GNSS

GNSS
Telematika (TM)
Petr Bureš
Ústav řídící techniky a telematiky
ČVUT v Praze, Fakulta dopravní
Vývoj a historie navigace
Petr Bureš
K620TM
Obsah
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 2
Navigace – co a jak?
Nezbytné
• Zjistit zeměpisnou délku a šířku
Zeměpisná šířka:
• odhaduji polohu vůči rovníku
• pozorováním elevace nebeských
těles, úhlu, který svírají
s horizontem.
• Na severní polokouli stačí polárka
(sice jen v noci, ale jednoduché)
• Na jižní polokouli polárka není vidět
(pozorujeme slunce v jeho nejvyšším
bodu a podle tabulek porovnáváme se
známou zeměpisnou šířkou
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 3
Navigace – co a jak?
Zeměpisná délka:
• odhaduji polohu vůči 0tému poledníku / výchozímu místu
1. Inkrementální zápisy směru (kompas) a rychlosti (odhad) za
jeden každý den
– Zpřesnění použitím lepších měřidel a zjemnění měření
(např. směr a rychlost co ½ hodiny, záznamové zařízení)
2. Měření časového rozdílu mezi lokálním časem a časem na
nultém poledníku.
– Hodiny s Greenwichským časem, lokální měření času
pozorováním nebeských těles (např. slunce v poledne)
– Měření vzdáleností „blízkých“ a vzdálených nebeských těles
a jejich porovnáváním s almanachem (zjistím čas G)
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 4
Co potřebuji?
NAVIGAČNÍ NÁSTROJE
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 5
Navigace – co a jak?
Co potřebuji při navigaci (na moři)
• Almanach, „oběžných drah“ nebeských těles (hodinu za
hodinou – roky dopředu, vzhledem k observatoři)
• Časomíru – (jaký je čas v observatoři?)
• Kartografické dílo
• Kompas
• Rychloměr
• Způsob / metodu pro výpočet vlastní polohy
• Úhloměr – (jaká je elevace pozorovaných nebeských těles)
• Potřebuji vše?
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 6
Měření zemské šířky
NAVIGAČNÍ NÁSTROJE
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 7
Měření zemské šířky
Historie – Kamal a Námořnický astroláb
• Kamal – úhel polárky v přístavu zaznamenán
uzlem (stačí plout po šířce a dopluji do
přístavu) – arábie
• Námořnický astroláb (od 200 BC) – pouze
kruh a „ukazovátko“ – měřím úhel který svírá
objekt s horizontem, poměřuji s tabulkami
známého úhlu objektu (většinou slunce v
nejvyšším bodu své dráhy) a přepočítávám
na lokální zeměpisnou šířku
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 8
Měření zemské šířky
Historie – Jakubova hůl a Davisův kvadrant
• Jakubova hůl (cross staff / 1100 AD)
měřím úhel, dívám se jak na horizont
tak i na měřený objekt (složité,
nepraktické - oslnění)
• Davisův kvadrant
(back staff / 1590 AD) měřím úhel, zády k
slunci hýbu pohyblivým ramenem vrhajícím
stín na otvor přes který vidím horizont (pozice
ramene dává úhel). Na obrázku vylepšený
model (problém s málo jasnými objekty)
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 9
Měření zemské šířky
Historie – kvadrant, oktant a sextant
• Kvadrant (1450 AD) – měřím úhel, pouze
¼ kruhu, závaží s provázkem udává úhel
• Oktant (1731 AD) – měřím úhel, pouze 1/8
kruhu, sestava zrcátek, přes průhledné
vidím horizont (1), druhé připevněné k
otočnému ramenu kterým určuji úhel, chci
vidět nebeský objekt v zrcátku (1)
• Sextant (1759 AD) –
měřím úhel, 1/6 kruhu,
používá se dodnes
velmi přesný
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 10
Měření směru a rychlosti
NAVIGAČNÍ NÁSTROJE
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 11
Měření směru a rychlosti
Historie – mechanický kompas
První navigační systém Čína ?2600 BC
• Používal „diferenční odometr“ tak, aby
figura ukazovala stále na jih (či někam jinam)
• Další čínský vynález (~?2600 BC) používal 2
figury bubnující po ujetí určité vzdálenosti
do bubínků (jedna bubnovala po ujetí
každé jednotky (li) a druhá po ujetí deseti
jednotek)
Podobný systém použit v automobilech v USA na začátku 20 století
• Používaly odometr k určení ujeté vzdálenosti a vydávaly příkazy
po ujetí předem nastavené vzdálenosti (podle předem
nastaveného plánu) – instrukce ve formě předtištěných textů
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 12
Měření směru a rychlosti
Historie – magnetický kompas
• Aneb bez kompasu to nepůjde
• První zmínky o kompasech
z Číny přibližně 200 BC
– Si Nan (lžíce)
– Ryba
– Želva
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 13
Měření směru a rychlosti
Historie kompasu – Evropa
• Kompasy 12- 13 AC a novější
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 14
Měření směru a rychlosti
Historie rychloměru
• Měření rychlosti lodi okem (dle vzdutí vlny na přídi)
• „lano s kládou“ s uzly po 7 sázích
(1 sáh 1,83 m). Měřil se počet uzlů
