Prinsip dan komponen sistem satelit navigasi global

Materi pelatihan untuk spesialisasi elektronika kelautan dan kelistrikan

Global Navigation Satellite System (GNSS) adalah sistem pemosisian yang dapat memberikan layanan pemosisian dan navigasi tiga dimensi secara global, dalam segala cuaca, presisi tinggi, dan terus menerus kepada kapal. Navigator satelit GPS kapal adalah peralatan yang sangat diperlukan untuk navigasi kapal modern di laut, yang sangat penting untuk menjaga navigasi kapal. Oleh karena itu, untuk memastikan pengoperasian normal sat-nav GPS di kapal pada kapal 750 kW ke atas adalah tugas teknisi listrik elektronik kapal. Proyek ini didasarkan pada peralatan navigasi satelit GPS di kapal yang sebenarnya untuk melaksanakan pengajaran berbasis proyek, yang bertujuan agar siswa dapat secara mandiri menyelesaikan pemeliharaan peralatan navigasi satelit GPS di kapal di tempat kerja mereka di masa depan melalui pengetahuan dan praktik. Navigator satelit GPS tipe FURUNO GP-170 banyak digunakan di atas kapal, bagian ini menggunakan peralatan jenis ini sebagai contoh untuk memulai pengenalan.

I. Gambaran umum sistem satelit navigasi global

Sistem satelit navigasi global terutama mencakup Sistem Pemosisian Global (GPS) Amerika Serikat, Sistem Satelit Navigasi BeiDou (BDS) Tiongkok, Sistem Satelit Navigasi Global (GLONASS) Rusia, dan Sistem Satelit Navigasi Galileo (Galileo) Eropa. Sistem Satelit Navigasi (GLONASS) Rusia dan Sistem Satelit Navigasi Galileo (Galileo) Eropa.

GPS adalah singkatan dari Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System (NAVSTAR/GPS), yang berarti Sistem Penentuan Waktu dan Jangkauan Satelit Navigasi/Sistem Penentuan Posisi Global. Amerika Serikat memulai penelitian sistem navigasi satelit GPS pada akhir tahun 1973, menyelesaikan penempatan awal satelit pada akhir tahun 1993, dan mengoperasikannya secara penuh pada akhir tahun 1995.

GPS dapat menyediakan layanan pemosisian dan navigasi tiga dimensi dalam segala cuaca, presisi tinggi, kontinu, dan hampir seketika untuk seluruh dunia. Diantaranya, kode P, yang terutama digunakan oleh militer dan pengguna kelas atas, memiliki akurasi pemosisian hingga 1m; dan kode CA, yang terutama digunakan oleh warga sipil, memiliki akurasi pemosisian 20 ~ 30m.

II. Komposisi sistem satelit navigasi global

Sistem Satelit Navigasi Global (GNSS) terdiri dari tiga bagian: satelit navigasi, stasiun bumi, dan peralatan pengguna. Satelit navigasi bertanggung jawab untuk mentransmisikan sinyal navigasi, stasiun bumi melacak dan mengendalikan satelit serta menyuntikkan informasi navigasi, dan penerima navigasi yang dipasang pada operator pengguna menerima sinyal satelit untuk mencapai fungsi penentuan posisi dan navigasi.

Satelit GPSKonstelasi desain terdiri dari 24 satelit, termasuk 21 satelit yang berfungsi dan 3 satelit siaga, yang didistribusikan secara merata dalam 6 orbit. Seri satelit BLOK I, II, IIA, dan IIR diluncurkan pada tahap selanjutnya.

Stasiun bumi GPSTerdiri dari tiga bagian: stasiun kontrol utama, stasiun pelacakan dan stasiun injeksi. Stasiun kendali utama bertanggung jawab untuk mengendalikan seluruh sistem satelit, mengevaluasi kinerja navigasi dan menghasilkan ephemeris satelit, dan kemudian mengkodekan informasi navigasi dan mengirimkannya ke stasiun injeksi. Di bawah kendali stasiun kendali utama, stasiun injeksi menginjeksikan informasi navigasi ke dalam satelit sekali atau dua kali sehari.

peralatan penggunaIni adalah navigator satelit GPS, yang terdiri dari perangkat keras, perangkat lunak dan paket perangkat lunak pasca-pemrosesan untuk data GPS. Perangkat keras receiver terdiri dari tiga bagian: unit antena, unit host, dan catu daya. Antena dipasang di luar ruangan dan terhubung ke host melalui kabel. Host terdiri dari inverter, saluran sinyal, mikroprosesor, modul tampilan, dan sebagainya. Saat ini, yang lebih banyak digunakan di laut adalah navigator tipe korelasi kode CA.

