TIMATION to akronim TIMe navigATION, zaproponowany przez US Naval Research Laboratory (NRL). Timation został opracowany przez Rogera Eastona dla Naval Air Systems Command. Historycznie korzenie obecnego Global Positioning System (GPS) opierają  się na systemie Timation, a zasady ich działania są zasadniczo identyczne. Jedną ze znaczących zalet takiego systemu jest to, że jego praktyczne zastosowanie jest  nieograniczone. Satelity Timation zostały zaprojektowane, opracowane i wystrzelone przez United States Naval Research Laboratory w Waszyngtonie, DC począwszy od 1964 roku. Koncepcja Timation polegała na nadawaniu dokładnego odniesienia czasowego do wykorzystania jako sygnału odległościowego do odbiorników naziemnych. Doświadczenia zdobyte podczas jej realizacji pod kierownictwem Rogera Eastona  położyły podwaliny pod nowoczesny system GPS, który składa się z konstelacji satelitów, nadających zsynchronizowane znaczniki czasu, a odbiorniki naziemne obliczają swoją  pozycję na podstawie mierzonego czasu opóźnienia odebranych sygnałów. Roger Easton jest współautorem jednego z podstawowych patentów z tej dziedziny –  US3789409A. Patent ten został przyznany w 1974 r. i obejmował system nawigacyjny wykorzystujący sygnały oparte na czasie odniesienia każdego z satelitów.

Global Positioning System – GPS to jedna z najpopularniejszych i najdokładniejszych technologii służących do określania położenia obiektów na Ziemi. System GPS opiera się na konstelacji co najmniej 24 aktywnych satelitów, które orbitują wokół Ziemi na wysokości około 20000 km. Satelity te nadają sygnały radiowe zawierające szereg informacji niezbędnych do określenia pozycji odbiornika. Wśród tych danych znajdują się: czas wysłania sygnału (każdy satelita jest wyposażony w niezwykle precyzyjny zegar atomowy), położenie satelity w przestrzeni, tzw. almanach – oznacza dane o wszystkich satelitach w konstelacji GPS. Urządzenia wyposażone w odbiornik GPS (np. smartfon) odbierają sygnały od kilku satelitów jednocześnie. Aby precyzyjnie określić pozycję odbiornika, nalezy odebrać  sygnały z co najmniej czterech satelitów. Na podstawie otrzymanych danych urządzenie oblicza czas, jaki sygnał potrzebował na dotarcie do odbiornika. Ponieważ prędkość fal radiowych jest stała (prędkość światła), więc urządzenie może obliczyć odległość od każdego satelity, od którego sygnał został odebrany.  Następnie, korzystając z metody trilateracji, która polega na wyznaczeniu punktu przecięcia sfer,  których promienie odpowiadają odległościom od satelitów, urządzenie wyznacza swoją pozycję w trójwymiarowej przestrzeni, opierając się na odległościach od satelitów.

 US3789409 NAWIGATION SYSTEM USING SATELLATES AND PASSIVE RANGING TECHNIQUES, Roger Easton, Data patentu:29.01.1974. System nawigacyjny, w którym lokalizacja nawigatora jest uzyskiwana poprzez określenie odległości nawigatora (lub zasięgu) od jednego lub większej liczby satelitów o znanej lokalizacji. Każdy satelita przesyła sygnały wieloczęstotliwościowe, które pochodzą ze stabilnego oscylatora, który jest zsynchronizowany fazowo z urządzeniem nawigatora, które wytwarza podobne sygnały wieloczęstotliwościowe. Porównanie fazowe między sygnałami odebranymi z satelitów i sygnałami wytwarzanymi lokalnie wskazuje zarówno odległość między nawigatorem a satelitami, jak i lokalizację nawigatora. Podczas określania jego lokalizacji obecność nawigatora nie jest ujawniana, ponieważ nie jest wymagana żadna transmisja pytająca z jego strony.

Fig. 1 przedstawia widok perspektywiczny wynalazku;

Fig. 2 przedstawia schemat blokowy wyposażenia znajdującego się w części satelitarnej wynalazku;

Fig. 3 przedstawia schemat blokowy urządzeń znajdujących się na stanowisku nawigatora.