za ½ minuty = rychlost v „uzlech“
(počet pozemních mil za hodinu)
• Měření času – přesýpací hodiny
• Směr a rychlost se zapisovaly na
konci každé ½ hodiny až do konce
hlídky (4h) na speciální tablo
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 15
Měření zemské délky
NAVIGAČNÍ NÁSTROJE
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 16
Měření zemské délky
Historie - hodiny
• 1 hodina = 15° stupňů zemské délky, (1° na rovníku ~ 390 km)
• Znám lokální čas (například poledne, změřený podle nejvyššího
bodu dráhy slunce), znám domácí čas díky přesným hodinám
• Rozdíl je úměrný stupňům zemské délky
• Hodiny používané při navigaci
– ANO: Sluneční (Vikingové)
– ANO: Přesýpací (až do 17. století)
– NE: Mechanické, vodní
– NE: Hvězdné hodiny (astroláb) – lokální
mapa oblohy – výměnné disky podle
polohy,
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 17
Měření zemské délky
Historie - hodiny
• Nokturnal - měřím vzdálenost severky
od hvězd ve velkém voze po korekci na
den odečítám hodiny dané svíraným
úhlem
• Měsíční metoda – Měření sextantem
za použití almanachu měřím vzdálenost
mezi měsícem a vybranou hvězdou,
provádím korekce na refrakci a paralaxu
a z almanachu zjišťuji čas na nultém
poledníku. http://en.wikipedia.org/wiki/Lunar_distance_(navigation)
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 18
Měření zemské délky
Historie - hodiny
Hodiny (první mechanické hodiny v Evropě cca 1275)
• R 1475 první hodiny poháněné pružinou
• R 1580 plán hodin řízených kyvadlem (Galileo Galilei)
• R 1675 (huygens) hodiny s nepokojem – teplotně nestabilní
• R. 1714 nabídla britská vláda 20 000 liber (2 mil $) vynálezci
přesných hodin (denní odchylka max. 3 s)
• R. 1762 první přesný chronometr (John Harrison). – teplotní
kompenzace pomocí bimetalových pásků
• J. Cook na 2. výpravě (1772-75) používá kopii těchto hodin, na
první výpravě (1768-71) používal měsíční metodu – měl
námořní almanach, první vydání 1767)
(ještě ~100 let dost drahé, používá se lunární metoda)
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 19
Historie - hodiny
Měření zemské délky
Historie - hodiny
• První přesné hodiny (J. Harrison) vyrobeno r. 1762
• První hodiny stály až 30% ceny lodi, do začátku 19. stol cena
klesla na 25-100 liber (1/2 - 2 roční plat dělníka)
• V 19. stol plně nahradily měsíční metodu
• 1889 AD – ½ volné kyvadlo
• 1921 AD – volné kyvadlo
Shorrtovy hodiny
• 1930 – řídící krystal
• 1949 – atomové hodiny
(resonance atomu čpavku)
• 1957 – cesiové atomové h.
• 1967 – časový standard
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 20
Historie map
MAPY A SOUŘADNICOVÉ SYSTÉMY
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 21
Historie map
První mapa?
• První mapa (možná) Pavlovské vrchy cca 24 000 př. n. l
•
Půdorysně zobrazuje v měřítku blízkém 1:25.000 meandrující řeku Dyji a nad ní se
tyčící Pavlovské vrchy, pod jejichž příkrými svahy (krátké šrafy ve směru sklonu
svahu) je u řeky znázorněno ono tábořiště (dvěma soustřednými kružnicemi)
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 22
Historie map
Starověk
• 6-5 stol. BC – mapa Babylónu
Starověk – Řecko
• Vysoká úroveň kartografie
• Zobrazovací metody
Významní učenci posouvají hranice kartografie:
• 580 BC – (Anaximandros z Milétu): 1. kruhová
mapa, svět je válec, podstava, střed – Delfy
• 384 – 322 BC – Aristoteles: Země je kulatá
• 320 BC – (Dikaiarchosz Mesiny): pomocné čáry
• 276-196 BC – (Eratosthenés) pomocné čáry, velikost země
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 23
Historie map
Starověk
• Eratosthenova mapa světa (3 stol. BC)
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 24
Historie map
Starověk
• 150 BC – (Kratesz Mallu, podle Eratosthena): první glóbus
• 180 –126 BC – (Hipparchos z Nikeje): rovník na 360 dílů, zavedl
délku a šířku – podle tvaru středozemního moře
• 120 AC – (Marinusz Tyru): mapa světa ve válcovém zobrazení,
autor 1. atlasu, kart. zobrazení, úplná síť souřadnic
• 90 – 160 AC – (Klaudius Ptolemaius): kuželové zobrazení,
vydává mapu světa, vrchol starověké kartografie
Dále úpadek:
• Řím – žádné zobrazení
• Pád Říma úpadek
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 25
Historie map
Středověk
• Evropské středověké mapy
– Pásmové
– Oválné
– Kruhové
– Portulánové (kompasové)
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 26
Historie map
Jiné oblasti a středověk
• Čína:
– 250 AC – mapa Číny v měřítku 1:5 mil
– 1230 AC – vrchol čínské kartografie, potom upadá
• Arábie
– Nositelé řecké kultury,
– 1154 AD – (al-Idrísí): Kruhová mapa světa
• Renesance (14 – 16 stol) – znovuoživení mapování, proč?
