð. Einnig þarf að taka með í reikninginn mismun á klukku í GPS tæki notanda og í gervihnöttunum.

-- slide

Hver og einn gervihnöttur hefur innbyggða klukku. Þó er ekki alveg nóg að nota bara venjulega, einfalda veggklukku úr IKEA heldur þarf að notast við atómklukku, til að fá sem nákvæmasta tímamælingu. Það gæti virst nóg við fyrstu sýn, að vera með hárnákvæma atómklukku sem sér bara um að tikka með ótrúlegri nákvæmni, en við búum víst í veröld þar sem tími og rúm verða ágætlega og auðveldlega sveigð svo við þurfum að taka það með í reikningana til að minnka skekkjuna enn frekar.

-- slide

Lögmál um afstæði í tíma og rúmi segir okkur nefnilega að tíminn líður ekki alveg jafn hratt á yfirborði jarðar, og hann gerir í 20.000 km hæð. Séð frá jörðinni gengur klukkan um borð í gervihnettinum hægar en á jörðinni. Skekkjan sem myndast er um 7 míkrósekúndur á dag. Almenna afstæðiskenningin kemur síðan með enn meira vesen.

Á yfirborði jarðar verka þyngdarkraftar hennar mun sterkar á klukkuna, heldur en ef hún er á sporbaugi. Í tilfelli GPS hnattanna erum við að tala um næstum því 45 míkrósekúndna skekkju sem myndast á hverjum degi. Í þetta skiptið er skekkjan þó í hina áttina því samkvæmt lögmálinu líður tíminn hægar við yfirborð jarðar en klukkan í gervihnettinum virðist telja hraðar.

-- slide

Því fáum við að samlegðaráhrif þessa tveggja þátta valda u.þ.b. 45 - 7 = 38 µs skekkju á hverjum sólarhring, gervihnettinum í hag. Klukkan í honum gengur semsagt aðeins hraðar. Til þess að vega upp á móti þessum geigvænlega mun, eru klukkurnar um borð í gervihnöttunum því látnar ganga ögn hægar en jarð-klukkurnar. Með því erum við þá með mjög vel samstilltar klukkur og ættum að geta reiknað nákvæma staðsetningu okkar vel út frá þeim upplýsingum sem þeir gefa okkur. Nú til dags höfum við jafnvel enn betri skekkjuleiðréttingargræjur, en örtölva í gervihnöttunum getur tekið við stilliboðum frá jörðu ef klukkum fer að skeika meira en heilbrigt getur talist. Þessar leiðréttingar þarf að senda daglega.

Þessi skekkja, eða u.þ.b. 38 µs á sólarhring, gæti virst smávægileg, en þar sem við vinnum með frekar stóra jörð þá krefst GPS tæknin nákvæmni upp á nanósekúndur, og þar sem 38 µs eru 38 þúsund nanósekúndur þá erum við mjög fljót að lenda í hræðilegri skekkju. Svo fljót raunar, að það tæki ekki nema tvær til þrjár mínútur fyrir kerfið að verða gjörsamlega ónothæft. Gefðu því nokkra daga og svín verða farin að fljúga, eða GPS tæki áfast á svíni á jörðu niðri myndi að minnsta kosti halda það.

-- slide

Næsti þáttur, stjórnþáttur, er jarðbundinn.

Stjórnþáttur samanstendur af aðalstjórnstöð (Master Control Station), aukaaðalstjórnstöð (Alternate Control Station), fjórum möstrum og sex sívakastöðvum (monitor stations). Þessar stöðvar vinna meðal annars saman að því að senda klukkuuppfærslur á gervihnettina og sjá til þess að allt hegði sér eðlilega. Ef við sjáum að frávik gervihnattar eru veruleg þ.e. að hann er að senda frá sér rangar eða skakkar upplýsingar, eða er kominn út af braut sinni, þá getum við gefið honum merki um það og hann merkir sig sem óheilbrigðan. 

