T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.1 Bevezetés a méréstechnikába és jelfeldolgozásba Takács György 5. előadás 2007. 03. 13. Műholdas helymeghatározás.

Az előadások a következő témára: "T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.1 Bevezetés a méréstechnikába és jelfeldolgozásba Takács György 5. előadás 2007. 03. 13. Műholdas helymeghatározás."— Előadás másolata:

1 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.1 Bevezetés a méréstechnikába és jelfeldolgozásba Takács György 5. előadás 2007. 03. 13. Műholdas helymeghatározás

2 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.2 További menetrend a tárgyban GPS mérések márc 19-24 (szombat!!!!) Kovács Ferenc Professzor Úr első előadása március 20. Zárthelyi: április 3. 10.15-11.00 utána 11.15-től előadás ZH anyaga: előadásokon elhangzottak, ezeket gyakoroltuk a laboratóriumban is Kovács Ferenc mérései április 2- május 11-ig Zárthelyi Kovács Ferenc előadásai anyagából: máj 15. Gyakorlati jegy: ZH-k eredménye +/- 1 jegy a labor jegyzőkönyvek és villám ZH eredmények alapján.

3 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.3 Tartalom Ismétlés Helymeghatározás és GPS alapelvek Koordinátarendszerek, időrendszerek A GPS rendszer elemei GPS pontossága

4 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.4 Mi hát az idő? Ha senki sem kérdezi, tudom: ha kérdik tőlem, s meg akarom magyarázni, nem tudom… Van tehát múlt és van jövő…. Van múlt és van jövő, de azt szeretném tudni, hol vannak?…. Az az egy bizonyos, hogy csak azt lehet látni, ami valami módon van -- akárhogyan történik is a jövendők titokzatos előre meglátása. Viszont az, ami megvan, nem jövő, hanem jelen……………... A három idő csak a mi felfogásunkban van, máshol nem található; a léleknek van emlékezete a múltakról, jelen szemlélete a jelenről és van a jövőre vonatkozó jelen várakozása………….. Bizonyos tudós embertől hallottam, hogy az idő a Nap, a Hold és a csillagok mozgása. Nem fogadtam el nézetét……….. Nem mondok- e igazat, mikor azt vallom neked, hogy az időt mérni tudom? Mert így van ez, Uram Istenem, mérem, mérem, de mit mérek, nem tudom…….. Idővel mérem a test mozgását. De nem mérem-e magát az időt is?……. Lelkem, tebenned mérem az időt. Ne is ellenkezzél velem, illetőleg ne ellenkezzél magaddal, akármekkora is az elfogultságod! Még egyszer mondom: tebenned mérem az időt! SZENT Ágoston Vallomásai

5 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.5 Önkalibrálás felcserélési módszerrel 1. állásban U 1 =U o A 2. állásban U 2 =(U r + U o )A 3. állásban U 3 =(U x + U o )A A UoUo 1 2 3 UxUx UrUr U1U1 U3U3 U2U2

6 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.6 Önkalibrálás felcserélési módszerrel (2) A UoUo 1 2 3 UxUx UrUr U1U1 U3U3 U2U2 3 egyenlet, ismeretlen Ux, Uo, A Tehát sem ofszet, sem erősítés nem szerepel benne

7 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.7 Mintavételezés Az időbeli diszkretizálás művelete, azaz a folytonos jelből a minták előállítása. t tt U a (t) fs=1/Δt Mintavételezési frekvencia

8 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.8 t tt U a (t) fs=1/Δt Mintavételezési frekvencia Pontosan visszaállítható az eredeti jel a mintákból? Visszafelé is elvégezhető a művelet, azaz a mintákból visszaállítható a folytonos jel. Visszaállítás

9 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.9 A mintavett jel értékének meghatározása egy közbenső időpontban

10 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.10 Kvantálás Az amplitúdóbeli diszkretizálás művelete, más szóval kerekítés. Kvantálás ADC xaxa xaxa YdYd YdYd