– Knihtisk, znovuobjevení Ptolemaiova díla (1405), antické
kultury, významné geografické objevy, rozvoj astronomie
(Kopernik, Bruno. Galilei), potvrzení kulatosti země
(Magellan), „první“ globus (M. Behaim / 1492)
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 27
Historie map
Renesance
• 1512 – 1584 (Gerhard Mercator): výrazný posun v projekci map,
používá nové zobrazení a síť geografických souřadnic
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 28
Novodobá kartografie / moderní zobrazení
MAPY A SOUŘADNICOVÉ SYSTÉMY
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 29
Novodobá kartografie
Souřadnicové systémy
Novodobá kartografie
– Neustálé zpřesňování, objektivizace, metody: triangulace
– Vydávání nových přesných atlasů, vývoj znázorňování
• 19. stol AD – rozvoj matematické kartografie
• 20. stol AD – snaha o jednotnou mapu pro celý svět (1913)
souřadnicové systémy
• 1670 AD – Newton: Země je šišatá
• Reprezentace tvaru země: GEOID – 3D těleso které vzniklo
působením dvou sil přitažlivosti zemské a odstředivé síly a je
vztaženo k nulové hladině světového oceánu.
• Povrch Geoidu se liší od povrchu elipsoidu kvůli
nepravidelnostem Země
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 30
Novodobá kartografie
Geoid
• Zemský povrch
• Geoid - klidná střední hladina moří,
která jsou spojená i pod kontinenty.
Tato hladinová plocha je všude kolmá
na směr zemské tíže.
• Elipsoid je rotační těleso zploštělé na
pólech. Je určen dvěma konstantami
elipsoidu: např. a – hlavní poloosa
elipsoidu , b – vedlejší poloosa
elipsoidu, e2 – první excentricita, i –
zploštění
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 31
Novodobá kartografie
Elipsoid
• Souřadnice: šířka a délka – problémy s vlastními poledníky
(každá země měla vlastní referenční, např. Pařížský).
• 1884: přijetí poledníku v Greenwichi
• Sférické vs rovinné souřadnice (transformace pomocí rovnic
příslušného kartografického zobrazení)
Moderní zobrazení zemského povrchu používá ELIPSOID
• Přimykání elipsoidu ke geoidu lze ovlivnit jeho parametry
• Ovlivnění je lokální = vznikají lokální elipsoidy
– ČR: Besselův elipsoid (JTSK), Krasovského elipsoid (S42)
• Globální elipsoid (spolupráce) – WGS84
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 32
Novodobá kartografie
Elipsoid WGS 84
WGS 84 (elipsoid)
• kartézský souřadnicový systém WGS84 je definován geometrickými a
dynamickými parametry
• Geometrické parametry elipsoidu
WGS-84: a … hl. poloosa *m+, f …
zploštění nebo a … hl. poloosa *m+ a
b … vedl. poloosa *m+
• Dynamické parametry: ω … úhlová
rychlost rotace Země *rad s-1+, J2 …
Stokesův zonální koeficient 2. stupně
a GM … geocentrická gravitační
konstanta [m3s-2]
Petr Bureš
K620TM
Číselné hodnoty
souřadnic v *m+:
X = 3 920 890,225
Y = 1 182 869,142
Z = 4 874 664,898
GNSS
strana 33
Novodobá kartografie
Silniční navigační mapy
Navigační mapy musí být
• vektorové, + velké množství
atributů umožňujících parametrické routování na této síti
• musí být přesné (+- 10m)
• musí obsahovat povolené manévry
• musí být topologicky „čisté“
• musí obsahovat zájmové body
• Musí mít projekční systém kompatibilní s PS satelitních pozičních systémů
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 34
Vývoj rádiové navigace
MODERNÍ NAVIGAČNÍ NÁSTROJE
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 35
Vývoj rádiové navigace
Úhloměrné systémy – RDF a LFR
• Rádiová navigace: naladění rádiové frekvence a pomocí
směrové antény určit azimut, metodou triangulace pak pozici.
Lokace vysílačů je známá, nemění se, dá se použít i běžné AM
vysílání.
• Metody – starší: rotující anténa X novější: rotující solenoid
• Vysílač nesměrově vysílá kód v Morseově abecedě, který jej
identifikuje na frekvenci: 150 - 400 Khz nebo 520 - 1720 Khz
• 1907 AD – první rádiová navigace RDF
(radio detection finder)
• 1919 AD – jako vysílač se používá Adcockova
anténa, LFR (low frequency range)
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 36
Vývoj rádiové navigace
Úhloměrné systémy – LFF a VOR
• 1932 AD – vynález LFF (naváděcí / Lorenzův paprsek / DE) –
překřížené směrové antény vysílající přerušovaný signál, ve
správném směru vlivem smísení vnímán jako nepřerušovaný.
Vysílací frekvence 30 MHz, používáno za války k navádění.
