Űrkutatás Helymeghatározás

Helymeghatározás, távolságmérés A helymeghatározás, navigáció és térképezés távolság, ill. szögmérésre vezethető vissza. Szükséges egy koordináta-rendszert definiálni. Ebből (is) persze sok van...

Hagyományos földmérés Ismert koordinátájú pontból és egy ismert irányból (pl. észak) kiindulva szög- és távolságméréssel meghatározzuk újabb pontok helyét. Mérőeszköz: teodolit Távolságmérés: egy ismert szakasz látószögének mérésére vezetjük vissza (ált. a függőleges mérőléc) Háromszögelés. Az egyes pontokat egymáshoz is bemérik, többféleképpen, hogy a mérési hibát csökkentsék.

Teodolit Fent: régebbi teodolit Lent: újabb teodolit. Újabban lézeres távmérővel, műholdas helymeghatározással és számítógépes felülettel is rendelkeznek.

Hagyományos navigáció Tengeri navigáció szextáns: szélesség meghatározása szögmérés: horizont és delelő Nap között, vagy csillagok alapján kronométer (óra): hosszúság meghatározása helyi idő és otthoni idő különbsége alapján A viszonyítási alap a hosszúsághoz kellett, így volt Párizs, Greenwich, Nagyvárad (Columbus!) stb http://en.wikipedia.org/wiki/John_Harrison

Kronométer: pontos óra 1óra:15 fok 1perc: 4 fok 1 fok az egyenlítőn kb. 110km Szextáns

Szextáns

Újítások Közvetlen távolságmérési módszerek: Radar, lidar, szonár (oda-vissza), jeladó (egyirányú) Terjedési idő mérés Fázistolás mérés Doppler-eltolódás mérés

Terjedési idő Radar, lidar: EM impulzus reflexiója szonár (ultrahang): d=ct/2 (d távolság, t oda-vissza terjedési idő) c≈300.000km/s vákuumban, függ a közegtől szonár (ultrahang): ugyanez, csak c a hang terjedési sebessége (függ a közegtől, annak sebességétől, hőmérséklettől stb)

Terjedési idő Egyirányú mérés (GPS): adó és vevő is pontos órával rendelkezik küldött jelbe kódolják a küldési időt d=ct időmérés pontatlansága a vevő oldaláról: több méréssel korrigáljuk (rádiónavigációs rendszerek)

Időmérés Kvarc-oszcillátor Atomóra Frekvencia pontosság: Δf/f0=5..100 ppm (ppm: 1:106) hőfüggés Atomóra 1:10-14 .. 10-16 1ns: 30cm de ennél nagyobb pontosság kell, hogy ne halmozódjon fel az eltérés

Fáziskülönbség Úthoz tartozó fázistolás csak 2π-n belül egyértelmű! (hullámhossznyi táv) egyértelműségi hatótáv növelése: másik frekvencián is mérünk

Fáziskülönbség Légkörben terjedő jel frekvenciafüggő csillapítást és fázistolást szenvedhet Légkör pontos aktuális állapota nem ismert (főleg ionoszféra) Több frekvencián mérés itt is segíthet (GPS)

FM Lineáris FM-et küldünk ki Az időkülönbség arányos a frekvencia-különbséggel (piros: küldött, zöld: vett jel

Doppler-eltolódás Ha az adó és vevő egymáshoz képest radiális sebességkomponenssel rendelkezik A fény sebessége változatlan, a frekvencia változik Közeledik: kékeltolódás Távolodik: vöröseltolódás

Doppler-eltolódás Nem relativisztikus sebességeknél Radarnál (oda-vissza):

Rádiónavigáció 1942-44: Loran, Gee, Decca, РСДН-20 (Alfa), Чайка (földi) 1964: Transit (műholdas) 1971 Omega (földi) 1972: Циклон (műholdas) 1995: Navstar GPS (műholdas) 1995: ГЛОНАСС (műholdas) Galileo (műholdas) 2020: BeiDou (műholdas)

Alapelv: terjedési időt mérek terjedési időkülönbségeket mérek („hiperbolikus navigáció”)

Rádiónavigáció Egyirányú adatforgalom (broadcast) (csak a műhold ad) Vevőket nem lehet bemérni Korlátlan számú vevő lehet Műholdas adónál ha a vevő antennája irányított, nehezebb a földről zavarni

Transit Teszt 1960, üzemel 1964-1996 5+5 tartalék műhold, 1100km poláris pályán 2 frekvencia (ionoszféra hatás korrekciója): 150MHz, 400MHz Műhold küldi: idő, pályaelem Doppler: max 10kHz, görbéből számol 400m .. 20m felbontás (katonai) After 1996, the satellites were kept in use as spaceborne 'mailboxes' and for the Navy's Ionospheric Monitoring System.

