GLOBE 2003 SYSTEMY GPS PODSTAWY Global Positioning System

GLOBE 2003 SYSTEMY GPS – PODSTAWY Global Positioning System Konrad Bajer Uniwersytet Warszawski kbajer@fuw. edu. pl £ Instytut Geofizyki www. igf. fuw. edu. pl £ Centrum Badań nad Środowiskiem Przyrodniczym odiee. geo. uw. edu. pl £Center for Small-Scale Atmospheric Research cessar. fuw. edu. pl Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki

Czym jest GPS ? NAVSTAR GPS Navigation Satellite Timing And Ranging System 24 satelity na orbitach wokółziemskich Wyznaczanie pozycji, nawigacja i precyzyjny pomiar czasu Działają 24 godziny na dobę przy każdej pogodzie Używane wszędzie tam, gdzie potrzebna jest dokładna znajomość położenia GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 2

www. montana. edu/places/gps Z czego składa się GPS ? v v v Satelity na orbicie Kontrola naziemna Użytkownicy • 1978 Pierwszy satelita Block 1 umieszczony na orbicie w roku. • 1986 Katastrofa Challengera opóźnia budowę systemu. • 1989 Pierwszy satelita Delta 2. System GPS jest pod kontrolą Departamentu Obrony USA GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 3

Satelity GPS (maj 2003) ta N AV S TA R minimum: 24 1400 - 1900 kg Sa teli electronics. howstuffworks. com/gps 1. htm 28 na orbicie 5 m szer. trwałość 7, 5 roku Lockheed Martin SV 11 • Panele słoneczne • Baterie Ni-Cd • 4 zegary atomowe GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 4

physics. syr. edu/courses/PHY 312. 03 Spring/GPS. html Orbity satelitów GPS • Okres obiegu ok. 12 h • Codziennie wyłaniają się znad horyzontu o 4 min. wcześniej • 24 satelity w sześciu płaszczyznach orbitalnych nachylonych pod kątem 55 do płaszczyzny równika. Wysokie orbity są stabilne • Odległość od Ziemi ok. 20 000 km. • Dla porównania satelity TV (geostacjonarne) 42, 245 km GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 5

Sygnały GPS £ Satelity nadają sygnały radiowe (mikrofalowe) na dwóch częstotliwościach nośnych (moc 300 -350 W): L 1: 1575. 42 MHz kod C/A – cywilny kod P/Y – wojskowy L 2: 1227. 60 MHz kod P/Y – wojskowy £ Dostępne są dwie usługi: Standard Positioning System (SPS) Dokładność przed wyłączeniem zakłócania (Selective Availability) ok. 100 m. Obecnie (po 1 maja 2000) < 13 m (22 m pion) Precise Positioning System (PPS) Dokładność nominalna poniżej 1 m £ Sygnał nie przenika przez przeszkody. Odbiornik musi „widzieć” satelity. Problemy pojawiają się w dżungli i w miejskich „kanionach”. GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 6

Almanach satelitów i Almanach satelitów jest to kompletna informacja o wszystkich przewidywanych orbitach satelitów. i Almanach nadawany jest przez satelity razem z sygnałem czasu i Odbiornik GPS automatycznie wczytuje almanach za każdym razem, kiedy włączony jest przez czas dłuższy niż 15 min. i Dane almanachu są aktualne ok. 30 dni. Odbiornik nieużywany przez dłuższy czas pozostawić przez ok. 30 min. w miejscu gdzie widoczna jest większość nieba. i Dane almanachu są odbiornikowi potrzebne do oceny dostępności satelitów i wyświetlania ich położenia. GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 7

Kontrola naziemna Stacje monitoringu śledzą wszystkie satelity precyzyjnie mierząc w jakiej odległości się znajdują. Stacja Centralna (Master Control Station - MCS) przetwarza dane obliczając trajektorie satelitów MCS poprzez anteny naziemne przesyła dane o położeniu i trajektorii do satelitów. Satelity nadają informacje: 1) Położenie i czas 2) Almanach - obliczone (przewidywane) trajektorie 3) Poprawki do orbit otrzymane z MCS GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 8

Wyznaczanie odległości od satelity Zegary satelitów i odbiornika są dokładnie zsynchronizowane Satelity i odbiorniki generują ten sam pseudolosowy kod (patrz rysunek) Z przesunięcia kodu własnego i kodu otrzymanego z satelity odbiornik może obliczyć odległość do satelity Dodatkowe komplikacje są spowodowane tym, że prędkość rozchodzenia się sygnału zależy od stanu atmosfery (zawartość wody) i wysokości satelity (teoria względności) GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 9

Wyznaczanie pozycji (2 D) GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 10

electronics. howstuffworks. com/gps 2. htm Wyznaczanie pozycji (3 D) GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 11

Sygnał czasu tycho. usno. navy. mil Oficjalny wzorzec czasu dla Departamentu Obrony USA, dla GPS oraz oficjalny czas dla Stanów Zjednoczonych GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 12

www. eng. auburn. edu/department/an/Teaching/BSEN_6220/GPS Synchronizacja zegara odbiornika GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 13

www. eng. auburn. edu/department/an/Teaching/BSEN_6220/GPS Synchronizacja zegara odbiornika GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 14

