Mindennapi navigci mholdakkal Szentpteri Lszl Mobil 06 209
Mindennapi navigáció (műholdakkal) Szentpéteri László Mobil: 06 -209 -316 -890 E-Mail: laszlo_sztp@3 tc. hu
Program • • • A műholdas navigáció alapjai A GPS mérések és a helymeghatározás elve Néhány navigációs kifejezés A GPS technika néhány alkalmazási területe A GPS vevőberendezések felépítése, elemei
A műholdas navigáció alapjai
A műholdas navigáció alapjai • • A LORAN és a TRANSIT A NAVSTAR GPS A GPS űrszegmense A GPS vezérlőszegmense
A legelterjedtebb (kvázi globális) navigációs rendszerek • LORAN Folyamatosan működik (még vagy tíz évig) – Kb. 300 m pontosság – LAT/LON – Nem globális (földi telepítésű) rendszer – • TRANSIT – – – – NNSS (Navy Navigation Satellite System), vagy Doppler-rendszer 1500 km-es poláris pálya Egy vonulás 10 -15 perc Napi max. 16 helymeghatározás Több száz méteres pozíció néhány óra Szub-méter kb. 3 nap Az egész világon LAT/LON/HGT
NAVSTAR GPS • Navigation Satellites for Timing and Ranging • Global Positioning System • Két katonai program házassága 1973 -ban: – – Naval Research Laboratory - TIMATION program Air Force - 621 B Project • GPS: NAVSTAR és GLONASSZ (? ) – – – 365 nap, napi 24 óra Időjárás független Valóban globális • Pontosság – – – egy vevővel tíz méter körül DGPS-ben 1 -5, illetve szub-méter Pontosság fázisméréssel cm-es
NAVSTAR GPS (2. ) • Irányító: Department of • • Defense A rendszer tesztje földi adókkal a hetvenes évek közepén (pseudo-satellites, pseudolites) Első tesztműhold 1978 (Block I) "Operational satellites" 1989 -től (Block II & Block IIA) Következő generációs műholdak (Block IIR) a kilencvenes évek közepe óta már szintén "repülnek".
A GPS "szegmensei" Űr- (vagy műhold) szegmens • – – 24 műhold (általában több) 6 pályasíkban Földi- (vagy vezérlő) szegmens • – – – MCS Colorado Springs MS Ascension-szg, Cape Canaveral, Colorado Springs, Diego Garcia, Hawaii, Kwajalein, Feladó Állomások a fenti hatból négy Felhasználói szegmens • – GPS vevők és feldolgozó szoftverek
A GPS űrszegmense – pályára állítás
A GPS űrszegmense - pályák • • Legalább 24 műhold 6 pályasík 55 -59 fokos inklináció Pályasíkonként 4 hold – – – Korábbi publikációkban 21 plusz 3 tartalék, Még korábban 18 + 3 • 20. 183 km magas pálya • Keringési idő: 11 h 58 min • Pályamagasság okai: – ? ? ?
A GPS űrszegmense – jelstruktúra • Két vivőfrekvencia: L 1 - 1575. 42 Mhz L 2 - 1227. 6 MHz – – • Három modulációs mód: PRN (Pseudo Random Noised) kódok – Polgári C/A-kód • L 1 – -160 d. Bw Katonai P-kód (Y-kód, ha tovább titkosítják) • L 1 L 2 – – -163 d. Bw -166 d. Bw Navigation message (NAVDATA) – • • L 1 L 2
A GPS űrszegmense - PRN kódok • C/A-code Coarse Acquisition Code Milliszekundumonkénti ismétlődés – Minden műhold saját kódot generál – Adás: 1. 023 MHz transmission rate – • P-code Precise Code Ismétlődési idő: 267 nap – Minden műhold 7 napos szegmenseket generál – Adás: 10. 23 MHz transmission rate – C/A P
A GPS űrszegmense – a vivőfázis f 0 x 120 f 0 x 154 f 0 • A szignál a fedélzeti atomóra által előállított alapfrekvencia többszöröződésével keletkezik. Az alapfrekvencia: f 0 = 10. 23 MHz • L 1 is 154 x f 0 = 1575. 42 MHz, azaz a hullámhossz: 0, 19 m • L 2 is 120 x f 0 = 1227. 6 MHz, azaz a hullámhossz: 0, 24 m
A GPS űrszegmense – a fázis jellemzői • • • A vivőfázis a hullámhosszal (l) és a frekvenciával (f) jellemezhető A frekvencia és a hullámhossz között, a következő kapcsolatok léteznak: l=c/f ; és f=c/l; ahol c = a fénysebességgel (2. 99792458 x 108 m/s) A nagyobb frekvenciákhoz rövidebb hullámhossz (és fordítva) tartozik.
