SYSTEMY GPS

SYSTEMY GPS

Konrad Bajer

Uniwersytet [email protected]

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


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


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


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


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”.


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.


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


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)


10 /

27GLOBE 2003

Wyznaczanie pozycji (2D)


11 /

27GLOBE 2003

Wyznaczanie pozycji (3D)e

lect

ron

ics.

ho

wst

uffw

orks

.co

m/g

ps2

.htm


12 /

27GLOBE 2003

Sygnał czasu

Oficjalny wzorzec czasu dla Departamentu Obrony USA, dla GPS oraz oficjalny czas dla Stanów Zjednoczonych

tycho.usno.navy.mil


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


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


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”)


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


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


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 !!!


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.


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


21 /

27GLOBE 2003

WAAS – EGNOS - MSAS

Regionalne systemy wspomagające GPS

Poprawiają dokładność


22 /

27GLOBE 2003

Stacje EGNOS


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


24 /

27GLOBE 2003

Odbiorniki GARMIN

GARMIN 72

GARMIN 12


25 /

27GLOBE 2003

Ekrany GARMINa 12


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)


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


28 /

27GLOBE 2003


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


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


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


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.


33 /

27GLOBE 2003

Deklinacja magnetyczna

Wartość odczytana z mapy powinna być dodana do 0o i wówczas wskazuje prawdziwy kierunek północny


34 /

27GLOBE 2003

Arkusz pomiaru pośredniego

Arkusz pomiaru pośredniego GPS


35 /

27GLOBE 2003

SYSTEMY GPS

Documents

Transcript of SYSTEMY GPS