III. Prinsip dan Kesalahan Penentuan Posisi

(i) Prinsip penentuan posisi

GPS adalah sistem penentuan posisi dan jarak berbasis ruang angkasa. Pengguna menentukan penundaan propagasi sinyal satelit ke satelit itu sendiri untuk mendapatkan waktu propagasi gelombang di ruang angkasa. Karena kecepatan rambat gelombang elektromagnetik di ruang angkasa diketahui, maka jarak dari pengguna ke satelit dapat dihitung. Untuk penentuan posisi tertentu, pengguna hanya perlu mengukur jarak ke tiga satelit, dan kemudian dia dapat memperoleh tiga permukaan bola dengan satelit sebagai pusat bola dan jarak dari satelit ke pengguna sebagai jari-jari, yang titik perpotongannya adalah posisi spasial tiga dimensi pengguna.

Untuk memecahkan posisi pengguna, posisi satelit pada saat sinyal ditransmisikan harus diketahui dengan tepat. Pengguna memperoleh posisi satelit dengan menerima ephemeris satelit yang terdapat dalam pesan satelit yang dikirimkan oleh satelit GPS.

(ii) Kesalahan penentuan posisi

Jarak yang diukur oleh pengguna menggunakan satnav dipengaruhi oleh dua faktor:

1. Penyimpangan satelit dan jam pengguna
Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, inti dari pengukuran jarak adalah mengukur penundaan (waktu perambatan gelombang), referensi waktu yang terpadu dan akurat sangat penting untuk keakuratan pengukuran. satelit GPS menggunakan jam atom presisi tinggi, yang akurasinya dapat mencapai (0,1 ~ 10) × 10-¹³ / dtk, tetapi kesalahannya akan diakumulasikan dari waktu ke waktu dan tercermin dalam kesalahan pengukuran pengguna. Di sisi lain, pengguna biasa pada umumnya tidak memiliki jam yang akurat, dan penundaan pengukuran mereka akan mencakup kesalahan jam pengguna yang besar.

2. Penundaan perambatan sinyal
Dalam proses perambatan sinyal satelit ke pengguna, sinyal tersebut harus melalui pembiasan ionosfer dan troposfer, yang akan membuat kecepatan perambatan sinyal dan jalurnya berubah, sehingga menghasilkan penundaan dalam perambatan sinyal, yang juga akan membawa kesalahan pada waktu pengukuran pengguna.
Dengan menggabungkan faktor-faktor di atas, jarak yang diukur oleh pengguna menggunakan navigator satelit GPS bukanlah jarak sebenarnya dari pengguna ke satelit, dan oleh karena itu dikenal sebagaijarak semuproses pengukuran jarak semu disebutpseudorange。

3. Penghapusan kesalahan pemosisian
Untuk mendapatkan jarak sebenarnya dari satelit ke pengguna, GPS mengambil pendekatan berikut:
①Satelit GPS menyediakan parameter koreksi deviasi jam satelit dalam pesan satelit yang dikirim ke pengguna.
Satelit GPS mengoreksi kesalahan pembiasan ionosfer dengan mentransmisikan sinyal frekuensi ganda (1575,42 MHz dan 1227,60 MHz). Pada saat yang sama, satelit GPS memberikan koefisien koreksi atmosfer dalam pesan satelit, dan pengguna mengoreksi kesalahan pembiasan troposfer melalui model koreksi, sehingga memecahkan penundaan propagasi sinyal.
(iii) Kesalahan jam pengguna dianggap sebagai hal yang tidak diketahui dan diselesaikan dalam persamaan observasi. Oleh karena itu, pengguna harus menyelesaikan empat hal yang tidak diketahui untuk lokalisasi 3D, yaituSetidaknya 4 sinyal satelit harus diterima(b); ketika melakukan pemosisian dua dimensi.Setidaknya 3 sinyal satelit harus diterima。