• 1960 AD – vynález VOR (VHF Omni-directional Radio Ranging),
používá dva fázově posunuté
signály, jeden fázově stabilní
druhý úzký (směrový) s proměnnou fází podle směru, kterým
vysílá. Dá se odečíst úhel –
přijímací anténa NEMUSÍ
rotovat
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 37
Vývoj rádiové navigace
Hyperbolické systémy – LORAN a další
• Hyperbolické systémy – založené na měření časového rozdílu
příjmu od různých vysílačů
– Systém GEE používaný za WW2 (GB), vysílá časový signál,
přesnost 150 m na krátké vzdálenosti a až 1,6 km na dlouhé,
– Systém LORAN (USA) pro navigaci přes oceán, používá hlavní
a vedlejší vysílače, signál (puls) se šíří od hlavního a je
přebírán a vysílán vedlejšími – podle rozdílu času určuji
polohu. Systém je stále v provozu, po několika upgradech –
alternativa GPS (od WW2)
– Systém CHAYAKA (jako LORAN na Rusko)
– Systém DECCA (jako LORAN na Británie)
– A další (OMEGA, Alfa, …)
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 38
Vývoj družicové navigace
MODERNÍ NAVIGAČNÍ NÁSTROJE
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 39
Vývoj družicové navigace
vývoj v USA
• Družicová navigace vychází z konceptu hyperbolických systémů
• První inspirace sputnikem: Dopplerův jev + vím kde jsem = vím
kde je satelit – teď už je obrátit
• 1960 – systém TRANSIT, 5 satelitů, Dopplerův jev, bez hodin, fix
jednou za hodinu,
• 1960 – návrh systému MOSAIC (3D LORAN), následující studie
Project 57 (1963) položila základy GPS. Dále studie Project 621B
• 1974 – první atomové hodiny na 3. satelitu projektu Timation
• 1974 – vznik konceptu Navstar (prolnutí předchozích výzkumů)
• Až do 1989 testovací satelity, 1989 první satelit pro systém
GNSS, 24 satelitů vyneseno do 1994 – kompletní konstklace
• 1994 – systém Navstar-GPS v provozním stavu
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 40
Vývoj družicové navigace
vývoj ve světě
• Družicová navigace vychází z konceptu hyperbolických systémů
SSSR
• CIKADA, Dopplerův jev, bez hodin, fix jednou za hodinu,
• GLONASS, jako Navstar-GPS, vývoj od 1976, globální pokrytí
1991, 1995 plná konstelace, nefunkční období, 2010 plně
funkční (21/24 satelitů v provozu)
– Používá systém PZ-90 (Parametry Zemli 1990) na rozdíl od
WGS84
• Co je to? (PZ90/WGS84): parametry referenčního elipsoidu
(translace, rotace a měřítko) vůči zemskému povrchu, WGS84
dohodnut jako ICAO standard. Poloha se měří vůči němu.
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 41
Vývoj družicové navigace
vývoj ve světě
• Družicová navigace vychází z konceptu hyperbolických systémů
Evropa
• LOCSTAR nerealizováno (končí 1991, chtěl používat 4 satelity
projektu GOSTAR a vypustit další)
• GRANAS (Global Radio Navigation Satellite), nerealizováno.
Konceptuálně jednodušší něž GPS
• NAVSAT využití GRANAS a NAVSTAR, nerealizováno
• EUTELTRACS Evropská mutace OMNITRACS. Pro mobilní
komunikace. Budován třemi společnostmi. Využívá
jednoduchých telekomunikač. satelitů EUTELSAT.
• GALILEO - budoucí navigační projekt evropské unie?
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 42
Vývoj družicové navigace
vývoj ve světě
• Družicová navigace vychází z konceptu hyperbolických systémů
Čína
• COMPASS – 35 satelitů. 30 z nich je situováno na středním
zemském orbitu, a pouze 5 na geostacionární dráze.
• Zatím pouze 3 satelity na orbitě (2010)
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 43
Dálkoměrná metoda
MODERNÍ NAVIGAČNÍ NÁSTROJE
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 44
Dálkoměrná metoda
Pseudovzdálenost
• Měření pozice: vůči referenčnímu elipsoidu WGS84
• Počítám vzdálenost na základě doby, po kterou signál „putuje“ k
přijímači di = Ti * c
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 45
Dálkoměrná metoda
Jak na fix?
• Hodiny přijímače a vysílače nejsou synchronizovány (na rozdíl
od všech družic mezi sebou a řídícího segmentu)
• Neznámý posun hodin přijímače vůči hodinám družice Δt
• Potřebuji 4 rovnice! (měří se zpoždění Tmi=Ti- Δt)
• Přijímač generuje kopii signálu vybrané družice a tu
synchronizuje s přijímaným signálem a měří posun Tmi vůči
počátku své časové základny
• Čas Tmi přepočte na Di tzv. pseudo-vzdálenosti, při čtyřech
měřeních dostávám x, y, z, a Δt.
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 46
Architektura - Navstar-GPS
NAVSTAR-GPS
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 47
Architektura - Navstar-GPS
Co to je?
• Globální poziční systém – pro určení polohy kdekoliv na zemi
• Používá dálkoměrnou metodu pro určení polohy
• Skládá se ze 3 segmentů
– kosmický,
– řídicí,
– uživatelský.
Kosmický segment
• tvoří 24 družic, které obíhají ve výšce přibližně 20 200 km na
kruhových drahách s inklinací 55°.
• Doba oběhu je přibližně 11 h 58 min. Navigační signály družice
vysílají na kmitočtech 1 575,42 MHz a 1 227,6 MHz.
