Mindennapi navigáció (műholdakkal) Szentpéteri László Mobil: 06-209-316-890 E-Mail: laszlo_sztp@3tc.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 - 621B 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: 11h 58 min Pályamagasság okai: ???

A GPS űrszegmense – jelstruktúra Két vivőfrekvencia: L1 - 1575.42 Mhz L2 - 1227.6 MHz Három modulációs mód: PRN (Pseudo Random Noised) kódok Polgári C/A-kód L1 -160 dBw Katonai P-kód (Y-kód, ha tovább titkosítják) L1 -163 dBw L2 -166 dBw Navigation message (NAVDATA) L1 L2

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 f0 x 120 f0 x 154 f0 A szignál a fedélzeti atomóra által előállított alapfrekvencia többszöröződésével keletkezik. Az alapfrekvencia: f0 = 10.23 MHz L1 is 154 x f0 = 1575.42 MHz, azaz a hullámhossz: 0,19 m L2 is 120 x f0 = 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 (2.99792458x108 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 8 paraméterrel írja le. Pozíciója a hálózatnak (3 elem) A hálózat tájolása (3 elem) A referencia-ellipszoid paraméterei (2 paraméter) A helyi dátumokat úgy tervezik, hogy az ellipszoid legjobban az adott területen illeszkedjen épp ezért a Föld más részein pontatlanságok lehetnek. Az Európához illeszkedő ellipszoid 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 Felszín HAE Ellipszoid

Hogyan működik a GPS? – négy lépés… 3 Adjunk különféle további adatokat a távolságmérésekhez, pl.: troposzféra és ionoszféra információk, efemerisz adatok, NAVDATA, RTCM. 4 2 Számítsuk ki a (földi) pozíciót Műholdak távolságának meghatározása 1 A legjobb műholdak kiválasztása

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 L1, vagy az L2 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) 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 “Range” (távolság) = c ( Time shift )

Hogy működik a GPS? A távolság meghatározása (3.) A range (távolság), csak pseudo-range (ál-távolság), 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 L1 C/A-code (Standard Positioning Service -SPS) “With SA activated” (azaz, ha működik az SA) 100 m – horizontális 2D pontosság 150 m – függőleges pontosság 120 m – 3D pozíció 350 nsec – idő, illetve 0.3 meters/sec – sebesség-vektor (3D) SA nélkül a garantált pontosság 10-15 méter L1 és/vagy L2 P-code (Precise Positioning Service -PPS) Y-kód szükséges, amikor az AS (Anti-Spoofing) aktív 11 - 12 m – horizontális 2D pontosság 17 - 19 m - függőleges pontosság 90 - 200 nsec – idő, illetve 0.1 meters/sec – sebesség-vektor (3D) Ma mindkettő egy nagyságrenddel pontosabb!

Milyen pontos a GPS? (3.) Differential GPS (Differenciális GPS) Csak L1 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 GPS-vevőt) 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 L1 5 mm + 1 ppm L1 és L2

GPS hibahatások Dilution of Precision (DOP) Satellite ephemeris (műhold efemerisz) a DGPS kiszűri Satellite clock (műhold órahiba) a DGPS kiszűri Ionoszférikus késés a DGPS kiszűri Troposzférikus a DGPS kiszűri Selective Availability a DGPS kiszűri Multipath (többutas jelterjedés) Vevő órahibája Vevő belső késése Hibásan működő műhold(ak)

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 Ha az URA 32 méter, akkor 3 x 32 = 96 méter (PDOP 1)

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 (3D 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 Vasúti közlekedés, szállítás 1,14% Olaj és gázszállítás 1,51% Vezetékes távközlés 2,08% Vezeték nélküli távközlés Flotta menedzsment 2,27% Egyebek Távérzékelés 2,84% Mezőgazdaság 3,03% Természetvédelem 3,41% Geológia és geofizika 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 L1-en dolgozik): GPS GLONASSZ GPS+GLONASSZ Differenciális megoldás Nyersadatgyűjtés utófeldolgozáshoz Külső real-time bement (RTCM SC104 input) Belső real-time DGPS (OmniStar, LandStar) 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 L1 kódmérés Fázimérés is Csak L1 (csatornaszám 8-12) L1 és L2 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… A jel-vételért nem kell fizetni 40-200eFt EGNOS-os DGPS 2-3 m Egyszerű. A jel-vételért nem kell fizetni 40-500eFt OmniStar-os DGPS 0,5-0,8 m Egyszerű. A javító jelért fizetni kell! 0,5-1,0MFt +évi kb. 250eFt OmniStar HP kompatib.GPS 0,05-0,20 m 4-6MFt +évi kb. 1,0MFt RTK GPS Pont vizsz: 2cm Pont függ: 3cm Bonyolultabb. A javító jelet magunknak kell előállítani! Gépen: 4-9MFt Bázis: 4-9MFt Technológia és (ezért) ár függő!

Kérdés?