IV. Navigator satelit GPS

Saat ini, yang lebih umum digunakan di laut adalah navigator tipe korelasi kode CA. Navigator satelit GPS terdiri dari perangkat keras, perangkat lunak dalam penerbangan, dan paket perangkat lunak pasca-pemrosesan data GPS, dan sebagainya. Perangkat keras navigator satelit termasuk antena, host dan catu daya. Antena dipasang di luar ruangan dan terhubung ke unit utama melalui kabel. Unit utama terdiri dari inverter dan penguat, saluran sinyal, mikroprosesor, dan modul tampilan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2-1-1.

Gambar 2-1-1 Struktur Navigator Satelit GPS

Navigator satelit GPS menerima sinyal satelit yang lemah melalui antena GPS, yang diperkuat oleh preamplifier (untuk meningkatkan rasio signal-to-noise) dan kemudian dikirim ke konverter frekuensi untuk mengubah sinyal frekuensi radio (RF) menjadi sinyal frekuensi menengah (IF). Setelah amplifikasi, sinyal IF dikirim ke loop terkunci fase kode semu dan loop terkunci fase pembawa untuk pencarian kode semu dan frekuensi (pembawa) secara dua dimensi. Loop terkunci fase kode semu digunakan untuk menyelaraskan kode semu pelacakan lokal dengan kode semu yang diterima pada waktunya, untuk mencapai penangkapan dan pelacakan otomatis kode satelit; loop terkunci fase pembawa digunakan untuk menyelaraskan pembawa pelacakan lokal dengan pembawa yang diterima dalam frekuensi dan fase, sehingga mencapai penangkapan dan pelacakan otomatis pembawa satelit.

Kode semu sinyal GPS dibandingkan dengan kode semu pelacakan lokal dalam korelator, dan nilai maksimum dikeluarkan ketika keduanya sama, yang menunjukkan bahwa korelasi mendeteksi sinyal pembawa termodulasi data GPS. Setelah mencampurkan sinyal ini dengan pembawa pelacakan lokal, sinyal kode data GPS terdeteksi, dan sinyal kode data GPS disinkronkan, dideteksi, dan difilter untuk mendeteksi pesan satelit GPS. Perbedaan antara pembawa pelacakan dan osilator referensi lokal adalah pergeseran Doppler; kode semu pelacakan dibandingkan dengan kode semu referensi lokal untuk mengukur penundaan propagasi sinyal dan menghitung jarak semu.

mikroprosesorIni adalah komponen inti dari navigator satelit GPS, dan penerimaan serta pemrosesan sinyal oleh navigator satelit dilakukan di bawah kendali mikroprosesor. Fungsi utamanya meliputi: power-on self-test, pemilihan satelit, pengumpulan data satelit, koreksi kesalahan propagasi atmosfer, pengukuran jarak semu, frekuensi Doppler, penghitungan posisi pengguna, kecepatan, dan informasi navigasi.

Satnav GPS biasanya dilengkapi dengan layar LCD untuk memberikan informasi operasional dan keypad kontrol agar pengguna dapat mengontrol satnav melalui keypad. Beberapa satnav juga memiliki layar besar yang menampilkan informasi navigasi dan peta digital langsung di layar.

Ada dua jenis catu daya untuk satnav GPS:Salah satunya adalah catu daya internal, baterai lithium yang biasa digunakan, yang digunakan untuk memasok daya ke memori RAM untuk menghindari kehilangan data setelah dimatikan; yang lainnya adalah catu daya eksternal, baterai Cadmium-Nikel 12V yang dapat diisi ulang yang biasa digunakan, saat menggunakan catu daya AC, Anda harus melewati catu daya yang diatur atau konverter daya khusus.

V. Sistem navigasi satelit Beidou

Sistem navigasi satelit Beidou adalah sistem navigasi satelit global yang dikembangkan sendiri oleh Tiongkok dan merupakan sistem navigasi satelit dewasa ketiga setelah GPS dan GLONASS.

