Post on 12-Jan-2016
description
SYSTEMY GPS
Konrad Bajer
Uniwersytet Warszawskikbajer@fuw.edu.pl
Instytut Geofizykiwww.igf.fuw.edu.pl
Centrum Badań nad Środowiskiem Przyrodniczymodiee.geo.uw.edu.pl
Center for Small-Scale Atmospheric Researchcessar.fuw.edu.pl
GLOBE 2003
– PODSTAWY
Global Positioning System
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
2 / 27GLOBE 2003
Czym jest GPS ?
24 satelity na orbitach wokółziemskich
Wyznaczanie pozycji, nawigacja i precyzyjny pomiar czasu
Działają 24 godziny na dobę przy każdej pogodzie
Używane wszędzie tam, gdzie potrzebna jest dokładna znajomość położenia
NAVSTAR GPS
Navigation Satellite Timing
And Ranging System
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
3 / 27GLOBE 2003
Z czego składa się GPS ?
Satelity na orbicie
Kontrola naziemna
Użytkownicy
• 1978 Pierwszy satelita Block 1 umieszczony na orbicie w roku.
• 1986 Katastrofa Challengera opóźnia budowę systemu.
• 1989 Pierwszy satelita Delta 2.
System GPS jest pod kontrolą Departamentu Obrony USA
ww
w.m
on
tan
a.e
du
/pla
ces/
gps
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
4 / 27GLOBE 2003
Satelity GPS
• Panele słoneczne
• Baterie Ni-Cd
• 4 zegary atomowe
Lockheed Martin SV11
1400 - 1900 kg
5m szer.
trwałość 7,5 roku
28 na orbicie
(maj 2003)
minimum: 24
Sat
elita
NA
VS
TAR
ele
ctro
nic
s.h
ow
stu
ffwor
ks.c
om
/gps
1.h
tm
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
5 / 27GLOBE 2003
Orbity satelitów GPS
• 24 satelity w sześciu płaszczyznach orbitalnych nachylonych pod kątem 55 do płaszczyzny równika. Wysokie orbity są stabilne
• Odległość od Ziemi ok. 20 000 km.
• Dla porównania satelity TV (geostacjonarne) 42,245 km
phy
sics
.syr
.ed
u/co
urs
es/P
HY
312
.03
Sp
ring
/GP
S/G
PS
.htm
l
•Okres obiegu ok. 12 h
•Codziennie wyłaniają się znad horyzontu o 4 min. wcześniej
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
6 / 27GLOBE 2003
Sygnały GPS
Satelity nadają sygnały radiowe (mikrofalowe) na dwóch częstotliwościach nośnych (moc 300-350 W):
L1: 1575.42 MHz kod C/A – cywilny
kod P/Y – wojskowyL2: 1227.60 MHz kod P/Y – wojskowy
Dostępne są dwie usługi:
Standard Positioning System (SPS)Dokładność przed wyłączeniem
zakłócania (Selective Availability) ok. 100 m.
Obecnie (po 1 maja 2000) < 13m (22m pion)
Precise Positioning System (PPS) Dokładność nominalna poniżej 1 m
Sygnał nie przenika przez przeszkody. Odbiornik musi „widzieć” satelity. Problemy pojawiają się w dżungli i w miejskich „kanionach”.
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
7 / 27GLOBE 2003
Almanach satelitów
Almanach satelitów jest to kompletna informacja o wszystkich
przewidywanych orbitach satelitów.
Almanach nadawany jest przez satelity razem z sygnałem czasu
Odbiornik GPS automatycznie wczytuje almanach za każdym razem, kiedy włączony jest przez czas dłuższy niż 15 min.
Dane almanachu są aktualne ok. 30 dni.Odbiornik nieużywany przez dłuższy czas pozostawić przez ok. 30 min. w miejscu gdziewidoczna jest większość nieba.
Dane almanachu są odbiornikowi potrzebne do oceny dostępności satelitów i wyświetlania ich
położenia.
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
8 / 27GLOBE 2003
Kontrola naziemna
Stacje monitoringu śledzą wszystkie satelity precyzyjnie mierząc w jakiej odległości się znajdują.