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 48
Architektura - Navstar-GPS
Segmenty
Řídicí segment (Control Segment)
• tvoří hlavní řídicí stanice (Master Control Station MCS),
monitorovací stanice a stanice pro komunikaci s družicemi.
Monitorovací stanice pasivně sledují družice a přijímají jejich
data, která předávají MCS, kde jsou vypočteny parametry drah
družic (efemeridy) a parametry hodin družic. Tyto parametry
jsou pomocí komunikačních stanic předány družicím, které je
vysílají uživatelům.
Uživatelský segment (přijímače uživatelů)
• Autorizovanému uživateli je dostupná přesná navigační služba
PPS (Precision Positioning Service), ostatním uživatelům je
poskytována standardní navigační služba SPS (Standard
Positioning Service).
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 49
Architektura - Navstar-GPS
Kosmický segment
Kosmický segment (Vývoj rozdělen do několika etap (bloků))
• Blok I (Rockwell) (1978 - 1989 /11 družic), 3 atomové hodiny
1×Cs, 2×Rb, váha 759 kg, životnost (plánovaná) 3-4 roky (až
dvojnásobek), funkce bez kontaktu s OSC 4 dny, poslední
družice dosloužila v roce 1995.
• Blok II + IIa (Rockwell) (1989-90/1990-97 – 9/19 družic), 4
atomové hodiny 2×Cs, 2×Rb, váha 1 816 kg, životnost
(plánovaná) 7 let, funkce bez kontaktu s OSC 14/180 dní.
• Blok IIr (General Electric) (1997-2004 / 12 družic ), 3 atomové
hodiny 3×Rb, váha 2 032 kg, životnost (plánovaná) 10 let,
funkce bez kontaktu s OSC >180 dní. (dosud všechny v provozu)
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 50
Architektura - Navstar-GPS
Kosmický segment
Kosmický segment (Vývoj rozdělen do několika etap (bloků))
• Blok IIr – M (Lockheed Martin) (2005-2009 / 8 Družic) stejné
jako blok IIr, zvýšený vysílací výkon, vysílá navíc vojenský kód M,
vysílání C/A na frekvenci L2 – zvýšení přesnosti na 1-3 m
Plány …
• Blok IIf –M (Boeing) (plán: 2010- / až 33 družic), životnost
(plánovaná) 15 let, jako IIr-M + nová civilní frekvence L5 (SOL).
• Blok III (Boeing / Lockheed Martin) (plán 2014), opět zvýšení
výkonu, laserové reflektory – jako GLONASS,
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 51
Architektura - Navstar-GPS
Kosmický segment
Řídící segment
• Hlavní řídící stanice (MCS – Colorado Springs) a monitorovací
stanice (předávají naměřená data do MCS).
• MCS Komunikuje s/ řídí družice, počítá parametry drah družic a
parametry hodin, odchylky (ionosférickou refrakci) a posílá je
družicím.
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 52
Popis signálu - Navstar-GPS
NAVSTAR-GPS
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 53
Popis signálu - Navstar-GPS
Obecná funkce
• Každá družice vysílá na dvou kmitočtech
– L1 = 1 575,42 MHz
– L2 = 1 227,6 MHz
• K oddělení signálů se využívá kódového multiplexu (CDMA)
spočívajícího v tom, že všechny družice sice vysílají na nosné
vlně se stejným kmitočtem, kód C(t) je pro každou družici jiný.
• Synchronizuje se na C(t), Goldův kód (trvání 1ms / 1023 bitů)
umožňuje hrubě měřit vzdálenost – tzv. hrubé měření C/A
• Kód P(t) - používá PseudoNáhodnou Posloupnost (10,23 Mb/s)
umožňuje přesnější měření (přijímač musí mít generátor PNP)
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 54
Popis signálu - Navstar-GPS
Obecná funkce
• Signál obsahuje nosné vlny modulované kódy C(t), P(t) a
navigační zprávu D(t)
• Kódy mají hodnoty <+1;-1> jedná se tedy o modulaci s binárním
fázovým klíčováním (BPSK)
• Data D(t) slouží k přenosu parametrů drah družic (efemerid) z
nichž se v přijímačích určuje poloha družic (x,y,z)
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 55
Popis signálu - Navstar-GPS
C/A kód
C/A kód - Coarse Acquisition (kód pro hrubé měření)
• C/A - Clear Access (volný přístup) – V přijímači jej lze generovat
bez spolupráce se správcem systému a je tedy přístupný všem
• Ostré minimum autokorelační funkce zajišťující měření
vzdáleností. Vzájemné korelační funkce dvou různých kódů mají
malé hodnoty čímž je docíleno dobré oddělení signálů družic
• Perioda kódu je 1ms a obsahuje 1023bitů (1,023 Mbps)
• Jeho přesnost ve vodorovné rovině činí 53 m (důvod zavedení
výběrové dostupnosti – SA)
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 56
Popis signálu - Navstar-GPS
P kód
P kód = přesný kód (Precision nebo Protected)
• 10x vyšší bitová rychlost než u kódu C/A tj. 10,23Mbps
• Pseudonáhodná posloupnost maximální délky s periodou
přibližně 266 dnů (23 017 555,5 s)
• Perioda obsahuje 235,46959.1012 bitů, ale využívá se z ní
pouze sedmidenní část (Kód se nuluje do výchozího stavu o
půlnoci ze soboty na neděli)
• P kód umožňuje větší kmitočtové rozprostření signálu a tudíž i
přesnější měření
• Měří se na obou frekvencích L1 a L2 a tím se podstatně omezí
vliv ionosférické refrakce
• Chyba měření polohy v horizontální rovině je max. 21 m