(i) Komponen sistem

Sistem navigasi satelit Beidou terdiri dari tiga bagian utama: konstelasi angkasa, sistem kontrol darat, dan terminal pengguna. Konstelasi ruang angkasa mengadopsi desain orbit hibrida yang terdiri dari satelit geostasioner (GEO), orbit geosinkron miring (IGSO), dan orbit lingkaran menengah (MEO) untuk membangun jaringan navigasi dengan cakupan global. Sistem Beidou-3 mengerahkan 30 satelit, termasuk 5 satelit GEO (3 satelit yang berfungsi dan 2 satelit cadangan), untuk meningkatkan stabilitas layanan di wilayah Asia-Pasifik.

Sistem kendali darat terdiri dari stasiun kendali utama, stasiun pemantauan, dan stasiun injeksi, yang terutama bertanggung jawab atas pemantauan status satelit, koreksi orbit, dan peningkatan sinyal navigasi. Terminal pengguna terdiri dari peralatan penggunaan ganda untuk penggunaan militer dan sipil, seperti terminal kapal BDMSS dan perangkat genggam, yang memiliki fungsi navigasi dan pemosisian serta komunikasi pesan singkat.

(ii) Prinsip penentuan posisi

BDS menggabungkan teknologi mode ganda untuk pemosisian aktif dan pasif.pemosisian pasifIni adalah mode pemosisian utama BeiDou-3, di mana terminal pengguna menerima sinyal dari setidaknya empat satelit dan menggunakan perbedaan waktu perambatan sinyal untuk memecahkan koordinat tiga dimensi, dengan akurasi pemosisian hingga tingkat meter.pemosisian aktifDengan kata lain, terminal perlu mengambil inisiatif untuk mengirimkan sinyal permintaan ke satelit, yang cocok untuk kebutuhan penentuan posisi yang mendesak dalam area cakupan stasiun bumi. Dengan mengoptimalkan efisiensi transmisi sinyal melalui teknologi tautan antarbintang, BeiDou 3 semakin meningkatkan kecepatan dan akurasi penentuan posisi.

(iii) Fungsi dan fitur inti

BDS dapat menyediakan layanan navigasi dan penentuan posisi secara real-time dalam skala global. Keakuratan pemosisian sipil lebih baik dari 10m, di kawasan Asia-Pasifik keakuratannya dapat mencapai 2 ~ 5m, dan layanan kelas militer bahkan dapat mencapai pemosisian tingkat sentimeter.layanan pesan singkat (SMS)Pesan singkat ini dibagi menjadi dua kategori: regional dan global. Dengan mengandalkan konstelasi satelit GEO, pesan singkat regional mencakup wilayah Asia-Pasifik (10°LU~55°LU, 75°BT~135°BT), dan mendukung tiga mode: spot (transmisi satu titik), multicast (komunikasi grup), dan broadcast (penyebaran informasi regional). Fungsi pesan singkat global yang baru ditambahkan pada Beidou 3 menerobos batasan geografis dan mewujudkan komunikasi darurat global. Selain itu, sistem ini mengadopsi desain sinyal pita multi-frekuensi seperti B1, B2 dan B3, yang secara signifikan meningkatkan kemampuan anti-interferensi dan keandalannya dalam lingkungan yang kompleks.

(iv) Terminal kapal BDMSS dan aplikasi pesan singkat regional

Terminal kapal BDMSS adalah peralatan aplikasi penting BDS di bidang kelautan, yang terutama terdiri dari unit navigasi dan pemosisian, unit kontrol komunikasi, dan modul kemampuan beradaptasi dengan lingkungan. Unit navigasi dan pemosisian mengadopsi teknologi penerimaan sinyal pita multi-frekuensi untuk mencapai akurasi pemosisian tingkat meter, sedangkan unit kontrol komunikasi mengintegrasikan protokol komunikasi khusus BeiDou dan mendukung transmisi terenkripsi pesan singkat. Terminal mengadopsi desain tahan korosi semprotan garam dan sistem catu daya tegangan lebar, yang sejalan dengan standar peralatan maritim internasional dan dapat beradaptasi dengan lingkungan operasi kapal yang kompleks.