Zastosowania Ë TRANSPORT Drogowy Kolejowy Lotniczy Publiczny Morski Ë SIECI ENERGETYCZNE Pomiar czasu z dokładnością mikrosekundową pozwala zlkalizować miejsce awarii z dokładnością do 300 m, co jest równe odległości między słupami Prace poszukiwawcze, np. pozycjonowanie platform wiertniczych. Ë TELEKOMUNIKACJA Precyzyjna lokalizacja telefonów komórkowych Serwisy informacyjne zależne od lokalizacji telefonu Procedury ratunkowe zależne od położenia ratowanego. Wycena usług zależna od położenia (strefy „biznesowe” i „mieszkaniowe”) GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 15

Zastosowania Ë SZYFROWANIE Precyzyjny sygnał czasu może być podstawą skutecznych i powszechnych metod szyfrowania finanse, bankowość, ubezpieczenia certyfikacja dokumentów elektronicznych Ë ROLNICTWO Łatwa i szybka rejestracja obszarów zajmowanych pod poszczególne uprawy Precyzyjne stosowanie chemikaliów Ë ŚRODOWISKO Badanie stanu atmosfery Monitorowanie gatunków zwierząt Ë POMOC LUDZIOM NIEPEŁNOSPRAWNYM Informacja o położeniu i wskazywanie drogi niewidomym (zastępuje mapę) Planowanie trasy dla ludzi na wózkach inwalidzkich (programowalne wózki) Pomoc dla ludzi z zanikami pamięci (choroba Alzheimera) Systemy informacji w środkach transportu publicznego GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 16

Badanie atmosfery GPS Atmosphere Sounding Project (GASP) www. gfz-potsdam. de/pb 1/GASP Geo. Forschungs. Zentrum Potsdam (GFZ) Całkowita zawartość pary wodnej w atmosferze w ciągu ostatnich 24 godzin Water Vapor Estimation from Ground GPS Networks & Assimilation into Atmospheric Models GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 17

Patrz "The height of precision" na stronie www. gpsworld. com/gpsworld Ekstremalna precyzja – drgania budynków Dokładność 7. 6 mm !!! GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 18

Europejski GPS Projekt europejskiego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS) ] GNSS I (EGNOS) European Geostationary Navigation Overlay System Ma być uruchomiony w roku 2004. Składa się z trzech satelitów geostacjonarnych, 34 stacji naziemnych i trzech centrów kontroli. Wykorzystuje zarówno sygnał amerykańskiego GPS, jak i rosyjskiego GLONASS (GLObal Navigation Satellite System) Poprawi w Europie dokładność z obecnych 20 m do 5 m. Przeznaczenie wyłącznie cywilne, głównie dla transportu. ] GNSS II (GALILEO) Europejski odpowiednik amerykańskiego GPS. Ma konkurować z GPS, ale oba systemy mają wspólnie tworzyć system ogólnoświatowy (GNSS). GALILEO ma kosztować $ 3, 5 mld i być gotowy w roku 2008. EGNOS będzie konieczne dla integracji GPS i GALILEO. Stany Zjednoczone próbowały zahamować budowę niezależnego systemu europejskiego. GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 19

EGNOS i GALILEO Dokładność pozioma obecnego GPS 27 satelitów na 6 -ciu orbitach geostacjonarnych. Możliwa rozbudowa do 31 -32 satelitów minimum 21 + 3 zapasowe Dokładność pozioma GPS + EGNOS 3 dodatkowe satelity + 34 stacje naziemne Planowane uruchomienie 2004 Dokładność pozioma GALILEO 30 nowych satelitów europejskich na 3 orbitach 23 616 km nachylonych 56 do płaszczyzny równika Planowane uruchomienie: 2008 GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 20

WAAS – EGNOS - MSAS Regionalne systemy wspomagające GPS Poprawiają dokładność GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 21

Stacje EGNOS GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 22

EGNOS dzisiaj 3 satlity geostacjonarne transmitujące poprawki GPS ] System uruchomiono 28 lipca 2005 (faza wstępna) ] Na początek roku 2006 planowane jest oficjalne ogłoszenie dostępności sygnału ] W roku 2007 ma być ogłoszona dostępność sygnału dla systemów ratujących życie ] SISNet – transmisja sygnału EGNOS w Internecie. Dostępny, na przykład, poprzez GPRS (niezależnie od widoczności satelitów geostacjonarnych EGNOS) Odbiorniki EGNOS: http: //esamultimedia. esa. int/docs/egnos/estb/SBAS_receivers. pdf GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 23

Odbiorniki GARMIN 12 GARMIN 72 GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 24