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 57
Popis signálu - Navstar-GPS
Y kód
Y kód
• V 90. letech uvolněn algoritmus P kódu
• S P kódem šlo dosáhnout přesnosti až 3 m – utajováno
• Převedení P kódu na Y kód z bezpečnostních důvodů
• Kódování je označováno A-S (Anti-Spoofing)
– A-S byl zaveden 31.1.1994
– znemožňuje i imitování družice nepřítelem
• Dekódování je možné pouze při znalosti šifry (W kód) a je
dostupné jen autorizovaným uživatelům
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 58
Popis signálu - Navstar-GPS
D kód
D kód – Navigační zpráva
• Je vysílána frekvencí 50 Hz, její délka je 1 500 bitů a skládá se z
pěti částí (subframů), každé po 300 bitech
• Jednotlivé subframy jsou tvořeny desítkou třicetibitových slov
• Obsah navigační zprávy:
– čas vysílání počátku zprávy,
– keplerovské efemeridy družice,
– údaje umožňující korigovat přesně čas vysílání družice,
– Almanach – méně přesné efemeridy ostatních družic,
– koeficienty ionosférického modelu,
– stav družice (health)
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 59
Popis signálu - Navstar-GPS
D kód – obsah rámce
• TLM – telemetrické slovo - nese synchronizační vzor
a diagnostické zprávy
• HOW (hand-over word) - kromě identifikačních údajů subframu
a nejrůznějších indikátorů nese i časovou hodnotu TOW (time
of week) platnou pro začátak dalšího subframu
• TOW hodnota představuje počet časových úseků dlouhých 1,5 s
uplynulých od začátku týdne GPS
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 60
Popis signálu - Navstar-GPS
D kód – obsah rámce
• Čtvrtý subframe je rezervován pro vojenské údaje
– Řeší problém almanachu nových typů družic
• Efemeridy – parametry drah družic z kontrolního segmentu
• Almanach – data o drahách a polohách ostatních družic
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 61
Popis signálu - Navstar-GPS
D kód – obsah rámce
• Datové rámce a vznik signálu
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 62
Popis signálu - Navstar-GPS
Další kódy
• Zavedení nového civilního C kódu, který bude modulován na
frekvenci L2 společně se stávajícím P kódem
– Kmitočet L2 umožňuje korigovat ohyb v ionosféře a tím snížit
chybu až na 5 m
• Pro oblast vojenskou je zaveden
nový kód M (Military), který je
silněji šifrován
• Vytvoření nové frekvence
L5 = 1176,45 MHz – určena
především pro využití v oblasti
bezpečnosti letecké dopravy
Petr Bureš
IIr
IIr-M
IIf
K620TM
GNSS
strana 63
Formáty navigačních zpráv
NAVSTAR-GPS
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 64
Formáty navigačních zpráv
Přehled
RINEX (Receiver Independent Exchange Format)
• Hrubá (nezpracovaná) data GPS určená pro archivaci či k
dalšímu zpracování
NMEA (National Marine Electronics Association)
• Standard datové GPS komunikace mezi el. zařízeními
• Slouží k přenosu GPS koordinátů z GPS přijímače do dalšího
zařízení (např. PDA, notebook, …)
RTCM SC-104 (Radio Technical Commission for Maritime Services)
• Standard popisující přenos korekcí GPS (DGPS) z referenční
stanice k přijímači.
• Slouží pro průzkumy
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 65
Formáty navigačních zpráv
NMEA
• Komunikační rozhraní RS-232, rychlost 4800bdps
• Protokol
– Složený – bloky 37bytů ASCII textu(NMEA 0182,0183)
– Jednoduchý – jednotlivě vysílané byty (NMEA 0180)
• Data jsou přenášena po řetězcích (větách) v textovém ascii
formátu. Základní předávané informace jsou:
– GSA aktivní satelity a DOP (Dilution Of Precision),
– RMC minimální doporučená informace pro navigaci
– GSV Informace o družicích v zorném poli navigace
– GGA zeměpisná délka a šířka, geodetická výška, čas určení
souřadnic
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 66
Formáty navigačních zpráv
NMEA
• GSV Informace o družicích v zorném poli navigace:
$GPGSV,3,1,11,09,84,297,41,05,48,256,45,07,38,059,41,26,22,178,41*74
$GPGSV,3,2,11,24,13,063,00,14,12,324,00,30,12,251,00,22,12,286,38*78
$GPGSV,3,3,11,29,10,173,35,04,09,105,30,18,06,254,00*46
Počet
viditelných
družic
Identifikační Úhlová
číslo družice výška
Azimut
• GGA zeměpisná délka a šířka, geodetická výška, čas určení
souřadnic
$GPGGA,170139.615,4912.2526,N,01635.0378,E,1,07,1.0,357.5,M,43.5,M,0.0
,0000*7D
Čas (UTC)
Zeměpisná šířka
Zeměpisná délka
Výška antény
nad geoidem
Geoidal separation, rozdíl mezi WGS-84 zemským elipsoidem a střední úrovní moře
(geoid). Znaménko mínus znamená, že střední úroveň země je pod elipsoidem
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 67
CHYBY MĚŘENÍ POZICE
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 68
Chyby měření pozice v satelitním systému
Chyby měření pseudovzdálenosti
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 69
Chyby měření pozice v satelitním systému
Dle principu chyby
• Poloha družic vzhledem
k přijímači GPS.
