22.9.2014

1

Modernizacija sistemov GNSS

asist. mag. Oskar SterleUniverza v Ljubljani, FGG

Vsebina predstavitve

• Uvod• Pregled sistemov in njihove lastnosti• Opazovanja pridobljena s satelitov• Združevanje sistemov GNSS• Modernizacija sistemov GNSS

– GPS– GLONASS

• Posledica modernizacije za uporabnika

Uvod

• GNSS – ključna komponenta današnjih globalnih informacijskih infrastruktur

• GNSS v široki uporabi pri aplikacija prostorskih podatkov:– Geodetske naloge (skoraj vse vrste)

– Navigacija:• Lokalno, regionalno, globalno• Avtomobili, letala, plovila …

– Uporaba v prostorskem planiranju, kmetijstvu, gozdarstvu, gradbeništvu, geologiji…

– Naloge reševanja življenj (gasilci, reševalci…)

22.9.2014

2

SATELITSKI SISTEMI DOLOČANJA POLOŽAJA

• Številni sistemi v uporabi in izgradnji• Globalni sistemi:

– NAVSTAR GPS (ZDA)– GLONASS (Rusija)– Compas / Beidou (Kitajska)– Galileo

• Regionalni sistemi – podpora globalnim sistemom na regionalni ravni

NAVSTAR GPS

• Vlada ZDA, 1973 (nadgradnja starejših sistemov)• Sistem uporaben od leta 1985• Široka uporaba v geodetski praksi od 1989• Popolno operativen: 1994 (24 aktivnih satelitov -

zagotovljeni vsaj 4 sateliti)• Lastni referenčni sistem:

– WGS84 in GPS čas• Kontrolni segment: 5 postaj (1 glavna postaja v

Coloradu)

NAVSTAR GPS

Lastnosti:– 24 satelitov razporejenih na 6 ravnin (nominalno)– 6 ravnin (A-F), vsaj 4 sateliti na ravnini (trenutno 32)– Ravnine nagnjene za 55°glede na ekvatorialno

ravnino– Srednja višina 20 200 km, e=0.1, obhodni čas ~11h

58min– Dve nosilni valovanji:

• L1 = fL1 = 1575,42 MHz (CDMA) - C1, P1

• L2 = fL2 =1227,60 MHz (CDMA) - P2

• Trenutno stanje sistema: ftp://tycho.usno.navy.mil/pub/gps/gpstd.txt

22.9.2014

3

• Vlada Rusije, 1982• Popolno operativen: 1995 (24 aktivnih satelitov)• Ekonomsko stanje Rusije (90. leta): “sesutje” sistema

(leta 2001 samo 6 delujočih satelitov)• 2000: Vladimir Putin določi GLONASS kot prioriteto

razvoja• 2010: 100% pokritost Rusije• 2011:100% pokritost cele Zemlje – delujočih 24

satelitov doseženo

GLONASS

LASTNOSTI:– 24 satelitov razporejenih na 3 ravnine– 3 ravnine (1-3), 8 satelitov na ravnini (trenutno

31)– Ravnine nagnjene za 65°glede na ekvatorialno

ravnino– Srednja višina 19 140 km, e=0.01, obhodni čas

~11h 14min– Dve osnovni nosilni valovanji:

• L1 = fL1 = 1602 MHz (FDMA) - C1, P1

• L2 = fL2 = 1246 MHz (FDMA) - P2

• Trenutno stanje sistema: http://www.glonass-center.ru/en/GLONASS/

GLONASS

• Razlikovanje satelitov – različne frekvence in ista koda

• fL1 = 1602 + k 0,5625 MHz• fL2 = 1246 + k 0,4375 MHz

• k – frekvenčni kanal (številka) (angl. frequencynumber / channel)