A GPS űrszegmense – a sugárzott jelek
A GPS űrszegmense: NAVDATA • "Navigation Message", vagy NAVDATA – 1500 bit, 50 bps • • • GPS System time ( Z count, Z-szám) SV Ephemeris (műhold efemerisz) SV Clock corrections (órakorrekciók) SV health (egészségi állapot) SV almanacs (almanah) Ionosphere model parameters (ionoszféra modellek) ? ? ? Más megoldás az ionoszféra problémára ? ? ? User Range Accuracy (Felhasználói távolságmérési hiba) Hand Over Word
A vezérlőszegmens • 6 monitor és feladó állomás (Department of Defense) • Valamennyi monitoroz, azaz Veszi a műholdak (minden lehetséges) jelét Meteorológiai adatokat gyűjt (inoszféra modellekhez) Adatokat küld az MCS-be – – – • MCS (Master Control Station) Korrekciókat számol (lásd később) és elküldi a feladó állomáshoz – • Feladó állomások elküldik: • • Pálya-előrejelzést Műhold órakorrekciókat Ionoszféra modelleket (alapvetően a NAVDATA tartalmazza) SV parancsok
A GPS mérések és a helymeghatározás elve
A GPS mérések és a helymeghatározás elve • • Mit kapunk a GPS-től? Hogyan működik a GPS? Milyen pontos a GPS? Hibahatások
Mit kapunk a GPS-től? (1. ). . . egy lehetőséget, hogy pontosan kiszámoljuk: • A pozíciót • Earth Centered Earth Fixed (ECEF) koordináták • Latitude • Longitude • Height/Altitude • Időt • Sebességet Sok GPS vevő, illetve szoftver outputja a Lat/Lon/Alt (WGS-84 DATUM) mint alapértelmezés ? ? ? Gond-e ez ? ? ?
Mit kapunk a GPS-től? (2. ) A DÁTUM tulajdonképpen egy speciális orientációs rendszer, amely egy referencia-ellipszoidot Az 8 paraméterrel írja le. Európához Pozíciója a hálózatnak (3 elem) A hálózat tájolása (3 elem) A referencia-ellipszoid paraméterei (2 paraméter) illeszkedő ellipszoid A helyi dátumokat úgy tervezik, hogy az ellipszoid legjobban az adott területen illeszkedjen épp ezért a Föld más részein pontatlanságok lehetnek. Az Észak. Amerikához illeszkedő ellipszoid
Mit kapunk a GPS-től? (3. ) • ALTITUDE REFERENCE (azaz magassági referencia) • • Height Above the Ellipsoid – HAE (ellipszoid feletti magasság) – Ellipszoid: a Földfelszín, szabályos, matematikai modellje Mean Sea Level – MSL (tengerszint feletti magasság) – Geoid: - Az azonos gravitációs értékű pontokat összekötő felszín (ekvipotenciális felület), amely legjobban a tengerek felszínénél illeszkedik a földgömbre MSL Geoid HAE Felszín Ellipszoid
Hogyan működik a GPS? – négy lépés… 3 2 1 Adjunk különféle további adatokat a távolságmérésekhez, pl. : troposzféra és ionoszféra információk, efemerisz adato NAVDATA, RTCM. Műholdak távolságának meghatározása A legjobb műholdak kiválasztása 4 Számítsuk ki a (földi) pozíciót
Hogyan működik a GPS? 1. A legjobb holdak kiválasztása • A kiválogatás általában az alábbiak szerint történik: – – – Satellite Health – közvetlenül a műholdról Satellite Elevation - számítással A legjobb GDOP, PDOP – számítással Valamennyi fenti információ az Almanah, vagy Efemerisz adatokból is kinyerhető • Befogás és követés • – – – Carrier (vivő(fázis)) Code (kód) Data (adat)
Hogy működik a GPS? 1: A legjobb holdak kiválasztása (2. ) • Almanac (Almanah) – – – • A műholdak pozícióinak durva számításához tartalmaz adatokat. A műholdak mindaddig azonos almanahot küldenek, amíg feltöltéssel ki nem cserélik. Nagyjából 2 -3 hónapig jó (ha a műholdat nem cserélik le, vagy nem áll le. ) A vevő előzetes műhold láthatóság-számításra használja, mindaddig, amíg a műholdat TÉNYLEGESEN nem követi, vagy amíg a műholddal nincs kapcsolat. Esetleg előzetes tervező-szoftvereket is használhatunk (tegnap, ma, holnap) Ephemeris (effemerisz) – – – A műholdak pontos pozíció-számításához tartalmaz adatokat Minden egyes műhold saját effemeriszt küld! Ezt már felhasználjuk a vevőnk pozíció számításában Óránként frissítik, és a vevő ez alapján folyamatosan számolja a holdak láthatóságát. A tervező programokat ezzel töltjük fel.