Transit Hely számítása: Elhaladáskor felveszi a Doppler-eltolódás görbéjét, ez a földrajzi helyre jellemző (műholdpálya ismeretében). Pár óránként van elhaladás. Műhold: 32k ferritmagos memória. Tengeralattjáró szg.: 8k*15b memória...

Loran, Gee, Decca Hajózási, repülési navigáció Földi állomásokkal II.VH alatt fejlesztették ki őket Decca:70..129kHz, 740km, n100m Loran: 1,95MHz, 2400km, n10km Gee: 20..90MHz, repülési, 560km, n100m Nappal-éjjel között különbség hatótávban és pontosságban, ionoszférikus terjedés miatt (rövidhullám, hosszúhullám) „After the initial ship tests, Decca conducted tests in cars, driving in the Kingston By-Pass area to verify receiver accuracy. In the car installation, it was found possible to navigate within an individual traffic lane. „

Hiperbolikus navigáció Ha nem tudom a jel indulási idejét De tudok időkülönbséget mérni A és B adó különbsége alapján egy hiperbolát tudok felrajzolni A és C adó különbsége egy másik hiperbola Két görbe metszéspontjában vagyok

Hiperbolikus navigáció

Omega 1971-1997 8 földi adóra épülő rendszer VLF 10..14kHz ±2km felbontás kiegészítette Transit-ot

Műholdas navigáció GNSS: Global Navigation Satellite System: átfogó név az egész Földön használható műholdas helymeghatározási rendszerekre

GNSS felhasználás Közlekedés nyomkövetés (jeladóval) koord., térkép, ill. autopilot kerékpár, gépkocsi, munkagépek, hajó, repülőgép, űrhajó, műhold gyalogtúra; látáskorlátozottaknak nyomkövetés (jeladóval) logisztika; lopás tömegközlekedés, teherszállítás, de akár gk., kerékpár is útdíjfizetéshez

GNSS felhasználás Térképezés földmérés, térkép készítés építkezés, régészet, környezetvédelem stb. munkagépek -> munkavégzés dokumentálása (csatorna, földalatti kábel, mg.,stb) kőzetlemezek mozgásának követése

GNSS felhasználás Pontos idő szolgálat Antenna tájolás műholdas vételhez Vészhelyzeti kommunikációhoz helymeghatározás Szórakozás, sport, kultúra (geocaching, városismeret, geocoding/tagging, mobiltelefonos exhibicionizmus)

GPS (USA) Global Positioning System USA kormány tulajdona, védelmi minisztérium üzemelteti Katonai célokra fejlesztették 1973: fejlesztés indul 1990: Öböl-háborúban használják 1995: teljes felszereltség, nyilvánosan elérhető

Korean Air Lines Flight 007. 1983 Sep 1. Anchorage (Alaska) -> Szöul, eltért az útvonaltól, betért tiltott szovjet légtérbe -> lelőtték Hozzájárult a GPS rendszer nyilvánossá tételéhez Korean Air Lines Flight 007. 1983 Sep 1. The Boeing 747 airliner was en route from Anchorage to Seoul, but deviated from its original planned route and flew through Soviet prohibited airspace around the time of a U.S. aerial reconnaissance mission. In addition, the incident was one of the most important events that prompted the Reagan administration to allow worldwide access to the United States Global Positioning System (GPS) https://en.wikipedia.org/wiki/Korean_Air_Lines_Flight_007

GPS 3D helyet (koordinátákat) adja meg Ismert pályájú műholdaktól való távolságot mérünk (egyirányú időméréssel) Elméletileg n dimenzióban n műholdat kell megfigyelnünk A vevő órája pontatlan, ezért eggyel több műhold megfigyelésével pontosítjuk (50ns)

GPS Navstar műholdak h=20.200km (T=12h) i=55°, 6 pálya 60°-onként Min. 24 db, jelenleg 32 (folyamatosan pótolják, több generáció) Egyszerre min.4db látható ?99% valószínűséggel Földi állomás: „OCS successfully replaced the legacy 1970s-era mainframe computer at Schriever Air Force Base in September 2007.” Vagyis jól ment addig a régi komputer T valójában 11h58min, mert csillagnap

GPS Érdekesség: Relativisztikus korrekció Gravitációs térben a grav.potenciáltól függően máshogy telik az idő 10,23MHz helyett 10,22999999543 MHz kell

GPS civil 2000-ig SA (Selective Availability), „rontottak” a pontosságon A Pentagon fenntartja a jogot, hogy korlátozza a hozzáférést (háború esetén) -> EU Galileo fejlesztés Pontosság: kb.5-10m (erősen változó) L1 frekvencia, C/A kód (coarse acquisition), szabad felhasználású Pontosság javítható (ld.később) Civilben nem szabad 18km és 515m/s meghaladni (ICBM stb) függőleges pontosság rosszabb