Hann gefur þá semsagt til kynna að á honum er ekki mark takandi og notandi vinsamlegast beðinn að hundsa upplýsingarnar sem úr honum koma og þær ekki notaðar til útreikninga á jörðu niðri á því augnabliki. Þetta gefur stjórnstöð kost á að leiðrétta braut gervihnattarins eða uppfæra upplýsingar í honum án þess að mælingar á jörðu niðri skekkist.

-- slide

Gögnin eru send til jarðar með rafsegulöldum. Nokkrar tíðnir eru fráteknar til sendinga frá gervihnöttunum. Helst ber að nefna eru 1575.42 MHz, en á henni eru bæði send grófkóði (Coarse Acquisition Code), raunkóði (Precise Code) og ferðaboð (navigation message). Bæði gróf- og raunkóði nýtast til að reikna svokallað vansvið, (pseudorange), sem er áætluð fjarlægð milli móttakara og gervihnattar. Grófkóðinn er mun ónákvæmari en hann er opinn öllum. Raunkóðinn er þar að auki dulkóðaður þar sem hann var upphaflega einungis ætlaður hernaði. Til að lesa úr honum þarf maður að búa yfir lykli til að afkóða hann. Hann er mun nákvæmari og einnig margfalt hraðari. 

Hver gervihnöttur býr yfir einkvæmum gróf- og raunkóðum. Grófkóðinn er sendur í sífellu á 1023 megabitum á sekúndu. Þar sem kóðinn er 1023 bitar endurtekur hann sig á millisekúndu fresti. Raunkóðinn er aftur á móti mun stærri, og hver gervihnöttur sendir aðeins brot úr aðalraunkóðanum. 

Að lokum sendir hnötturinn einnig ferðaboð. Hvert slíkt boð er 37500 bitar að lengd og eru send á 50 bitum á sekúndu. Í boðinu eru sendar upplýsingar um klukkuna í gervihnettinum, nákvæmar upplýsingar um sporbaug gervihnattar og svo upplýsingar ætlaðar til villuleiðréttinga. 

-- slide

Undir-rammi eitt inniheldur upplýsingar um þá stika sem margfalda skal við klukkuna til að umbreyta henni úr hnattklukku yfir í GPS klukku. Einnig inniheldur hann upplýsingar um heilsu gervihnattarins.

Undirrammar tvö og þrjú innihalda upplýsingar um sporbauginn sem hnötturinn er á

Undirrammi fjögur inniheldur upplýsingar um endurspeglanir frá jónahvolfi til að leiðrétta skekkju sem það getur myndað, UTC tíma, hluta úr nánari staðsetningu og merki um hvort sé kveikt á dulkóðuninni á raunkóðanum.

Undirrammi fimm inniheldur svo afganginn af staðsetningarupplýsingunum og nýtist hann til að greina frá hvaða gervihnetti boðin eru að koma. 

--

Vinnufélagi minn vann um skeið hjá GPS-tækja framleiðanda á Spáni. Þetta var lítið fyrirtæki sem seldi aðallega tæki á Spáni og Frakklandi. Þeir lentu einhverntímann í tímahraki og þurftu að klára hugbúnað í flýti. Einn forritari hjá fyrirtækinu átti að sjá um að hnitin væru reiknuð með réttri jöfnu. Hann var hinsvegar eitthvað latur og ákvað að harðkóða bara fasta fyrir staðsetningar sem hann vissi. Önnur var í París því hann hafði verið þar og átti til mælingar þaðan, og hin staðsetningin í Gíbraltar. Svo notaði hann bara línulega nálgun allt þar á milli. Þetta slapp fyrir horn, þangað til fyrirtækinu barst kvörtun nokkrum mánuðum síðar frá Finnlandi. Þar var maður sem hafði verið að keyra skv. leiðsögn frá tækinu þeirra, en tækið hans fór að vara hann við að keyra á ljóshraða, þar sem hámarkshraðinn var 90. 

---

(heimsmynd)

Sjá: http://in-the-sky.org/satmap.php