• Stav družic (zdraví,
frekvenční stabilita).
• Konstelace družic a
dostupnost služeb.
• Atmosférické podmínky (vliv
ionosféry a troposféry).
• Sluneční aktivita.
• Vícecestné šíření signálu.
• Typ a kvalita antény GPS
přijímače.
Petr Bureš
• Poruchy GPS přijímače.
• Úhlová viditelnost (rozsah)
GPS přijímače.
• Pohyb přijímače (statický,
dynamický).
• Algoritmus výpočtu pozice
GPS přijímače.
• Doba pozorování.
• Poloha uživatele
K620TM
GNSS
strana 70
Chyby měření pozice v satelitním systému
Dle principu chyby
Stabilita hodin družice
• Ovlivňuje frekvence generovaných nosných vln a kódů. Chyba
způsobená stabilitou hodin by neměla přesáhnout 6,5m po
95% doby při použití služby PPS. Při požití SPS se tato chyba
zvyšuje.
• rovněž je důležitý časový rozdíl mezi hodinami družice a
hodinami GPS přijímače. Například odchylka jedné
mikrosekundy způsobí chybu měření 300 m. Chybu v časovém
rozdílu hodin přijímače a družice lze aproximovat podle vzorce:
• RE = TO · c, (TO … časový rozdíl)
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 71
Chyby měření pozice v satelitním systému
Dle principu chyby
Družicové hodiny a relativistické efekty
• Podle Einsteinova principu relativity lze pro družice NAVSTAR
GPS na orbitu, vztažené k Zemi jako inerciálnímu referenčnímu
systému, očekávat efekty ovlivňující palubní hodiny:
– pohybová rychlost družice hodiny se zpomalují o −5×10−9%
vůči pozemským
– rozdílné gravitační potenciály ve značné vzdálenosti nad
Zemí, (pro orbit družic 16×): hodiny se zrychlují +50×10−9%
• Výsledek je +45,5×10−9% ±0 % oproti pozemským hodinám.
Kompenzace:
• Řešení: nastavení základní frekvence na 10,22999999543 MHz
místo očekávaných a pozemských 10,23000000000 MHz.
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 72
Chyby měření pozice v satelitním systému
Dle principu chyby
Chyba efemerid družic
• se projeví při výpočtu polohy
družic, a tím i určení polohy GPS
přijímače. Efemeridy vysílané v
navigační zprávě jsou hodnoty
předpovězeny a chyba při použití
PPS by neměla přesáhnout
8,2 m po 95 % doby. Při využití
SPS je chyba efemerid větší.
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 73
Chyby měření pozice v satelitním systému
Dle principu chyby
Ionosférické zpoždění
• výška 50 – 1000 km
• volné elektrony v ionosféře
představují proměnlivý index lomu.
• závisí především na sluneční aktivitě.
• Ionosférické zpoždění může ve dne
ovlivnit přesnost od 40 do 50 metrů
Mapa ionosférické refrakce
zdroj: http://iono.jpl.nasa.gov/latest_rti_global.html
a v noci od 6 do 12 metrů.
Kompenzace
• Ionosférická korekce, kterou lze vypočítat z modelu ionosféry.
Koeficienty pro výpočet jsou vysílány v navigační zprávě.
• využitím signálů L1 a L2 a zlepšit přesnost na přibližně 5 metrů.
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 74
Chyby měření pozice v satelitním systému
Dle principu chyby
Troposférické zpoždění
• výška 0 - 11 km
• elektricky neutrální prostředí (bez
volných iontů nebo s jejich
zanedbatelným množstvím).
• Zpoždění signálu ovlivňuje hustota
zdroj: http://www.path.cz
atmosféry, která je závislá na teplotě,
tlaku a vlhkosti vzduchu.
Kompenzace:
• pomocí modelu troposféry. Pro výpočet troposférického
zpoždění existuje celá řada modelů, např. Black, Hophield,
Saastamoinen, Goad and Goodman aj.
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 75
Chyby měření pozice v satelitním systému
Dle principu chyby
Vícecestné šíření signálu
• způsobeno odrazem signálu
od zemského povrchu nebo
odrazem od různých předmětů
• Přijaté přímé a odražené signály
jsou relativně fázově posunuty a
fázové rozdíly jsou úměrné rozdílům
v délce dráhy.
zdroj: http://www.path.cz
• ovlivňuje všechny měřené veličiny, každou ovšem jinak.
Korekce:
• neexistuje obecný model. Vliv signálů odražených od zemského
povrchu lze eliminovat vhodnou konstrukcí antény
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 76
Chyby měření pozice v satelitním systému
Dle principu chyby
S/A (Select Availability).
• záměrné zhoršení přesnosti určení pseudovzdálenosti. S/A je
tvořeno dvěma procesy:
– Změna hodinového kmitočtu
signálů. Ty mohou dosáhnout
amplitudy až 50 m s periodou
několika minut.