Ekrany GARMINa 12 GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 25

„Status screen” (ekran statusu) § Searching § Auto. Locate § Acquiring § 2 D Nav § 3 D Nav § 2 D diff § 3 D diff § Not usable Szuka satelitów Zbiera informacje o położeniu sat. Zbiera wstępne dane Ustalił pozycję 2 D, czeka na 3 D Normalnie działa i sledzi pozycję Ustalił poz. 2 D różnicowo, czeka na 3 D W pełni sledzi pozycję różnicowo Nie był w stanie obliczyc położenia. Wyłącz i włącz ponownie § Poor Coverage Nie może obliczyć położenia, będzie próbował nadal. § Enter Altitude Do rozpoczęcia obliczeń niezbędne wprowadzenie przybliżonej wysokości. § Simulator Praca symulacyjna (demo). Udaje ruch GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 26

„Track screen” (ekran pozycji) § TRACK § SPEED § TRIP § ALT § POSITION § TIME Kierunek, w którym się poruszamy Pozioma składowa prędkości Dystans, jaki pokonalismy Wysokość Położenie geograficzne w stopniach i minutach decymalnych Czas (Czas Uniwersalny) Jednostki można wybierać Wysokość nie będzie pokazana jeśli odbiornik namierzył tylko pozycję 2 D GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 27

GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 28

Czasy ]Czas uniwersalny UTC – czas jednakowy w każdym miejscu kuli ziemskiej ]Czas urzędowy (local time) – zależy od długości geograficznej oraz pory roku. W Polsce czas urzędowy jest przesunięty o 2 godziny do przodu względem UTC w okresie letnim oraz 1 godzinę w zimie. Przykład: 10 czasu urzędowego w letniej porze roku odpowiada 8: 10 czasu UTC. ]Wszystkie pomiary w GLOBE powinny być raportowane w czasie uniwersalnym Południe lokalne- moment górowanie Słońca nad horyzontem. W środkowej Polsce przypada on na godzinę 10: 30 UTC co oznacza że w lecie południe lokalne występuje o godzinie 12: 30 zaś w zimie około 11: 30. Południe lokalne przesuwa się o 1 godzinę na 15 stopni szerokości geograficznej GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 29

Czasy Przykład: ] Jeśli na szerokości geograficznej 23 o E południe lokalne występuje o godzinie 12: 15 czasu urzędowego to na szerokości geograficznej 18 o E występuje o godzinie: (23 -18)/15=1/3 h Zamieniamy 1/3 godziny na liczbę minut: 1/3*60=20 minut. 12: 15 – 20 minut (minus bo przesuwamy się na zachód). Przesuwając się na zachód południe lokalne wypada wcześniej zaś na wschód później. Południe lokalne wypada wiec o 11: 55 Sposoby wyznaczania południa lokalnego: 1) Na podstawie czasu wschodu i zachodu Słońca 2) Na podstawie GPS 3) Na podstawie pomiarów cienia przy pomocy gnomonu (umożliwia wyznaczenie deklinacji magnetycznej) ] Przykład Wschód Słońca 5: 40 zachód Słońca 19: 50 Obliczamy sumę: 5: 40+19: 50=23 h 90 m= 24 h 30 m Dzielimy otrzymana godzinę na pół: 12 h 15 m GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 30

Przeliczanie jednostek Zamienianie stopni /minut/ sekund na układ dziesiętny. Przykład: Mamy następującą szerokość geograficzna: 52 o 34’ 12’’N i chcemy ja zamienić na liczbę stopni w systemie dziesiętnym. Zamieniamy liczbę sekund na minuty 12’’/60=0. 2’ Mamy zatem: 52 o 34. 2’N Następnie zamieniamy minuty na stopnie 34. 2/60=0. 5700 o zaokrąglając do 4 cyfr po przecinku. Otrzymujemy wiec 52. 5700 o N Odwrotnie Wychodzimy z wartości 52. 5700 o N Z części ułamkowej 0. 5700 obliczamy liczbę minut 0. 5700*60=34. 20’ Liczbę sekund obliczamy z części ułamkowej 0. 20*60=12 Zatem mamy 52 o 34’ 12’’N GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 31

Pomiar pośredni 1. 2. 3. 4. Wyznacz lokalną deklinacje magnetyczną W Polsce wynosi 71 o. N 96 o. W (biegun północny), -72 o. S 155 o. E (biegun południowy) Zaznacz miejsce pomiaru docelowego. Spróbuj, czy da się wykonać pomiar bezpośredni 5. Za pomocą kompasu wyznacz północ magnetyczną 6. Uwzględniając deklinację oblicz i wyznacz kierunek północy geograficznej 7. Idź dokładnie na północ lub dokładnie na południe od miejsca pomiaru docelowego aż trafisz na miejsce gdzie możliwy jest pomiar GPS. To będzie punkt pomiaru pośredniego. 8. Zanotuj, czy szedłeś na północ, czy na południe. 9. Taśmą mierniczą lub „stopkami” zmierz odległość, jaką przeszedłeś. 10. Zmierzoną odległość podziel przez 1855 m/minutę, aby otrzymać różnicę położeń wyrażoną w decymalnych minutach kątowych. 32 Uniwersytet Warszawski GLOBE 2003 Instytut Geofizyki

Deklinacja magnetyczna ]Wartość odczytana z mapy powinna być dodana do 0 o i wówczas wskazuje prawdziwy kierunek północny GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 33

Arkusz pomiaru pośredniego GPS GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 34

GLOBE 2003 Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki 35