GLONASS

| Plane 1/ slot | 01 | 02 | 03 | 04 | 05 | 06 | 07 | 08 |

| Channel | 01 | -4 | 05 | 06 | 01 | -4 | -- | 06 |

|---------------|----|----|----|----|----|----|----|----|

| Plane 2/ slot | 09 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |

| Channel | -2 | -7 | 00 | -1 | -2 | -7 | 00 | -1 |

|---------------|----|----|----|----|----|----|----|----|

| Plane 3/ slot | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 |

| Channel | 04 | -3 | 03 | 02 | 04 | -3 | 03 | 02 |

22.9.2014

4

GLONASSPRN K FL1 FL2 LAM1 LAM2

01 1 1602.5625 1246.4375 0.1871 0.2405

02 -4 1599.7500 1244.2500 0.1874 0.2409

03 5 1604.8125 1248.1875 0.1868 0.2402

04 6 1605.3750 1248.6250 0.1867 0.2401

05 1 1602.5625 1246.4375 0.1871 0.2405

06 -4 1599.7500 1244.2500 0.1874 0.2409

07 5 1604.8125 1248.1875 0.1868 0.2402

08 6 1605.3750 1248.6250 0.1867 0.2401

09 -2 1600.8750 1245.1250 0.1873 0.2408

10 -7 1598.0625 1242.9375 0.1876 0.2412

11 0 1602.0000 1246.0000 0.1871 0.2406

12 -1 1601.4375 1245.5625 0.1872 0.2407

13 -2 1600.8750 1245.1250 0.1873 0.2408

14 -7 1598.0625 1242.9375 0.1876 0.2412

15 0 1602.0000 1246.0000 0.1871 0.2406

16 -1 1601.4375 1245.5625 0.1872 0.2407

17 4 1604.2500 1247.7500 0.1869 0.2403

18 -3 1600.3125 1244.6875 0.1873 0.2409

19 3 1603.6875 1247.3125 0.1869 0.2404

20 2 1603.1250 1246.8750 0.1870 0.2404

21 4 1604.2500 1247.7500 0.1869 0.2403

22 -3 1600.3125 1244.6875 0.1873 0.2409

23 3 1603.6875 1247.3125 0.1869 0.2404

24 2 1603.1250 1246.8750 0.1870 0.2404

GALILEO

• Začetek snovanja konec 1990• EU, ESA, 1999 (prvi koraki 2003)• Cilj: 5. satelit 2014, 18 satelitov do 2015, skupaj vsega

30 satelitov (leto 2020?)• Končna odločitev o izgradnji marca 2002 (najbolj

sofisticiran GNSS)• Prva eksperimentalna satelita: GIOVE-A (2005), GIOVE-

B (2008), • Strukturirana uporaba (5 storitev):

– Open Service (OS) brezplačen– Commercial Service (CS)– Public Regulated Service (PRS) in– Safety of Life Service (SoL)– Search And Rescue Service (SAR)

• Trenutno 4 delujoči sateliti

GALILEO

• Koordinatni sistem ITRS• UTC čas• Lastnosti:

– Sistem bo sestavljalo 30 satelitov (27 operativnih, 3 rezervni)– Sateliti bodo v 3 ravninah, nagnjenih za 56 stopinj glede na

ekvator– Višina satelitov 23 222 km, skoraj krožna tirnica– Obhodni čas 14h 07min– Tri nosilna valovanja (10 signalov):

• E1, fE1 = 1575,42 MHz (CDMA)• E5b, fE5b = 1207,14 MHz (CDMA)• E5a, fE5a = 1176,45 MHz (CDMA)

• Trenutno stanje sistema:http://www.gsa.europa.eu/galileo-0#

22.9.2014

5

Compass / Beidou

• Vlada LR Kitajske• Beidou-1: 2000 (4 sateliti)• Beidou-2 oz. Compass: 2007 (16 satelitov)• Skupno: 35 satelitov (5 geostacionarnih)• Lastnosti:

– Višina satelitov 21 500km (skoraj krožne orbite)

– Obhodni čas 12h 35min– Štiri nosilna valovanja: E1, E2, E5B, E6

REGIONALNI SATELITSKI NAVIGACIJSKI SISTEMI

� Regionalni satelitski sistemi:� IRNSS: Indija (Indian Regional Navigational SS)

� Začetek: 2006� Cilj: 3 geostacionarnih + 4 geosinhornih satelitov

� QZSS: Japonska (Quasi-Zenith Satellite System)

� 2010: Izstreljen 1. satelit� Popolna operativnost: 2013 (3 sateliti)� Naloga: dopolnitev GPS

� DORIS: Francija (Doppler Orbitography and Radio-positioningintegrated by Satellite instrument)

� Originalno za 6 satelitov opremljenih s sistemom DORIS

� Namen: določiti natančen položaj satelitov in sprejemnikov

� Postopek: Dopplerjev efekt

QZSS:

22.9.2014

6

IRNSS:

DORIS:

SESTAVA GNSS:

22.9.2014

7

OPAZOVANJA GNSS:V splošnem poznamo dve različni vrsti opazovanj GNSS:• Kodna opazovanja:

– Oznaka: kodna psevdoopazovanja (Enote: meter) (C1, P1, P2)– Kaj predstavlja: geometrična razdalja satelit-sprejemnik +

pogreški– Zakaj psevdo: pogrešek ure sprejemnika– Natančnost: 0,1% - 1% valovne dolžine kode ~ 0,1m – 3m– Niso uporabna za geodetsko natančnost