GPS katonai Két frekvencia, L1, L2 P(Y) (Precision) kód mindkét frekin, titkosított Pontosság: 2-9m (javítható) A pontosságra nem találni két megegyező forrást :D http://www.navipedia.net/index.php/GPS_Performances

GPS űrbeli Alacsony Föld körüli pályán is használható Főleg emberes repülésnél Civil készülék korlátozva lehet magasságra és sebességre

Pontosság javítás Két frekvencia (katonai, de megnyitják civilbe is az új sorozaton) Differenciális GPS (kiegészítő adók) Átlagolás (ezzel a kőzetlemezek mozgása is mérhető) Vízszintes pontosság jobb, mint függőleges

Differenciális GPS Ismert koordinátájú hely veszi a GPS koordinátáit, az ismerttel összehasonlítva megállapítja a hibát, ezt elküldi nekem Korrigálni tudom vele a saját jelemet, ha kb. azonos a hibánk (légköri hatások, zavarás)

Differenciális GPS Diff. jeladó lehet földi vagy műhold Földi: rálátás szüksége miatt gyakori elhelyezés kell Műholdas: ált. geostacionárius EGNOS (EU) WAAS (USA) Ezeknél is földi állomás veszi a GPS jelet és számol korrekciót, a műhold közvetít

Differenciális GPS Pontosság akár 1m Geostac műholdra korlátozott a rálátás a földfelszínen (főleg városban) -> földi adóval, internettel rásegít Csak adott területen érhető el Fizetős lehet

Koordinátarendszerek GPS jellemzően a WGS84 (World Geodetic Survey 1984) elliptikus koordinátarendszerben adja meg az eredményt (szélesség, hosszúság, magasság) Térképen nem feltétlen ez a rendszer van! (Mo. pl. lehet EOV)

Assisted GPS Ismeretlen helyen való mérésnél sokáig tart a „feléledés” (nem tudja, mely műholdak láthatóak éppen) Egyenként keresi a műholdakat, ill. letölti a pályaelemeket (5-10perc akár) (50bps) Városi környezetben rossz lehet az égboltra való rálátás, ellenben jó a mobil hálózat (sűrű cellaosztás)

AGPS Adatkapcsolat (wifi, mobilnet stb) segítségével gyorsabban betöltheti a pályelemeket Gyors, de pontatlan helymeghatározást végezhet, bázisállomások segítségével bázisállomás segíthet a GPS jel feldolgozásában; korrekciós információt és időzítést nyújthat hátrány: a gyakorlatban sokszor adatkapcsolat nélkül nem tud normál gps-re visszaállni ez a drágább mobilnetű országokban ciki

Glonassz (SZU/Oroszország) 1976 fejlesztés kezdődik 1995: 24 műholddal teljes 2007: második frekvencia megnyitása civileknek 2011: újra teljes műholdrendszer kb. 5-10m vízszintes felbontás

Glonassz h=19100km, i=64,8° min. 3x8 műhold Vevők többnyire kombinált GPS/Glonassz vevők – nagyobb lefedettség, jobb felbontás északi területekre elvileg jobb, mint GPS

Galileo (EU) Független legyen USA-tól és Ororországtól 2011: első műholdak 2019: 27+3 műhold pályán várható Vészhelyzeti jelzést is továbbítanak (kétirányú komm.) Nagyobb felbontás fizetős 1m pontosságot várnak

GPS (és hasonlók) elve Ismert helyű pontoktól való távolságot mérek 3D-ben így három gömb metszéspontjai adják a megoldást Az egyik metszéspontot ki kell zárnom Szerencsére jellemzően messze van

2D példa

Műholdak elrendezése „Konstelláció” Ha túl közel vannak egymáshoz, pontatlanabb a mérés

Időmérés pontosítása b: időmérési hiba (rendszeres) c: fénysebesség bc: mérési hiba (táv) Ha a vevő órája b idővel késik a műhold órájához képest, a távolságmérésben bc eltérés lesz. Ezt az x. ábrán illusztráltuk: a vevő a valódi R távolság helyett a PR=R-bc áltávolságot tudja csak meghatározni. A bc hiba azonos nagyságú lesz az összes műholdra, így eggyel több műhold bemérésével korrigálni lehet a hibát. A mérés eredményeként a világosabb színnel jelzett PRx körök ismertek. A feladat ezután az, hogy addig növeljük a körök sugarát, míg egy pontban nem metszik egymást, ez lesz a P pont. Ezáltal nemcsak a P pontos helyét kapjuk meg, de egyúttal az időkorrekciót, vagyis a pontos időt is. Három dimenzióban négy műhold jele alapján egy négyismeretlenes egyenletrendszert kell megoldani, ahol három ismeretlen a térkoordináták (x,y,z illetve φ,λ,h), a negyedik ismeretlen az idő (t).

Műhold követés Földi állomások folyamatosan követik a műholdakat, és rendszeresen feltöltik rájuk a pályaelemeket radarral (Norad, stb.) műhold saját jele alapján