Odnosząc się teraz do FIG.1, nawigator, o którym mowa, który wykorzystuje techniki i sprzęt wynalazku, który znajduje się na statku 10. Nawigator, znając dokładne współrzędne pierwszego satelity 12 (z tabel przygotowanych za pomocą procedur, które same w sobie nie są częścią niniejszego wynalazku) określa zasięg satelity za pomocą środków i metod, które zostaną jeszcze opisane, a na podstawie tej wiedzy o położeniu i zasięgu satelity jest w stanie określić pierwszą linię położenia (LOP -line of position) 14 dla statku 10. Te same procedury są stosowane w odniesieniu do drugiego satelity 16 w celu określenia drugiego LOP 18. Przecięcie LOP 14 i 18, oczywiście, definiuje położenie statku 10 z dokładnością rzędu wielkości większą niż jest to możliwe w przypadku konwencjonalnych praktyk nawigacyjnych.

Sprzęt nadawczy na satelitach 12 i 16 jest zasadniczo identyczny i jest zilustrowany w formie schematu blokowego na FIG.2. Dla celów identyfikacji sygnału satelity 12 i 16 mogą nadawać na różnych częstotliwościach nośnych. Ponadto, jak czytelnik bez wątpienia zdaje sobie sprawę, użycie określonych częstotliwości w poniższym opisie jest jedynie dla celów opisu i  chociaż wspomniane częstotliwości mogą być typowe, nie należy ich uważać za w jakikolwiek sposób ograniczające wynalazek. Oczywiste jest, że wynalazek może obejmować wiele częstotliwości nośnych i modulacyjnych różnych od tych przedstawionych w poniższym opisie.

Na FIG.2 stabilny oscylator 20 jest sterowany przez zegar atomowy (lub jest oscylatorem kwarcowym, który ma równoważną stabilność częstotliwości) i zazwyczaj wytwarza precyzyjny sygnał 5 MC. Zakłada się dodatkowe układy (ale nie pokazane), które umożliwiają regulacje fazy w tym sygnale 5 MC w celu skorygowania każdego dryftu fazy, który występuje.

Sygnał wyjściowy 5 MC oscylatora 20 jest podłączony do obwodów liczników 22, które typowo wytwarzają sygnały 100 cps, 300 cps, 1 KC, 3 KC, 10 KC, 30 KC i 100 KC. Wyjście oscylatora 20 jest również podłączone do obwodów mnożnika i syntezatora 24, które wytwarzają sygnał nośny 400 MC, który jest modulowany przez siedem sygnałów wyjściowych obwodów odliczających 22 w modulatorze 26, a następnie przesyłany przez antenę satelitarną 28. Warto podkreślić, że wszystkie sygnały modulujące pochodzą ze wspólnego źródła, tj. oscylatora 20.

Odnosząc się teraz do FIG.3, która jest schematem blokowym wyposażenia stanowiska nawigatora na statku 10. Sygnał nośny modulowany wieloczęstotliwościowo z jednego z satelitów 12 lub 16 jest przechwytywany przez antenę 30  i  za pomocą technik, które są niezwykle dobrze znane, konwertowany przez odbiornik i system filtrujący 32 na sygnały 100 cps, 300 cps, 1 KC, 3 KC, 10 KC, 30 KC i 100 KC. Należy oczywiście zachować ostrożność, zgodnie z najlepszymi znanymi praktykami projektowania, aby uniknąć wprowadzenia nawet małych przesunięć fazowych do któregokolwiek z siedmiu sygnałów wyjściowych odbiornika i systemu filtrującego 32.

Stabilny oscylator 34 jest podobny pod względem stabilności częstotliwości do oscylatora 20 (FIG.2) i zazwyczaj wytwarza sygnał 5 MC, który jest utrzymywany w synchronizacji lub w koincydencji fazowej z sygnałem wytwarzanym przez oscylator 20. Oscylator 34 jest podłączony do obwodów odliczających 36, które zazwyczaj wytwarzają sygnały wyjściowe 100 cps, 300 cps, 1 KC, 3 KC, 10 KC, 30 KC i 100 KC. Obwody odliczające 36 działają podobnie do obwodów odliczających 22 (Fig. 2), ale mogą się znacznie różnić pod względem rozmiaru i wagi, ponieważ obwody na satelicie będą, z oczywistych względów, zaprojektowane tak, aby były małe i lekkie.