• Fazna opazovanja:– Kaj predstavlja: razlika v valovanju signala s satelita in signala

generiranega v sprejemniku (enote: obrati/cikli) (L1, L2)– Praktično: fazna psevdorazdalja– Natančnost: 0,1% - 1% valovne dolžine kode ~ 0,2mm – 2.0mm– Edina uporabna za geodetsko natančnost– Problem: neznano število celih valov

Ostala opazovanja:– Dopplerjeva opazovanja (D1,D2)– Razmerje signala in šuma (S1,S2)

VPLIVI NA OPAZOVANJA GNSS (Pogreški):

Fazna in kodna opazovanja so obremenjena z sistematičnimi vplivi:• Izvor na satelitu:

– Pogrešek položaja satelita in teka ure satelita (~10m nivo)– relativnost (~30m)– Fazna opazovanja: preskok faze („Phase wind-up“) (dm nivo)– Fazni center antene satelita (par metrov)– Zamik med kodami na nosilnih valovanjih (metrski nivo)

• Izvor v atmosferi:– Ionosfera (5 – 150 m v zenitu)– Troposfera (2,5 m v zenitu, do 25 m )

• Izvor na točki, kjer je postavljen sprejemnik:– Pogrešek ure sprejemnika– Fazni center antene sprejemnika (dm nivo)– Plimovanje čvrste Zemlje (do 30 cm po višini)– Vpliv plimovanja oceanov (cm nivo)– Gibanje polov (mm – cm nivo)– “hardware delay” – GLONASS (do 1,5m)– Odboj signala (multipath) – koda (par m), faza (do 6cm)

VPLIV NA KOORDINATE:

22.9.2014

8

ZDRUŽEVANJE SISTEMOV GNSS

S kombinirano uporabo signalov GNSS je položaj in točen čas na ravni

kakovosti, ki je boljša kakor samo na osnovi enega od GNSS

Prednosti:

•Večje število opazovanj: ~ 100

satelitov

Posledica

•Večja zanesljivost (mesta, gore …)

•Boljše geometrijske lastnosti (DOP

faktorji)

•Hitrejša in zanesljivejša inicializacija

(RTK)

•Tudi 95% dostopnost signala

ZDRUŽEVANJE SISTEMOV GNSS

Problemi:

•Vsak sistem uporablja svoj čas: nova neznanka v modelu

•Vsak sistem deluje v okviru svojega referenčnega sistema:

transformacije med vsemi tremi sistemi (WGS84, PZ90 in

ITRF) niso povsem znani

•Različne frekvence pri satelitih GLONASS: različne linearne

kombinacije pri vsakem satelitu (NŠCV)

•T.i. “hardware biases” – različne frekvence lahko povzročijo

različne sistematične vplive v strojni opremi sprejemnika

MODERNIZACIJA SISTEMOV GNSS

Modernizacija sistemov je različna za različne sisteme:

•GPS: deležen največjega nivoja modernizacije

•GLONASS: mlajši sistem, manjše spremembe pri

modernizaciji

•Galileo: zasnovan tako, da bo skladen z

moderniziranima sistemoma GPS in GLONASS

22.9.2014

9

MODERNIZACIJA GPS

•Modernizacija poteka neprestano:

–Daljša doba satelitov, močnejši signali, boljše storitve kontrolnega s.

•Prvi viden korak: odprava SA motnje leta 2000

MODERNIZACIJA GPS

Splošno:

• Potreba po modernizaciji: 1995 – vse večja uporaba GPS

v civilni sferi

• Cilji modernizacije:

• Novo nosilno valovanje (L5)

• Novi signali na nosilnih valovanjih (L2C, L1C)

• GPSIII

• Modernizacija kontrolnega segmenta

• Vse večji poudarek na dvo-, tro-frekvenčni uporabi GPS v

civilni sferi

• Izboljšava jakosti in zanesljivosti signala

MODERNIZACIJA GPS: L2C SIGNAL

Namen:

•Oddaja prosto dostopne civilne kode (CA) na valovanju L2

Izboljšave:

• Močnejši signal kot na L1 (~3dB) – večja zanesljivost sledenja signala

• Sledenje signalu v primeru izpada L1 signala

• Daljše kode – kakovostnejša stopnja korelacije in sledenje signala

• Dvofrekvenčnost: možnost odprave vpliva ionosfere 2. reda tudi v

realnem času za navigacijsko rešitev

• Vsi sateliti vrste Block IIR-M in kasnejši imajo L2C signal (od leta

2005)

22.9.2014

10

MODERNIZACIJA GPS: L5 NOSILNO VALOVANJE

Namen:

