Technologie GPS aneb Autem a pky za svm
Technologie GPS aneb Autem a pěšky za svým cílem https: //www. stream. cz/uservideo 43919/44573 -geocaching-a-zivotgeocachera
GPS • Správněji GNSS (Global Navigation Satellite System) • Global Positioning System • Vojenský globální družicový systém provozovaný MO Spojených států amerických • Část systému přístupná i pro civilní použití • Roční náklady 600 – 900 M$ (celkem odhad přes 12 G$)
Historie • První lokalizační systémy již za 2. sv. v. , první družicové systémy úhloměrné a dopplerovské (60. léta, Transit, Cikada) • 1973 zahájeny práce na systému NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System) • 1974 – 1979 testy na pozemních stanicích a vytvořeny experimentální přijímače • 1978– 1985 začalo vypouštění 11 vývojových družic bloku I • 1979 byl rozšířen původní návrh z nedostačujících 18 na 24 družic • 1980 doplněny detektory jaderných výbuchů • 1983 oznámenu uvolnění pro civilní použití (KAL 007) • 17. ledna 1994 plná operační dostupnost (24 družic) • 1. 5. 2000 zrušena selektivní dostupnost
Používané systémy • • NAVSTAR GPS (USA) GLONASS (Rusko) Galileo (EU) Compass (Čína)
Navstar GPS • Jediný plně funkční systém • Běžně dostupné přijímače • Civilní i vojenské použití
Princip satelitní navigace • Radiový dálkoměrný systém • známe-li dobu šíření, můžeme vypočítat vzdálenost: x=t. v t v doba šíření signálu rychlost šíření signálu (v = c)
Princip určení pozice • Jedna určená vzdálenost = povrch koule • Dvě vzdálenosti = kružnice • Tři vzdálenosti = 2 body
Problém časové synchronizace • K určení vzdálenosti musíme znát přesnou dobu šíření = nutnost synchronizace hodin (1 mikrosekunda … 300 m) • Na palubě satelitů atomové hodiny • V přijímači „jen“ krystalový oscilátor • Jak zajistit synchronizaci?
Synchronizace hodin • Pozice v prostoru ECEF(X, Y, Z) • Rovnice koule (X − xn)2 + (Y − yn)2 + (Z − zn)2 = [(T − tn)c]2 Kde (x, y, t) je známá pozice družice T je lokální čas přijímače Při znalosti x, y, z, t pro 4 družice můžeme řešit jako soustavu 4 rovnic, výsledek je potom X, Y, Z, T (nebo WGS 84(lat, lon, HAE, UTC) )
Komponenty GPS • Kosmický segment - družice • Řídící segment – pozemní řídící stanoviště • Uživatelský segment - přijímače
Kosmický segment • Projektován pro 24 satelitů (6 drah se skonem 55° po 60° po 4 satelitech, pravidelný rozestup) • Aktuálně 30 satelitů (4 – 6 na dráze) • Kruhová dráha, 20 200 km (doba oběhu 11 hod 58 min) • Hmotnost 1, 8 t, plánovaná životnost cca. 10 let, obměna celého segmentu 20 let • Hydrazinové korekční motory, 3 -osá stabilizace
Dráhy satelitů GPS
Satelity GPS • Vypouštěny po blocích (nyní 6. blok) • Vybaveny 3 -4 přesnými atomovými hodinami (10 -13, rubidiový, dříve cesiový oscilátor) • Antény pro komunikaci s pozemními stanicemi – S pásmo 2204, 4 MHz • Antény UHF pro vzájemnou komunikaci družic • Solární baterie, optické, RTG a EMP senzory (detekce startů balistických raket a nukleárních výbuchů) • 12 RHCP antén pro L pásmo (1000 – 2000 MHz)
GPS IIRM 8
Vysílané signály • L 1 (1575, 42 MHz), vysílán C/A kód dostupný pro civilní sektor • L 2 (1227, 62 MHz), vysílán vojenský P(Y) kód • L 3 (1381, 05 MHz) obsahuje data monitorování startů balistických raket, detekce jaderných výbuchů a dalších vysokoenergetických zdrojů • L 4 (1841, 40 MHz) měření ionosferické refrakce • L 5 (1176, 45 MHz) civilní Safety-of-life (So. L) signál. Tato frekvence spadá do mezinárodně chráněné oblasti letecké navigace. CDMA modulace, DSSS
Informace v signálu • Almanach – informace o jednotlivých družicích. Velikost 37 500 bitů (rychlost 50 bps = 12, 5 min !!!) • Efemeridy - přesné pozice družic • Vzhledem k době načtení almanachu je vhodné zapnout přijímač v místě silného signálu • Úroveň signálu -125 d. Bm (0, 1 u. V), citlivost až 160 d. Bm (2 n. V !!!!!!)