– Změna palubních efemerid družic.
Ty mohou dosáhnout amplitudy 50
až 150 m s periodou několika hodin.
• S/A bylo pro neautorizované uživatele (služba SPS) zrušeno z
rozhodnutí prezidenta USA dne 1. 5. 2000.
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 77
Chyby měření pozice v satelitním systému
Dle principu chyby
Uživatelský ekvivalent chyb vzdálenosti UERE
• souhrn všech chyb ovlivňujících určení pseudovzdálenosti.
skládá se z
– URE (User Range Error), vztažené k fázovému centru antény
družice, a
– UEE (User Equipment Error), zahrnující zbytkové chyby po
kompenzaci atmosférických zpoždění, vnitřní chyby
přijímače a vícecestné šíření.
• URE se u jednofrekvenčních přijímačů pohybuje v rozsahu 2,2 14,6 m + cca 2 až 4 m pro vícecestné šíření signálu, pak UERE u
jednofrekvenčních přijímačů může být v rozsahu 10 - 15 m.
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 78
Chyby měření pozice v satelitním systému
Dle principu chyby
PDOP – Vliv geometrické konfigurace družic
• vliv na přesnost určovaných veličin se vyjadřuje pomocí faktoru
označovaného DOP (Dilution of Precision).
• Velikost chyby měření je
vyjádřena šířkou pásu.
• obsah této plochy bude
nejmenší, resp. Přesnost
měření nejvyšší, pokud se
pásy budou protínat pod
úhlem 90°.
• PDOP může být menší než 1,
ale i větší než 100
zdroj: http://www.path.cz
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 79
Chyby měření pozice v satelitním systému
Shrnutí chyb pro jednofrekvenční systém
•
•
•
•
•
•
•
Ohybem v ionosféře
Ohybem v troposféře
Chodem hodin
Šum
Efemeridy
Vlastní přijímač
Odražené signály
4,0-10 m
0,7 m
2,0 m
0,5 m
2,1 m
0,5 m
1,0 m
Celková max. chyba σD je tedy cca 15 m
Celková chyba polohy je
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 80
Zpřesňující systémy
CHYBY MĚŘENÍ POZICE
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 81
Zpřesňující systémy
DGPS
• Bázová stanice se známou pozicí počítá v časových intervalech
odchylky signálu jednotlivých družic od jejich správné hodnoty –
odchylky mají LOKÁLNÍ charakter (odrazy, ohyb v ionosféře, …)
• Příjem diferenčních korekcí vysílaných stacionárním vysílačem
• Vysíláno pomocí terestrických vysílačů, majáků, internetu, atd.
• Nutnost dalšího přijímače v navigačním přístroji
• Časté zpoplatnění služeb
• Dnes již překonáno (WAAS-EGNOS)
• Vyšší přesnost 1-5m
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 82
Zpřesňující systémy
WAAS, EGNOS, MSAS
• Družicový vysílač diferenčních korekcí (DGPS je pozemní)
• Kompatibilní s přijímači GPS (Není potřeba dalšího zařízení)
3 základní družicové systémy
• WAAS – Amerika (Wide Area Argumentation Service)
• EGNOS – Evropa (European Geostat. Navigation Overlay Serv.)
• MSAS – Asie (Multi-Functional Satellite Argumentation Service)
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 83
Aplikace navigačních systému (jiné než navigace)
ZAJÍMAVOSTI A LITERATURA
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 84
Další aplikace GNSS
Sledování pohybu kontinentů
Stanice TUBO:
• 2. permanentní stanice
sítě EUREF v ČR
• pohyb ve směru S – J cca
20 mm / 1 rok
• pohyb ve směru Z – V
cca 25 mm / 1 rok
• pohyb ve výšce osciluje
+- 10 mm
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 85
Další aplikace GNSS
Inteligentní půdní hospodaření (precision farming)
• Zvýšení výnosů
• Rozbor ornice,
oblast vzorku
• Přídavné hnojení
podle nedostatku
živin ve vzorku dle
oblastí
• Řízení chemického
ošetřování
• Sledování osevu
půdy
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 86
Literatura
ZAJÍMAVOSTI A LITERATURA
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 87
Literatura
Doporučené zdroje (a ty ze kterých byla sestavena tato lekce)
Anglicky
•
•
•
•
•
•
•
Historie navigace: http://www.mat.uc.pt/~helios/Mestre/Novemb00/H61iflan.htm
Navigace: http://www.pieceofeight.com/navigation.htm
Vše o hodinách http://inventors.about.com/lr/clock/382285/2/
Rádiová navigace http://en.wikipedia.org/wiki/Radio_navigation
GPS http://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System
Video o funkci a použití astroláb u
http://www.ted.com/talks/tom_wujec_demos_the_13th_century_astrolabe.html
Funkce sextantu http://www.tecepe.com.br/nav/sextantflash.html
Česky
•
•
Kartografie http://geography.ujep.cz/geo_s/st_opory_s/prilohy/gis_p_3.pdf (a … _4.pdf)
O GPS (cvičení z KTR) http:// radio.feld.cvut.cz/courses/X37KTR/oldv/lab/7_GPS_KTR.pdf
•
A další …
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 88
Děkuji za pozornost
• Petr Bureš
• Email: [email protected]
Petr Bureš
K620TM
GNSS
strana 89