11 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.11 idő feszültség minta sorszám a kvantált mintákat reprezentáló számok 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 54 58 67 85 81 99 104105 90 67 76 63 Analóg jel Mintavett és kvantált = digitális jel

12 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.12 Jelek felbontása összetevőkre (2) T Periodikus jel: T idő múlva ugyanazt az értéket ismétli (végtelenszer) x(t+T)=x(t) x(t) t

13 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.13 Tétel: Bármely periodikus függvény előállítható a k 22 T = k 2  fo k= 1, 2, 3,... k*fo frekvenciájú, másként kifejezve k/T periódusidejű szinuszos illetve koszinuszos jelek összegeként Jelek felbontása összetevőkre – Fourier sor(3)

14 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.14 f BkBk 1/T 2/T 3/T 4/T 5/T 6/T 7/T f AkAk 1/T 2/T 3/T 4/T 5/T 6/T 7/T Jelek felbontása összetevőkre (4)

15 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.15 Egyszeri folyamat - Fourier integrál Minden olyan f(t) időfüggvény, amely abszolút integrálható, azaz Előállítható harmonikus összetevők összegeként (Fourier integrál): ahol:

16 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.16 GPS rendszer működési elvei (globális helymeghatározó rendszer) AB B’   ctct ctct Passzív egyutas mérés: Ahol:  t - időkülönbség (amíg eljut A-ból B-be) c - rádióhullám terjedési sebessége  t - órahiba AB= c  t AB’= c  t +c  t (adó) (vevő) (valódi távolság) (órahibával mért távolság) Feladat: van A és B pontban független, de jól együtt járó óránk. Tudjuk, hogy A pontból mikor küldünk egy jelcsomagot. Mérjük, hogy mikor érkezik meg és a távolságot az időkülönbségből számoljuk

17 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.17 GPS rendszer működési elvei (2) AB    t’=2  t Aktív mérés: AB= ½c  t (adó) (vevő) Nincs órahiba hatás!!! Miért nem használják? Használók száma korlátozott!

18 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.18 GPS rendszer működési elvei (3) síkbeli rendszer    p1p1 p2p2 p3p3  xAyBxAyB x1y1x1y1 x2y2x2y2 x3y3x3y3 3 egyenlet, 2 ismeretlen, 1 fölösleges mérés? p-pszeudo távolság

19 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.19 GPS rendszer működési elvei (4) síkbeli rendszer órahibával!    p1p1 p2p2 p3p3  xAyBxAyB x1y1x1y1 x2y2x2y2 x3y3x3y3 3 egyenlet, 3 ismeretlen!

20 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.20 Valóságos GPS Referenciaállomások - világűrben keringő műholdak kb 3,8 km/s sebességgel keringenek kb 20 000 km magasan 24 műhold kering, közülük legalább 4 mindig „látható” keringési idő 12 óra Az USA kormánya hozta létre és üzemelteti

21 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.21 A Galileo program az Európai Unió és az Európai Űrügynökség közös vállalkozása, Európa legnagyobb infrastrukturális beruházása, melynek célja a világon az első, kimondottan polgári célra tervezett rádiónavigációs és helymeghatározási rendszer létrehozása. A Galileo versenytársa, de egyben kiegészítője is lesz az amerikai GPS-nek. Az európai illetékesek elsősorban jelentős gazdasági hasznot, de a napjainkra mindenütt egyre jobban elterjedő műholdas navigáció terén függetlenséget is várnak az új rendszertől. ÉS EURÓPA ?????