Stacja Centralna (Master Control Station - MCS) przetwarza dane obliczając trajektorie satelitów
MCS poprzez anteny naziemne przesyła dane o położeniu i trajektorii do satelitów.
Satelity nadają informacje: 1) Położenie i czas 2) Almanach - obliczone (przewidywane)
trajektorie 3) Poprawki do orbit otrzymane z MCS
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
9 / 27GLOBE 2003
Wyznaczanie odległości od satelity
Zegary satelitów i odbiornika są dokładnie zsynchronizowane Satelity i odbiorniki generują ten sam pseudolosowy kod (patrz rysunek) Z przesunięcia kodu własnego i kodu otrzymanego z satelity odbiornik może obliczyć odległość do satelity Dodatkowe komplikacje są spowodowane tym, że prędkość rozchodzenia się sygnału zależy od stanu atmosfery (zawartość wody) i wysokości satelity (teoria względności)
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
10 /
27GLOBE 2003
Wyznaczanie pozycji (2D)
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
11 /
27GLOBE 2003
Wyznaczanie pozycji (3D)e
lect
ron
ics.
ho
wst
uffw
orks
.co
m/g
ps2
.htm
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
12 /
27GLOBE 2003
Sygnał czasu
Oficjalny wzorzec czasu dla Departamentu Obrony USA, dla GPS oraz oficjalny czas dla Stanów Zjednoczonych
tycho.usno.navy.mil
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
13 /
27GLOBE 2003
Synchronizacja zegara odbiornikaw
ww
.en
g.a
ubu
rn.e
du
/de
par
tme
nt/a
n/T
ea
chin
g/B
SE
N_6
220
/GP
S
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
14 /
27GLOBE 2003
Synchronizacja zegara odbiornikaw
ww
.en
g.a
ubu
rn.e
du
/de
par
tme
nt/a
n/T
ea
chin
g/B
SE
N_6
220
/GP
S
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
15 /
27GLOBE 2003
Zastosowania TRANSPORT
Drogowy Kolejowy Lotniczy Publiczny Morski
SIECI ENERGETYCZNE Pomiar czasu z dokładnością mikrosekundową pozwala zlkalizować miejsce awarii z dokładnością do 300 m, co jest równe odległości między słupami Prace poszukiwawcze, np. pozycjonowanie platform wiertniczych.
TELEKOMUNIKACJA Precyzyjna lokalizacja telefonów komórkowych Serwisy informacyjne zależne od lokalizacji telefonu Procedury ratunkowe zależne od położenia ratowanego. Wycena usług zależna od położenia (strefy „biznesowe” i „mieszkaniowe”)
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
16 /
27GLOBE 2003
Zastosowania SZYFROWANIE
Precyzyjny sygnał czasu może być podstawą skutecznych i powszechnych metod szyfrowania finanse, bankowość, ubezpieczenia certyfikacja dokumentów elektronicznych
ROLNICTWO Łatwa i szybka rejestracja obszarów zajmowanych pod poszczególne uprawy Precyzyjne stosowanie chemikaliów
ŚRODOWISKO Badanie stanu atmosfery Monitorowanie gatunków zwierząt
POMOC LUDZIOM NIEPEŁNOSPRAWNYM Informacja o położeniu i wskazywanie drogi niewidomym (zastępuje mapę) Planowanie trasy dla ludzi na wózkach inwalidzkich (programowalne wózki) Pomoc dla ludzi z zanikami pamięci (choroba Alzheimera) Systemy informacji w środkach transportu publicznego
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
17 /
27GLOBE 2003
Water Vapor Estimation from Ground GPS Networks & Assimilation into Atmospheric Models
Badanie atmosferyw
ww
.gfz
-po
tsd
am
.de/
pb1
/GA
SP
GPS Atmosphere Sounding Project (GASP)
GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ)
Całkowita zawartość pary wodnej w atmosferzew ciągu ostatnich 24 godzin
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
18 /
27GLOBE 2003
Ekstremalna precyzja – drgania budynków
Pa
trz
"Th
e h
eig
ht o
f pre
cisi
on
" n
a s
tro
nie
ww
w.g
psw
orld
.co
m/g
psw
orld
Dokładność 7.6 mm !!!