Mierniki fazowe 38 są podłączone do odbioru siedmiu sygnałów wyjściowych z odbiornika i systemu filtrującego 32 oraz siedmiu sygnałów odniesienia z obwodów odliczających 36 i pełnią funkcję zasilania rejestratorów 40 w celu zapewnienia zapisu różnicy faz między sygnałami 3KC obu systemów 32 i obwodów 36 itd. Siedem indywidualnych porównań faz przy różnych częstotliwościach dostarczonych przez rejestratory 40 umożliwia nawigatorowi określenie zasięgu satelity bez niejednoznaczności i z dobrą rozdzielczością. Innymi słowy, porównanie faz niskich częstotliwości nie jest niejednoznaczne, ale nie zapewnia wysokiej dokładności, podczas gdy pomiar fazy sygnałów o wysokiej częstotliwości, które są niejednoznaczne, ponieważ zapis nie rozróżnia różnic fazowych 20°, 380°, 740° itd., zapewni pomiary o wysokiej dokładności.

Wysoce stabilne oscylatory 20 i 34 (które znajdują się odpowiednio na satelitach 12 i 16 oraz na statku nawigatora 10) wytwarzają 5 sygnałów MC, które są praktycznie zsynchronizowane fazowo i które są zmieniane przez obwody odliczające 22 i 36 (które znajdują się odpowiednio na satelitach 12 i 16 oraz na statku nawigatora 10) na sygnały 100 cps, 300 cps, 1 KC, 3 KC, 10 KC, 30 KC i 100 KC, które są również, częstotliwość po częstotliwości, praktycznie zsynchronizowane fazowo. Siedem obwodów odliczających wysyła sygnały na każdym z satelitów 12 i 16 moduluje sygnał częstotliwości nośnej, który może być (ale niekoniecznie jest) syntetyzowany z sygnału oscylatora 5 MC. Każdy z modulowanych sygnałów nośnych jest nadawany i selektywnie odbierany (częstotliwość nośna na każdym satelicie jest inna) przez sprzęt na stanowisku nawigacyjnym na statku 10.

Po demodulacji przez odbiornik i system filtrujący 32, siedem sygnałów składowych jest porównywanych, częstotliwość po częstotliwości, z siedmioma sygnałami odniesienia wytwarzanymi przez obwody odliczające 36, których różnice fazowe są wskazaniami czasu przejścia sygnałów przesyłanych przez satelity, a zatem miarą zasięgu satelitów. Ponieważ nawigator zna (z przygotowanych tabel) dokładną lokalizację satelitów 12 i 16, możliwe jest określenie z zasięgów satelitów LOP 14 i 18 oraz określenie położenia statku nawigatora 10 z przecięcia  LOP 14 i 18.

SUPLEMENT

Trilateracja to proces określania położenia na podstawie przecięcia sfer. Kiedy odbiornik odbiera sygnał z jednego z satelitów, oblicza jego odległość od satelity, biorąc pod uwagę sferę 3-D, w której satelita znajduje się w środku sfery. Kiedy odbiornik robi to samo z 3 innymi satelitami GPS, odbiornik przechodzi do znalezienia punktu przecięcia 3 sfer, aby obliczyć swoje położenie. Kiedy położenie odbiornika zostanie obliczone, urządzenie GPS może łatwo obliczyć:

• Prędkość
• Trasę
• Odległość do celu

Różnicowy GPS[DGPS]

DGPS to udoskonalona wersja GPS-u, która zapewnia większą dokładność lokalizacji.  Odbiornik GPS, zwany również stacją bazową, musi zostać zainstalowany w dokładnie znanym miejscu; Odbiornik stacji bazowej oblicza swoją pozycję na podstawie sygnałów satelitarnych i porównuje ją ze znaną lokalizacją; Różnica między dwoma lokalizacjami jest stosowana do danych rejestrowanych przez odbiornik GPS; Zapewnia dokładność pomiaru położenia w zakresie od metra do centymetra.

DGPS wykorzystuje sieć stałych stacji naziemnych do nadawania różnicy między pozycjami wskazanymi przez systemy satelitarne GPS a znanymi stałymi pozycjami. Stacje te nadają różnicę między zmierzonymi pseudoodległościami satelitarnymi a rzeczywistymi pseudoodległościami, a stacje odbiorcze mogą korygować swoje pseudoodległości o tę samą wartość. 

Jak działa GPS? [RS Elektronika] #130