Hogy működik a GPS? 1: A legjobb holdak kiválasztása (3. ) Befogás: • Az L 1, vagy az L 2 vivő (vagy akár mindkettő) kiválasztása • A követésre tervezett műholdakéval megegyező PRN-kód generálása a vevőben – A kódot mindaddig tologatjuk, amig rá nem illik valamelyik vett kódsorozatra (korrelál) • A korreláció: – Több műhold működését azonos frekvencián (CMDA) – Magasabb jel-zaj viszony (SNR) – Biztosítja az egyutas távolságmérést (Ranging) • Maradjunk rajta és dekódoljuk az adatsort.
Hogy működik a GPS? 2: A távolság meghatározása • Használjuk ezt az egyszerű formulát: Távolság = sebesség x idő Távolság: (RANGE) a műholdig Idő: a jel futásideje a műholdtól a vevőig • Mikor hagyta el a műholdat • Mikor érkezett be a vevőbe? – Sebesség: itt a fénysebesség – – Műholdidő (SV Time) Felhasználói idő (User time)
Hogy működik a GPS? 2: A távolság meghatározása (2. ) • Mikor hagyta el a jel a műholdat? – Az "SV time" kisugárzásra kerül a NAVDATA-ban • Mikor érkezett a jel a GPS-vevőbe? A felhasználó vevőjében is van óra, de az általában nincs szinkronizálva a GPS-időhöz. Épp ezért a PRN-kódot fogjuk használni Generáljunk a vevőben a műhold által sugárzott kóddal Hasonlítsuk össze a vett (műhold) és az előállított (vevő) kódsorozatot. – – – • – Lesz egy időeltolás a kettő között Addig mozgatjuk (toljuk) a saját kódunkat, amig nem illeszkedik a műholdról sugárzott kódra. • Az "időeltolódás" tulajdonkőppen a jel utazási időtartama
Hogy működik a GPS? A távolság meghatározása (3. ) • A range (távolság), csak pseudo-range (áltávolság), a felhasználó vevőjének órahibája miatt. . .
Hogy működik a GPS? 3: Addjunk hozzá pár ismert információt • Vegyük figyelembe az ismert (műholdas) távolságmérési hibát: – – – • ionoszféra troposzféra effemerisz műhold óra-hiba A vevő órahibája stb. Esetleg adjuk hozzá a DGPS-korrekciót – Mi az a DGPS korrekcio?
Hogy működik a GPS? (9. ) 4: Számítsuk ki a pozíciót • • • Távolságmérés az 1. műholdra: valahol egy gömbön vagyunk Távolságmérés a 2. műholdra: valahol két gömb metszetében, azaz egy kör-szeleten vagyunk Távolságmérés a 3. műholdra: két pont maradhat, melyek egyike a pozíciónk. (A fenti két pontból az egyik általában kizárható, mert a világűrben van, vagy túl gyorsan mozog, stb. ) Persze, ha egy negyedik mérést is végzünk, akkor a fölös pont 100% -os biztonsággal kizárható.