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
19 /
27GLOBE 2003
Europejski GPS
Projekt europejskiego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS)
GNSS I (EGNOS) European Geostationary Navigation Overlay System Ma być uruchomiony w roku 2004. Składa się z trzech satelitów geostacjonarnych, 34 stacji naziemnych i trzech centrów kontroli. Wykorzystuje zarówno sygnał amerykańskiego GPS, jak i rosyjskiego GLONASS (GLObal Navigation Satellite System) Poprawi w Europie dokładność z obecnych 20 m do 5 m. Przeznaczenie wyłącznie cywilne, głównie dla transportu.
GNSS II (GALILEO) Europejski odpowiednik amerykańskiego GPS. Ma konkurować z GPS, ale oba systemy mają wspólnie tworzyć system ogólnoświatowy (GNSS). GALILEO ma kosztować $ 3,5 mld i być gotowy w roku 2008. EGNOS będzie konieczne dla integracji GPS i GALILEO. Stany Zjednoczone próbowały zahamować budowę niezależnego systemu europejskiego.
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
20 /
27GLOBE 2003
EGNOS i GALILEODokładność pozioma
obecnego GPS
27 satelitów na 6-ciu orbitach geostacjonarnych. Możliwa rozbudowa do 31-32 satelitówminimum 21 + 3 zapasowe
Dokładność poziomaGPS + EGNOS
3 dodatkowe satelity +34 stacje naziemne
Planowane uruchomienie 2004
Dokładność poziomaGALILEO
30 nowych satelitów europejskich na 3
orbitach 23 616 km nachylonych 56 do
płaszczyzny równikaPlanowane
uruchomienie: 2008
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
21 /
27GLOBE 2003
WAAS – EGNOS - MSAS
Regionalne systemy wspomagające GPS
Poprawiają dokładność
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
22 /
27GLOBE 2003
Stacje EGNOS
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
23 /
27GLOBE 2003
EGNOS dzisiaj
System uruchomiono 28 lipca 2005 (faza wstępna)
Na początek roku 2006 planowane jest oficjalne ogłoszenie dostępności sygnału
W roku 2007 ma być ogłoszona dostępność sygnału dla systemów ratujących życie
SISNet – transmisja sygnału EGNOSw Internecie. Dostępny, na przykład,poprzez GPRS (niezależnie odwidoczności satelitów geostacjonarnych EGNOS)
3 satlity geostacjonarne transmitujące poprawki GPS
Odbiorniki EGNOS: http://esamultimedia.esa.int/docs/egnos/estb/SBAS_receivers.pdf
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
24 /
27GLOBE 2003
Odbiorniki GARMIN
GARMIN 72
GARMIN 12
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
25 /
27GLOBE 2003
Ekrany GARMINa 12
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
26 /
27GLOBE 2003
„Status screen”
Searching Szuka satelitów AutoLocate Zbiera informacje o położeniu sat. Acquiring Zbiera wstępne dane 2D Nav Ustalił pozycję 2D, czeka na 3D 3D Nav Normalnie działa i sledzi pozycję 2D diff Ustalił poz. 2D różnicowo, czeka na 3D 3D diff W pełni sledzi pozycję różnicowo Not usable Nie był w stanie obliczyc położenia.
Wyłącz i włącz ponownie Poor Coverage Nie może obliczyć położenia,
będzie próbował nadal. Enter Altitude Do rozpoczęcia obliczeń niezbędne
wprowadzenie przybliżonej wysokości. Simulator Praca symulacyjna (demo). Udaje ruch
(ekran statusu)
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
27 /
27GLOBE 2003
„Track screen”
(ekran pozycji)
TRACK Kierunek, w którym się poruszamy SPEED Pozioma składowa prędkości TRIP Dystans, jaki pokonalismy ALT Wysokość POSITION Położenie geograficzne w stopniach
i minutach decymalnych TIME Czas (Czas Uniwersalny)
Jednostki można wybierać
Wysokość nie będzie pokazana jeśli odbiornik namierzył tylko pozycję 2D
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
28 /
27GLOBE 2003
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
29 /
27GLOBE 2003
CzasyCzas uniwersalny UTC – czas jednakowy w każdym miejscu kuli ziemskiej
Czas urzędowy (local time) – zależy od długości geograficznej oraz pory roku.