Selektivní dostupnost • • Záměrné vnášení chyby (+/- 100 m) Vypnuta 1. 5. 2010 Může být opět zaktivována Vnášena chybou časových značek (lze kompenzovat) nebo chybou efemeridy
Řídící segment • velitelství - Navstar Headquarters na letecké základně Los Angeles v Californii v USA. • řídicí středisko (MSC, Master Control Station), na letecké základně Schriever USAF v Colorado Springs, 2 nd Space Operations Sq. Záložní řídící středisko (BMCS, Backup Master Control Station) umístěné v Gaithersburg (Meryland, USA) přebírá cvičně 4× do roka řízení systému, v nouzi je připravena do 24 hodin.
Řídící segment • 3 povelové stanice (Ground Antenna), které jsou umístěny na základnách USAF: Kwajalein, Diego Garcia, Ascension Island případně i Cape Canaveral. • 18 monitorovacích stanic (Monitor Stations), které jsou umístěny na základnách USAF: Havaj, Colorado Springs, Cape Canaveral, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein a dále stanice spravující NGA: Fairbanks (Aljaška), Papeete (Tahiti), Washington DC (USA), Quitto (Ekvádor), Buenos Aires (Argentina), Hermitage (Anglie), Pretoria (Jižní Afrika), Manama (Bahrain), Osan (Jižní Korea), Adelaide (Austrálie) a Wellington (Nový Zéland). [13]
Funkce řídícího segmentu • • data pro model ionosférické refrakce predikce dráhy družice, tzv. efemerid korekce atomových hodin přibližné pozice ostatních družic a jejich zdravotní stav
Uživatelský segment • Přijímače: jednofrekvenční dvoufrekvenční vícefrekvenční (připravují se pro pásmo L 5) jednokanálové (používané v raných fázích projektu GPS) vícekanálové • Běžně dostupné přijímače k amatérskému (tj. negeodetickému a nevojenskému) vyžití se vyrábí jako jednofrekvenční, vícekanálové a kódové. • Jednoduchý přijímač signálu GPS pro se skládá z antény, předzesilovače, procesoru, časové základny (často křemíkový krystal o přesnosti <10 -6 s) , komunikačního rozhraní
Uživatelé GPS • autorizovaní uživatelé (vojenský sektor USA a vybrané spojenecké armády) využívají službu Precise Positioning Service (PPS) klíče k P(Y) kódu na frekvencích L 1 a L 2. Tito uživatelé mají zaručenou vyšší přesnost systému. Uplatňují se především v aplikacích: – – – podpora velení a vojáků v poli doprava navádění zbraňových systémů vojenská geodézie a mapování přesný čas (<10 -7 s)
Uživatelé GPS • ostatní uživatelé (především civilní sektor) využívají Standard Positioning Service (SPS) C/A kód na frekvenci L 1. Přijímače vyrobené v USA nesmějí být exportovány, pokud nemají nastavená omezení výšky do 18 km (60 000 ft) a rychlosti do 515 m/s (1 000 knots). Tyto limity vychází z prevence možného zneužití jako systému orientace v prostoru ve zbraních obdobných balistickým raketám nebo střelám s plochou dráhou letu. Typickými profesemi a odvětvími civilních uživatelů jsou: – – – – doprava (pozemní doprava, letectví, námořnictvo, kosmické lety) geologie a geofyzika geodézie a geografické informační systémy archeologie lesnictví a zemědělství turistika a zábava přesný čas (<10 -6 s)
Přesnost Na přesnost mají vliv zejména tyto vlivy: • Efemeridy družic ± 2, 1 m Nepřesné oběžné dráhy (anomálie) • Družicové hodiny ± 2, 1 m Relativistické efekty (gravitace, rychlost, +45, 5× 10− 9% oproti pozemským hodinám, kompenzace hw f=10, 22999999543 MHz) • Ionosférická refrakce ± 4, 0 m Vliv volných elektronů a iontů, kompenzace L 1 a L 2 • Troposférické refrakce ± 0, 7 m • Vícecestné šíření signálu ± 1, 4 m • Přijímač ± 0, 5 m
Metody zvýšení přesnosti • Diferenciální GPS Jedna GPS na známé pozici, druhá měří. První informuje druhou o aktuální chybě. Možná přesnost až na úrovni jednotek cm (fázová detekce). • WAAS / EGNOS Síť pozemních referenčních stanic, signál z nich distribuován pomocí geostacionárních satelitů (Sat 33/37/39/44). Podpora v některých GPS (Garmin SIRF Star III). Přesnost 95% měření pod 1, 5 m. Pozor na statickou navigaci !!!!!!