Milyen pontos a GPS? • Több tényezőtől függ – – – A vevő műszaki megoldása A távolságmérés módszere További rendszerhibák • Az USA kormánya ronthatja a GPS pontosságát • (? ? ? Hogyan ? ? ? ) – – – SA/A-S Selective Availability/Anti-Spoofing Ellenséges erők ne tudják kihasználni. . . Ha az S/A-t bekapcsolják, a legjelentősebb hiba lehet !!! S/A az Öböl-háború előtt, alatt és után !!! S/A kikapcsolása és okai !!!
Milyen pontos a GPS? (2. ) • Abszolut helymeghatározás: egyetlen vevővel – L 1 C/A-code (Standard Positioning Service SPS) • “With SA activated” (azaz, ha működik az SA) – – • 100 m – horizontális 2 D pontosság 150 m – függőleges pontosság 120 m – 3 D pozíció 350 nsec – idő, illetve 0. 3 meters/sec – sebesség-vektor (3 D) SA nélkül a garantált pontosság 10 -15 méter – L 1 és/vagy L 2 P-code (Precise Positioning Service -PPS) • • Y-kód szükséges, amikor az AS (Anti-Spoofing) aktív 11 - 12 m – horizontális 2 D pontosság 17 - 19 m - függőleges pontosság 90 - 200 nsec – idő, illetve 0. 1 meters/sec – sebesség-vektor (3 D)
Milyen pontos a GPS? (3. ) • Differential GPS (Differenciális GPS) • Csak L 1 C/A-kód – Helymeghatározási pontosság: • Szub-méter a szélsőpontosságú GPS vevőkkel • 1 -5 méter a vevők jelentős részével • Legalább 1 referncia GPS-vevőt (vagy bázis GPSvevőt) és egy vagy több mobil vevőt igényel • Utófeldolgozott, vagy real-time • Gyakorlatilag azonnal "feláll" a rendszer – Idő átvitel • Jobb mint 0. 1 µs • Sebesség • A század méter/sec-os tartományban
Milyen pontos a GPS? (4. ) • Geodéziai mérések (Relatív mérés) – Rövid felállások • • Kinematkus, Real-time Kinematikus, Pszeudo-sztatikus, Fast Static (Gyors-statikus) – centiméter – Hosszabb mérések • Statikus geodéziai felmérések – – 1 cm + 2 ppm csak L 1 5 mm + 1 ppm L 1 és L 2
GPS hibahatások • • • Dilution of Precision (DOP) Satellite ephemeris (műhold efemerisz) Satellite clock (műhold órahiba) Ionoszférikus késés Troposzférikus DGPS kiszűri Selective Availability DGPS kiszűri Multipath (többutas jelterjedés) Vevő órahibája Vevő belső késése Hibásan működő műhold(ak) a DGPS kiszűri a a
GPS hibahatások: Műholdgeometria Egy speciális "jelzés" arra, hogy mennyire megbízható a pozíció-számítás • A DOP a műholdgeometria jóságát fejezi ki • A DOP egy olyan többszöröző faktor, amely a bejövő • • hibákat fokozza Minél kisebb a DOP, annál pontosabb a helymeghatározás Amennyiben a teljes helymeghatározási hiba mondjuk 7 méter. . . – A PDOP = 3, akkor a helymeghatározás pontossága 3 x 7 = 21 m. • S/A-val
GPS hibahatások: Órahibák Az egész rendszer a pontos órákon múlik • A mûholdakon fedélzeti atomórák vannak – Ezek pontossága 1 nanoszekundum körüli • A GPS-vevőknek is megbízható órákra van szüksége – – Ugyanakkor abszolut (pontos) idő nem szükséges A vevő képes modellezni az óra-állapotot Negyedik mrés (3 D helymeghatározást) használunk a vevő órahiba kiszűrésére !!! Lerajzolni a 3 plusz 1 mérést !!!
GPS hibahatások: Multipath • Visszaverődés, amiből a vevő hibás műholdas távolságot számol • Tipikus okok: – – – Nyílt vízfelület Fém gabonasilók Házak ereszei és villámhárítói Elektromos távvezetékek Antennafarmok Havas jeges, erdő • Bár a vevők és a belső szoftverek egyre jobban kiküszöbölik, alapvetően a felhasználónak (vagy a rendszer integrátorának) kell odafigyelnie!