22 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.22

23 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.23

24 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.24 Földi irányítóközpontok

25 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.25

26 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.26 A Galileo program megvalósítása a tervezési szakasszal (definition) kedződött, melyet a fejlesztési és pályamenti teszt-periódus (Development and In-Orbit Validation), végül pedig a teljes kiépítés és üzemeltetés fázisa (Full Deployment and Operations) követ. Jelenleg a fejlesztési szakaszban vagyunk (Galileo System Test Bed, GSTB). A két említett tesztműhold tervezésén és megépítésén kívül, a pályamenti tesztek első részeként űrbéli feladatok is vannak, többek között e két hold küldetése lesz az új (rubídium-stroncium és hidrogén mézer) atomórák és a Galileo navigációs szignáljainak tesztelése.

27 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.27 Valóságos GPS (2) A műholdak nem „rögzítettek” A műhold pozíciók kiszámolhatók az időpont és a műholdpályák alapján, adatmegadás „GPS” koordinátarendszerben, (3 dimenziós, geocentrikus) Figyelem! Más, mint a földmérési koordináták!

28 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.28 Valóságos GPS (3) Pszeudo távolságok Órahiba hatása

29 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.29 Valóságos GPS (4)      p1p1 p2p2 p3p3 p4p4

30 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.30

31 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.31 Pályajellemzők: közel kör alakú a földfelszín feletti közepes magasság 20 240 km a keringési idő 12h (csillagidőben) a pályasík elhajlása az Egyenlítő síkjához képest 55-fok

32 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.32 Valóságos GPS (5)                        

33 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.33 Abszolút vagy relatív helymeghatározás lehetősége, álló vagy mozgó pont helyének meghatározása, bárhol a földfelszínen, felhasználók száma korlátlan (mert „passzív), abszolút helymeghatározás hibája kb. 10 m, relatív helymeghatározás hibája kb. 1m, pontosság fázisméréssel kb. 1 cm, alapfrekvencia 10,23 MHz, x154, x120 felszorzás 1575,42 és 1227,60 MHz frekvencia 19,05 és 24,45 cm hullámhossz Valóságos GPS jellemzői (6)

34 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.34 A műhold atomorájának alapfrekvenciája: 10,23 MHz Állandó vivőhullámok: A moduláció:

35 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.35 PRN (Pseudo Random Noise) P-kód : (Protected): kódhossz: 2,36 10^14 bit felbontás: 0,3m C/A-kód (Clear Acquisition): kódhossz: 1023 bit felbontás: 3m

36 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.36

37 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.37

38 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.38 Miért is Global Positioning System? Az egész földre kiterjedő helymeghatározás A teljes földfelszínt egyetlen koordinátarendszerbe foglalja

39 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.39 Derékszögű földrajzi koordináta rendszer A földdel együtt forog – geocentrikus Kezdőpontja a föld tömegközéppontja Hosszegysége méter Z tengely a referencia pólus felé mutat X tengely a kezdő meridiánsíkba

40 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.40 Ellipszoidi földrajzi koordináta rendszer λ,α – A derékszögű koordinátarendszerben értelmezett szögek, h - az ellipszoid felületétől mért magasság (nem a hagyományos tengerszint feletti magasság)

41 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.41 Felületi derékszögű koordináta rendszer: kölcsönösen merőleges helymeghatározó vonalai a meridiánok és paralelkörök. A meridián mentén a földrajzi szélesség, a paralelkörök mentén a hosszúság mérhető.

42 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.42 Áttérés másik rendszerre: N, R, e – az ellipszoid jellemzői

43 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.43 WGS-84 World Geodetic System 1984 kezdőpontja a Föld tömegközéppontja Z tengelye egybeesik a Föld forgástengelyének 1900-1905. évi középhelyzetével XY sikja a forgástengelyre merőlegesen a tömegközépponton átmenő egyenes X,Y,Z jobbsodrású rendszert alkotnak A Kőzetlemezek mozgása helyenként meghaladja az 1 cm/év értéket Nemzetközi Földi Koordináta Rendzser (ITRF)(ETRS)