Srovnání přesností
Systém Galileo • Projekt EU • Původně plánován od roku 2010, nyní nejdříve od 2014 • 30 operačních družic, 23 000 km, 3 dráhy se sklonem 56 ° , na každé 9 + 1 satelit
Galileo – dostupné služby • Open Service (OS) - volně dostupnáslužba 2 pásma: 1164– 1214 MHz a 1563– 1591 MHz. horizontální přesnost pod 4 m vertikální lepší než 8 m (nebo horizontálně pod 15 m a vertikálně pod 35 m při použití jednoho pásma). Přijímače kompatibilní s GPS • Commercial Service (CS) – šifrovaná Zpoplatněna, přesnost lepší než OS. • Safety of Life Service (SOL) - šifrovaná důraz na integritu a bezpečnost, pro nasazení např. v řízení letového provozu. • Search and Rescue (SAR) služba nouzové lokalizace v rámci celosvětové družicové záchranné služby COSPAS/SARSAT s možností oboustranné komunikace. • Public Regulated Service (PRS) – šifrovaná kontrolovaný přístup a dlouhodobá podpora, určeno pro armády a bezpečnostní složky států
Galileo - historie • 28. 12. 2005 vynesena první technologická navigační družice Giove-A pro testování komponent (Bajkonur, Sojuz-FG/Fregat) • 27. 4. 2008 druhá družice Giove-B (Bajkonur, Sojuz/Fregat) • Řídící středisko pravděpodobně v Praze • Budoucnost ? ? ?
Glonass (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) Vývoj zahájen v r. 1970 1982 první testovací družice 1996 – 2001 úpadek systému Od r. 2001 znovuobnovení do částečně operačního stavu (plný stav 2012) • Nyní spolupráce s Indií • 24 družic (rozdílné kmitočty) na 3 drahách se sklonem 65°, výška 19100 km • •
GPS přijímače • • • Mapové x nemapové Autonavigace Turistické Součást mobilů a PDA Speciální (námořní, letecké, geogetické …)
Autonavigace • • Mapové podklady Hledání tras Hlasový výstup Velký display Kontrola rychlosti, databáze radarů Hlídání přestávek Příjem aktuálních dopravních informací
Tom. Tom 950 • • • Mapy Evropy Hand-sfree Inteligentní routování RDS TMC Integrovaný FM vysílač Dálkový ovladač
Garmin Nüvi 3760 • • • Otočný display Mapy Evropy (i doživotní) Hand-sfree Inteligentní routování RDS TMC traffic. Trends, my Trends
Integrované autonavigace • Obvykle velmi drahé, ale velmi zajímavé funkce: – Jízda v tunelu – Nastavení světel – Nastavení automatické převodovky – Head-up display – Propojení s ostatním vybavením automobilu
Turistické (outdoor) • • • Vysoká odolnost Dlouhá výdrž baterií Magnetický kompas (i 3 D) Barometrický výškoměr Další funkce (Wherigo, GPX …) Podpora pro Geocaching
Garmin e. Trex Vista HCx • • • Mapy Výpočet trasy Barometrický výškoměr Elektronický kompas Slot na karty micro SD Životnost baterií až 25 hodin
Garmin GPSMAP 62 s • • • Robustní a odolná konstrukce Vysoce citlivý GPS přijímač 3 -osý kompas Barometrický výškoměr Slot na micro. SD kartu Bezdrátové sdílení dat Možnost nahrání rastrových map (letecké snímky, papírové mapy) dlouhá výdrž baterie (až 20 hodin, 2 x AA) Podpora pro Geocaching
Garmin Oregon 550 • • • Fotoaparát 3, 2 Mpixel 3 -osý kompas Na slunci čitelný dotykový displej Barometrický výškoměr Vysoká citlivost přijímače Bezdrátové sdílení dat Podpora GPX Wherigo Snímač rychlosti šlapání Snímač tepové frekvence Dlouhá výdrž baterií (2 x AA)
Wherigo • Vytvořeno společností Groundspeak • Prostředek pro hraní her v terénu nebo pro vytváření interaktivních průvodců • Základem je „cartridge“ (program) s dialogy, obsah řízen pozicí v terénu a interakcí uživatele
Navigace v mobilních telefonech • • Vždy po ruce Online služby Jedno zařízení Řešení Google Zápory • Životnost baterií • Horší citlivost
Jiné využití • • • Časový etalon Bezpečnostní systémy Vyhledávací a lokalizační systémy Elektronické knihy jízd Mýtné systémy
A budoucnost ? ? ? ?
- Slides: 43