1 / 60

Mindennapi navigáció (műholdakkal) Szentpéteri László Mobil: 06-209-316-890 E-Mail: laszlo_sztp@3tc.hu

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

shanna
Download Presentation

Mindennapi navigáció (műholdakkal) Szentpéteri László Mobil: 06-209-316-890 E-Mail: laszlo_sztp@3tc.hu

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Mindennapi navigáció (műholdakkal)Szentpéteri LászlóMobil: 06-209-316-890E-Mail: laszlo_sztp@3tc.hu

  2. 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

  3. A műholdas navigáció alapjai

  4. A műholdas navigáció alapjai • A LORAN és a TRANSIT • A NAVSTAR GPS • A GPS űrszegmense • A GPS vezérlőszegmense

  5. 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 A legelterjedtebb (kvázi globális) navigációs rendszerek • LORAN • Folyamatosan működik (még vagy tíz évig) • Kb. 300 m pontosság • LAT/LON • Nem globális (földi telepítésű) rendszer

  6. 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

  7. 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".

  8. 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

  9. A GPS űrszegmense – pályára állítás

  10. 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: • ??? • ???

  11. 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

  12. 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

  13. f0 x 120 f0 x 154 f0 A GPS űrszegmense – a vivőfázis • 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

  14. 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.

  15. A GPS űrszegmense – a sugárzott jelek

  16. 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

  17. 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

  18. A GPS mérések és a helymeghatározás elve

  19. A GPS mérések és a helymeghatározás elve • Mit kapunk a GPS-től? • Hogyan működik a GPS? • Milyen pontos a GPS? • Hibahatások

  20. 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 ???

  21. 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

  22. 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

  23. 3 4 2 1 Hogyan működik a GPS? – négy lépés… Adjunk különféle további adatokat a távolságmérésekhez, pl.: troposzféra és ionoszféra információk, efemerisz adatok, NAVDATA, RTCM. Számítsuk ki a (földi) pozíciót Műholdak távolságának meghatározása A legjobb műholdak kiválasztása

  24. 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)

  25. 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.

  26. 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.

  27. 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)

  28. 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 )

  29. Hogy működik a GPS?A távolság meghatározása (3.) • A range (távolság), csak pseudo-range (ál-távolság), a felhasználó vevőjének órahibája miatt...

  30. 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?

  31. 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.

  32. 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 !!!

  33. 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!

  34. 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

  35. 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

  36. 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)

  37. 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)

  38. 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 !!!

  39. 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!

  40. Néhány navigációs kifejezés

  41. 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)

  42. Néhány navigációs kifejezés (2.)

  43. Néhány navigációs kifejezés (3.)

  44. Néhány navigációs kifejezés (4.)

  45. A GPS technika néhány alkalmazási területe

  46. A GPS technika alkalmazási területei: a világpiac számokban

  47. A GPS technika alkalmazási területei: a világpiac alkalmazásokban

  48. 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 technika alkalmazási területei: Hazai professzionális

  49. A GPS vevőberendezés felépítése, elemei

  50. 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)

More Related