44 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.44

45 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.45

46 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.46 Greenwich Apparent Sidereal Time GAST csillagidő Universal Time UT1 világidő a föld forgásához kapcsolódik Greenwich Mean Time GMT Greenwich Mean SideralTime Universal Time Coordinated UTC International Atomic Time TAI céziumatom sugárzásának periódusidejével definiálva

47 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.47

48 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.48 WN (Week Number) 1980- január 6. óta eltelt hetek száma TOW (Time Of Week) az aktuális hét kezdete (vasárnap 0h) óta eltelt idő másodpercekben 1980 január 6GPST (akkor GPST=UTC) GPST = 604800 WN + TOW 2000. Január 1-jén a GPST és UTC eltérése 13 s volt

49 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.49 Műholdak - (atomóra 10 -13 pontossággal, célszámítógép, adó-vevő rendszer, antenna, korrekciós hajtóművek) GPS vevő (kvarcóra, rádió-vevő, célszámítógép, helyzetinformáció kijelzés, adatátviteli lehetőség) Közvetítő állomások (monitor, adatfeldolgozás, adatfeljuttatás) Valóságos GPS alrendszerei (6)

50 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.50 Pontosság szisztematikus rontása, illetve javítása Koordinátarendszer finomságok: derékszögű, földrajzi, topocentrikus, inerciális, Időszámítási finomságok: világidő, csillagidő, GPS idő Műhold koordináták számolása fedélzeti adatokból, Kódgenerálás, kódmérés, Fázismérés, Referenciaállomások, Alkalmazások (pl. autókban, mobiltelefonnal egybeépítve) Valóságos GPS „csemegéi” (7)

51 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.51 A GPS múltja, jelenje és jövője –1992 –3 csatornás vevők, 10 perces felállási idő –Kb.: Ötször drágább mint ma. (lsd. mobiltelefon) –1998 Magyarországon bevezetik az RDS-t –Differenciális jelkorrekciós szolgáltatás (RDS) –URH adáson keresztül, FM vevővel pontosítja a GPS készülék mérési eredményeit –Fajtái: 10 méteres, 5 méteres, méter alatti pontosság –2000 –12 csatornás vevők, 15-20 másodperces felállási idő –Preciziós mérések végzésére is alkalmas

52 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.52 A GPS rendszer előnyei A Rendszer előnye, hogy független: –idôjárástól –napszaktól –légköri viszonyoktól –földfelszín feletti magasságtól –mozgási sebességtôl (a mûszerrel akár vadászgépen is mérhetünk)

53 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.53 Hol használnak ma GPS-t –Hadsereg (célok bemérése, harciegységek irányítása) –Térképészet (térképek, digitális térképek készítése) –Repülés irányítás (navigáció) –Hajózás (navigáció, éjszakai hajózás) –Sport célok (hegymászás, túrázás, tájékozódási versenyek) –Biztosító társaságok (autó követés)

54 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.54 A GPS a repülés irányításban A legszorosabb értelemben vett valós idejű (Real time) feldolgozás szükséges (kb. 15 fps) Elhanyagolhatóan kis hiba 3D mérés és megjelemítés (magasság)

55 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.55 Hajózás Nap látószögéből meghatározott koordináták –Hibái: Felhős ég (akár hónapokig) Kronométer Bonyolult volt földi halandó számára Csillagászati navigáció GPS: –Nincs szükség sem real time, sem mm pontosságú feldolgozásra –Nem kell hozzá digitális térkép

56 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.56 GPS és a SPORT Svédpálya Nagy pénzösszegű navigációs játékok 2003. február – III. Silva Multinavigátor Kupa –Offroad tájékozodási verseny (Magyarország Cserhát)

57 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.57

58 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.58

59 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.59

60 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.60 GPS Tracking (GPS Nyomkövető) modul A GPS Tracking modul feladata, hogy a GPS-szel felszerelt mozgó egységek által küldött pozícióadatok alapján az egység helyzetét a térképeken szálkereszt formájában megjeleníti. A modul jellemzői a következők: - Informatív pozíció-megjelenítés, ami lehet numerikus, alfanumerikus vagy a kettő keveréke. - Az útvonalak automatikus archiválása. Az elmentett útvonal egy szabványos sokszögvonalat tartalmazó térképfájlba kerül. Ezáltal lehetőség van az útvonalak térképeken történő utólagos megtekintésére és kielemzésére.