Layanan komunikasi pesan singkat regional BeiDou-3 didukung bersama oleh tiga satelit yang mengorbit di orbit geostasioner dan dua satelit siaga, yang mencakup wilayah Asia-Pasifik pada garis bujur 75° hingga 135° BT dan garis lintang 10° hingga 55° LU. Layanan ini menyediakan tiga mode komunikasi sesuai permintaan (transmisi terarah), komunikasi multicast (koordinasi kelompok), dan komunikasi siaran (penyebaran informasi publik). Layanan ini menyediakan tiga mode komunikasi sesuai permintaan (transmisi terarah), komunikasi multicast (kolaborasi grup), dan komunikasi siaran (penyebaran informasi publik), dan digunakan secara luas dalam skenario seperti penjadwalan kapal, penyelamatan di laut, dan peringatan meteorologi. Namun, karena keterbatasan jangkauan jangkauan pancaran satelit orbit geostasioner, terdapat keterbatasan geografis dan keterbatasan kapasitas komunikasi layanan pesan singkat (lihat gambar 1).Transmisi tunggal tidak melebihi 1000 karakterDalam kasus pelayaran samudra, kombinasi sistem komunikasi lain diperlukan untuk mencapai cakupan area penuh.

Perbandingan teknologi sistem GNSS dan daftar praktik

GPS vs Beidou-3 (BDS-3) | Standar Pemeliharaan Navigator Kapal

I. Perbandingan indikator teknis GPS dan BeiDou-3 (BDS-3)

Item parameter	Sistem GPS Amerika Serikat	China Beidou 3 (BDS)
konstelasi satelit	24 buah (6 permukaan trek MEO)	30 (Jalur hibrida MEO + IGSO + GEO)
mode pemosisian	pemosisian pasif murni	Pemosisian aktif + pemosisian pasif (mode ganda)
Akurasi sipil	10 - 30 meter	Global < 10 meter (Asia Pasifik 2 - 5 meter)
Fungsi Unggulan	Cakupan global yang telah terbukti	Komunikasi Pesan Singkat (Tunggal 1000 Kanji)
distribusi frekuensi	L1, L2, L5	B1, B2, B3

Daftar Periksa Pemeliharaan Navigator FURUNO GP-170

1. Pemeriksaan fisik antena: Periksa penutup antena luar ruangan setiap bulan untuk mengetahui apakah ada retakan dan kristal garam laut (yang dapat menyebabkan degradasi sinyal).
2. Verifikasi konektor pengumpan: Periksa apakah konektor TNC/BNC tidak longgar atau berkarat dan radius tikungan pengumpan tidak terlalu kecil.
3. Verifikasi visibilitas satelit: Konfirmasikan di layar [Status Satelit] HDOP (faktor akurasi horizontal) < 4,0Jumlah satelit yang terkunci > 4.
4. Pemeliharaan baterai dalam penerbangan: Ketika prompt power-on “Battery Low” atau [Self-test] ditampilkan, prompt ini tidak akan ditampilkan. NG Apabila baterai diganti, baterai lithium 3V internal harus diganti.
5. Menyiapkan verifikasi: mengenali Datum Geodetik (sistem koordinat geodetik) diatur ke WGS-84 (Standar yang diterima secara global).

Pesan singkat Beidou (Pesan) kirim garis merah

(1) Keterbatasan kapasitas: Pesan singkat regional tidak boleh melebihi 1000 karakter bahasa Mandarin pada satu waktu, setelah itu, sistem akan secara otomatis melakukan segmentasi atau gagal mengirim.

(2) Interval waktu: Kartu sipil biasa biasanya terbatas untuk memancarkan frekuensi Setiap 1 menit/kaliDilarang keras menyebabkan papan terkunci dengan sering menerbitkan ulang.

(3) Keterbatasan geografis: Setelah meninggalkan area cakupan Asia-Pasifik (75°-135° BT), sinyal satelit GEO akan melemah dan perlu beralih ke mode Layanan Pesan Singkat Global.

Materi ini hanya untuk pelatihan langsung internal ETO | Diperbarui: Januari 2026