Néhány navigációs kifejezés
Néhány navigációs kifejezés • RAJZOLJUNK! – – – – WPT (waypoint) Route (út, útvonal) DST, Dist, Range (távolság) BRG, Bearing ((számított) irány) TRK, Track (valódi irány) VEL, SPD, Velocity, Speed (sebesség) XTE, Cross Track Error (kereszt irányú hiba)
Néhány navigációs kifejezés (2. )
Néhány navigációs kifejezés (3. )
Néhány navigációs kifejezés (4. )
A GPS technika néhány alkalmazási területe
A GPS technika alkalmazási területei: a világpiac számokban
A GPS technika alkalmazási területei: a világpiac alkalmazásokban
A GPS technika alkalmazási területei: Hazai professzionális Vizi közlekedés, szállítás 0, 95% Polgári védelem 1, 13% Rendszerintegráció 1, 13% Vasúti közlekedés, szállítás 1, 14% Olaj és gázszállítás 1, 51% Vezetékes távközlés 2, 08% Vezeték nélküli távközlés 2, 08% Flotta menedzsment 2, 27% Egyebek 2, 27% Távérzékelés 2, 84% Mezőgazdaság 3, 03% Természetvédelem 3, 41% Geológia és geofizika 3, 41% Közúti közlekedés, szállítás 3, 97% Hydrology and Hydrography 4, 16% Építőipar és bányászat 4, 73% Környezetvédelem 5, 68% Közmű 6, 06% Térképészet és topográfia 10, 22% GIS – Földrajzi Információs rendszerek 15, 34% Földmérés és geodézia 16, 85%
A GPS vevőberendezés felépítése, elemei
A GPS vevőberendezés kódmérés • Vevőegység (csak az L 1 -en dolgozik): – GPS – GLONASSZ – GPS+GLONASSZ • Differenciális megoldás – – Nyersadatgyűjtés utófeldolgozáshoz Külső real-time bement (RTCM SC 104 input) Belső real-time DGPS (Omni. Star, Land. Star) WAAS/EGNOS integrált • Csatornaszám: – Korábban szekvenciális – Ma már csak paralell • 8 -12 csatornás (ha csak GPS) • 12 -16 csatornás (ha WAAS/EGNOS is) • 16 -24 csatornás (ha GPS+GLONASSZ)
A GPS vevőberendezés fázismérés L 1 kódmérés • • Fázimérés is – Csak L 1 (csatornaszám 8 -12) – L 1 és L 2 is (csatornaszám 12 -24) • A műholdakra végzett távolságmérés pontossága itt akár 10 -20 cm a kóddal • DGPS-ben 0, 5 -1, 0 méteres pontosság • Fázisméréssel (float): 20 -30 cm-es pontosság • Fázisméréssel (fixed): 1 -2 cm-es pontosság • Speciális (jó, és ismert fázisközpontú) antenna szükséges
A GPS vevőberendezés történelem
A GPS vevőberendezés: kb. 2000 típus
GPS alkalmazások (1. )
GPS alkalmazások (2. )
GPS alkalmazások (3/1. )
GPS alkalmazások (3/2. )
GPS alkalmazások (4. )
Ár = pontosság + robusztusság + alkalmazói szoftver + kiegészítők Alkalmazott GPS technika Pontossági információk Egyéb jellemzők Ár-tartomány (nettó forint) Abszolut GPS 10 -15 m Egyszerű, de lassan eltűnik… 40 -200 e. Ft A jel-vételért nem kell fizetni EGNOS-os DGPS 2 -3 m Egyszerű. A jel-vételért nem kell fizetni 40 -500 e. Ft Omni. Star-os DGPS 0, 5 -0, 8 m Egyszerű. A javító jelért fizetni kell! 0, 5 -1, 0 MFt +évi kb. 250 e. Ft Omni. Star HP kompatib. GPS 0, 05 -0, 20 m Egyszerű. A javító jelért fizetni kell! 4 -6 MFt +évi kb. 1, 0 MFt RTK GPS Pont vizsz: 2 cm Pont függ: 3 cm Bonyolultabb. A javító jelet magunknak kell előállítani! Gépen: 4 -9 MFt Bázis: 4 -9 MFt • Technológia és (ezért) ár függő!
Kérdés?
- Slides: 60