61 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.61 Az NMEA Protokoll National Marine Education Association Amerikai Nemzeti Tengerészeti Elektronikai Egyesület fejlesztette ki tengerészeti eszközök közti kommunikáció céljára Valósidejű adat szolgáltatáshoz minden software ezt használja PVT szintű információ áramlás (pozició, sebesség, idő)

62 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.62 Az NMEA ötlete Egy sornyi adatot küld (nevezzük mondatnak), ami önmagában értelmes, és független más mondatoktól. Minden szabványos mondat két jegyű kóddal kezdődik, ami jelzi, hogy milyen eszköz használja az adott mondatot. A GPS vevőkészülékek kódja a GP.

63 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.63 Az NMEA „nyelvtana” A két betűs azonosító után, következik egy három betűs kód, ami a mondat tartalmát definiálja. –Az NMEA engedélyezi a gyártóknak, hogy saját céljaiknak megfelelo kódokat adjanak meg, amiket le is védenek, szabványosítanak. Az ilyen kódok P-vel kezdődnek, és 3 betu kóddal folytatódnak, ami a gyártóra utal, aki kiadta az adott szabványt. Például: Garmin: PGRM, vagy Magellan: PMGN. Minden mondat ’$’ jellel kezdődik, és sor vég karakterrel zárul(CR/LF), és nem lehet hosszabb 80 karakternél (záró karakterrel együtt 81). A mondaton belüli adatokat vessző választja el. Maga az adat egyszerű ascii szöveg

64 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.64 SentenceDescription $GPGGA Global positioning system fixed data $GPGLL Geographic position - latitude / longitude $GPGSAGNSS DOP and active satellites $GPGSVGNSS satellites in view $GPRMC Recommended minimum specific GNSS data $GPVTG Course over ground and ground speed

65 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.65 $GPGGA Sentence (Fix data) FieldExampleComments Sentence ID$GPGGA UTC Time092204.999hhmmss.sss Latitude4250.5589ddmm.mmmm N/S IndicatorSN = North, S = South Longitude14718.5084dddmm.mmmm E/W IndicatorEE = East, W = West Position Fix10 = Invalid, 1 = Valid SPS, 2 = Valid DGPS, 3 = Valid PPS Satellites Used04Satellites being used (0-12) HDOP24.4Horizontal dilution of precision Altitude19.7Altitude in meters according to WGS-84 ellipsoid Altitude UnitsMM = Meters Geoid Seperation Geoid seperation in meters according to WGS-84 ellipsoid Seperation Units M = Meters DGPS Age Age of DGPS data in seconds DGPS Station ID0000 Checksum*1F

66 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.66 A kommunikáció A GPS a számítógéppel RS-232 porton keresztül kommunikál Általában 4800 bit/sec sebességgel 8 bites mondatokat használ az ascii miatt, paritás és stop bit nélkül. Ezen csatlakozók, kábelek, és az NMEA szabvány segítségével a vevőkészülék robotpilótákhoz, halkeresőkhöz, számítógépekhez, vagy másik vevőkészülékekhez is kapcsolhatóak, adatokat vehetnek a DBR (Differential Beacon Receiver) készülékektől korrekciós számítások elvégzésére.

67 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.67 Példák a VisualGPS ingyen letölthető program használatára

68 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.68

69 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.69

70 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.70

71 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.71

72 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.72

73 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.73 Példák Példák a MapSource és a NaviGuide Hungary pénzért árult programok használatára.

74 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.74

75 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.75

76 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.76

77 T.Gy. Bev Merestechn. 2007.03.13.77