Uvedba dodatnega valovanja t.i. “Safety of life”, predvsem za

potrebe aeronavigacije

Izboljšave:

•Dodatna opazovanja na dodatni frekvenci

•Prosto dostopna kodna opazovanja – kakovostnejša in

zanesljivejša od kodnih opazovanj na L1

•Sateliti vrste Block IIF (od 2010)

MODERNIZACIJA GPS: L1C SIGNAL

Namen:

•Zamenjava/modernizacija kode CA na L1 nosilnem valovanju

Izboljšave:

• Močnejši signal na L1 (~3dB) – večja zanesljivost sledenja signala

• Kompatibilna koda s staro CA kodo, interoperabilna z Galileo in QZZS

kodo

• Daljše kode – kakovostnejša stopnja korelacije in sledenje signala

• Planirano za leto 2013, načrtovano končanje leta 2020

MODERNIZACIJA GPS: GPSIII

Namen:

•Fizična izvedba: močnejši signali in nosilna valovanja

•Značilno izboljšanje natančnosti,točnosti, zanesljivosti …

sistema GPS

•Možnost popolne delitve civilne in vojaške uporabe sistema

•Izboljšava na način, da je sistem kompatibilen s starejšimi

sprejemniki

•Zmanjšanje stroškov upravljanja sistema

•Cilj za naslednjih 30 let

22.9.2014

11

MODERNIZACIJA GPS: GPSIII

•GPS III sestavlja 32 satelitov v treh blokih:

–Blok A: •Povečana natančnost

•Večanje pokritosti Zemlje (jakost signala)

•Dodatni signalL1C

–Blok B:•Komuniciranje s sateliti v realnem času

–Blok C:•Izboljana jakost signala za uporabo v vojaške namene

•Večja odpornost na motenje signala (angl. jamming)

MODERNIZACIJA GPS: KONTROLNI SEGMENT

Cilji modernizacije kontrolnega segmenta:

•Povečanje števila kontrolnih postaj po svetu iz 6 na 16

•Izboljšava učinkovitosti glavne postaje (master station)

Posledica za uporabnika:

•Učinkovitejše in kakovostnejše upravljanje sistema (večja

dostopnost)

•Kakovostnejše in zanesljivejše določevanje položaja v

realnem času (s satelita oddane efemeride in ure

sprejemnikov)

22.9.2014

12

MODERNIZACIJA GLONASS

Splošno:

• Pri GLONASS podobna modernizacija kot pri GPS

• Poudarek: uvedba novega valovanja L3 na novih GLONASS-K

satelitih

• Prva izstrelitev GLONASS-K: marec 2011 (še v fazi testiranja)

• Planirana vsakoletna izstrelitev satelita GLONASS-K, do

končnega leta 2014

• Novi sateliti GLONASS-K2: tudi kodno razlikovanje satelitov

(CDMA) (od 2014 naprej)

• Izvedba modernizacije tudi na kontrolnem segmentu –

kakovostnejše efemeride in tek ur satelitov

POSLEDICA MODERNIZACIJE ZA UPORABNIKE

Neposredne posledice:

• Uvedba novih civilno dostopnih kod na L1 in L2:

• Večja moč signala – boljše sledenje signalu

• Večje število opazovanj

• Manj izpadov signala, večja pokritost

• Dvofrekvenčna uporaba v navigacijske namene – odprava vpliva ionosfere

(največjega pogreška v opazovanjih)

• Uvedba novega civilno dostopnega nosilnega valovanja L5/L3:

• Vse zgoraj naštete

• Odprava vpliva ionosfere do vključno 2. reda

• Trifrekvenčna rešitev – zanesljivejša rešitev NŠCV

• Izboljšava kontrolnega segmenta:

• Robustnejši sistemi

• Višja natančnost in točnost efemerid

POSLEDICA MODERNIZACIJE ZA UPORABNIKE

• Sistemi GNSS bodo:

• Bolj dostopni – več sistemov, več opazovanj, boljša pokritost

• Bolj robustni, zanesljivi, natančni, točni …

• Povečanje izrabe sistemov za potrebe nevarnost, reševanja, obveščanja

…

• Uporaba bo hitrejša (hitrejša inicializacija) tudi tam, kjer prej ni bila možna

(urbana območja, gozdovi, kanjoni …)

• Možnost integracije različnih sistemov za določitev položaja

Modernizacija in združevanje sistemov GNSS predstavlja nove

mejnike v geodeziji – tehnologija odpira nove meje teoretične

obravnave in izrabe sistemov GNSS

22.9.2014

13

Hvala lepa za pozornost …