W Polsce czas urzędowy jest przesunięty o 2 godziny do przodu względem UTC w okresie letnim oraz 1 godzinę w zimie.
Przykład:
10:10 czasu urzędowego w letniej porze roku odpowiada 8:10 czasu UTC.
Wszystkie pomiary w GLOBE powinny być raportowane w czasie uniwersalnym
Południe lokalne- moment górowanie Słońca nad horyzontem. W środkowej Polsce przypada on na godzinę 10:30 UTC co oznacza że w lecie południe lokalne występuje o godzinie 12:30 zaś w zimie około 11:30. Południe lokalne przesuwa się o 1 godzinę na 15 stopni szerokości geograficznej
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
30 /
27GLOBE 2003
CzasyPrzykład: Jeśli na szerokości geograficznej 23o E południe
lokalne występuje o godzinie 12:15 czasu urzędowego to na szerokości geograficznej 18o E występuje o godzinie:
(23-18)/15=1/3 hZamieniamy 1/3 godziny na liczbę minut:1/3*60=20 minut. 12:15 – 20 minut (minus bo przesuwamy się na
zachód) . Przesuwając się na zachód południe lokalne wypada wcześniej zaś na wschód później.
Południe lokalne wypada wiec o 11:55
Sposoby wyznaczania południa lokalnego:1) Na podstawie czasu wschodu i zachodu Słońca2) Na podstawie GPS3) Na podstawie pomiarów cienia przy pomocy
gnomonu (umożliwia wyznaczenie deklinacji magnetycznej)
PrzykładWschód Słońca 5:40 zachód Słońca 19:50Obliczamy sumę: 5:40+19:50=23h 90 m= 24h 30mDzielimy otrzymana godzinę na pół: 12h 15 m
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
31 /
27GLOBE 2003
Przeliczanie jednostekZamienianie stopni /minut/ sekund na układ dziesiętny.
Przykład:Mamy następującą szerokość geograficzna:52o34’12’’N i chcemy ja zamienić na liczbę stopni w systemie dziesiętnym. Zamieniamy liczbę sekund na minuty12’’/60=0.2’
Mamy zatem: 52o34.2’NNastępnie zamieniamy minuty na stopnie34.2/60=0.5700o zaokrąglając do 4 cyfr po przecinku.Otrzymujemy wiec52.5700o N
Odwrotnie Wychodzimy z wartości 52.5700o NZ części ułamkowej 0.5700 obliczamy liczbę minut0.5700*60=34.20’
Liczbę sekund obliczamy z części ułamkowej 0.200.20*60=12Zatem mamy 52o34’12’’N
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
32 /
27GLOBE 2003
Pomiar pośredni
1. Wyznacz lokalną deklinacje magnetycznąW Polsce wynosi 71oN 96oW (biegun północny), -72oS 155oE (biegun południowy)
1. Zaznacz miejsce pomiaru docelowego. Spróbuj, czy da się wykonać pomiar bezpośredni
2. Za pomocą kompasu wyznacz północ magnetyczną3. Uwzględniając deklinację oblicz i wyznacz kierunek
północy geograficznej4. Idź dokładnie na północ lub dokładnie na południe
od miejsca pomiaru docelowego aż trafisz na miejsce gdzie możliwy jest pomiar GPS. To będzie punkt pomiaru pośredniego.
5. Zanotuj, czy szedłeś na północ, czy na południe.6. Taśmą mierniczą lub „stopkami” zmierz odległość,
jaką przeszedłeś.7. Zmierzoną odległość podziel przez 1855 m/minutę,
aby otrzymać różnicę położeń wyrażoną w decymalnych minutach kątowych.
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
33 /
27GLOBE 2003
Deklinacja magnetyczna
Wartość odczytana z mapy powinna być dodana do 0o i wówczas wskazuje prawdziwy kierunek północny
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
34 /
27GLOBE 2003
Arkusz pomiaru pośredniego
Arkusz pomiaru pośredniego GPS
Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki
35 /
27GLOBE 2003