GNSS. Petr Bureš. Telematika (TM) Vývoj a historie navigace. Ústav řídící techniky a telematiky ČVUT v Praze, Fakulta dopravní

Transkript

1 GNSS Telematika (TM) Ústav řídící techniky a telematiky ČVUT v Praze, Fakulta dopravní Vývoj a historie navigace

2 Obsah GNSS strana 2

3 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 GNSS strana 3

4 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) GNSS strana 4

5 Co potřebuji? NAVIGAČNÍ NÁSTROJE GNSS strana 5

6 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? GNSS strana 6

7 Měření zemské šířky NAVIGAČNÍ NÁSTROJE GNSS strana 7

8 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 GNSS strana 8

9 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) GNSS strana 9

10 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 GNSS strana 10

11 Měření směru a rychlosti NAVIGAČNÍ NÁSTROJE GNSS strana 11

12 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 GNSS strana 12

13 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 GNSS strana 13

14 Měření směru a rychlosti Historie kompasu Evropa Kompasy AC a novější GNSS strana 14

15 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 GNSS strana 15

16 Měření zemské délky NAVIGAČNÍ NÁSTROJE GNSS strana 16

17 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, GNSS strana 17

18 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. GNSS strana 18

19 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 nabídla britská vláda liber (2 mil $) vynálezci přesných hodin (denní odchylka max. 3 s) R první přesný chronometr (John Harrison). teplotní kompenzace pomocí bimetalových pásků J. Cook na 2. výpravě ( ) používá kopii těchto hodin, na první výpravě ( ) používal měsíční metodu měl námořní almanach, první vydání 1767) (ještě ~100 let dost drahé, používá se lunární metoda) GNSS strana 19

20 Měření zemské délky Historie - hodiny První přesné hodiny (J. Harrison) vyrobeno r První hodiny stály až 30% ceny lodi, do začátku 19. stol cena klesla na 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 časový standard Historie - hodiny GNSS strana 20

21 Historie map MAPY A SOUŘADNICOVÉ SYSTÉMY GNSS strana 21

22 Historie map První mapa? První mapa (možná) Pavlovské vrchy cca př. n. l Půdorysně zobrazuje v měřítku blízkém 1: 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) GNSS strana 22

23 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 BC Aristoteles: Země je kulatá 320 BC (Dikaiarchosz Mesiny): pomocné čáry BC (Eratosthenés) pomocné čáry, velikost země GNSS strana 23

24 Historie map Starověk Eratosthenova mapa světa (3 stol. BC) GNSS strana 24

25 Historie map Starověk 150 BC (Kratesz Mallu, podle Eratosthena): první glóbus 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 AC (Klaudius Ptolemaius): kuželové zobrazení, vydává mapu světa, vrchol starověké kartografie Dále úpadek: Řím žádné zobrazení Pád Říma úpadek GNSS strana 25

26 Historie map Středověk Evropské středověké mapy Pásmové Oválné Kruhové Portulánové (kompasové) GNSS strana 26

27 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) GNSS strana 27

28 Historie map Renesance (Gerhard Mercator): výrazný posun v projekci map, používá nové zobrazení a síť geografických souřadnic GNSS strana 28

29 Novodobá kartografie / moderní zobrazení MAPY A SOUŘADNICOVÉ SYSTÉMY GNSS strana 29

30 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 GNSS strana 30

31 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, e 2 první excentricita, i zploštění GNSS strana 31

32 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 GNSS strana 32

33 Novodobá kartografie Elipsoid WGS 84 WGS 84 (elipsoid) kartézský souřadnicový systém WGS- 84 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] Číselné hodnoty souřadnic v *m+: X = ,225 Y = ,142 Z = ,898 GNSS strana 33

34 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 GNSS strana 34

35 Vývoj rádiové navigace MODERNÍ NAVIGAČNÍ NÁSTROJE GNSS strana 35

36 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: Khz nebo Khz 1907 AD první rádiová navigace RDF (radio detection finder) 1919 AD jako vysílač se používá Adcockova anténa, LFR (low frequency range) GNSS strana 36

37 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 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 GNSS strana 37

38 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, ) GNSS strana 38

39 Vývoj družicové navigace MODERNÍ NAVIGAČNÍ NÁSTROJE GNSS strana 39

40 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 GNSS strana 40

41 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. GNSS strana 41

42 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? GNSS strana 42

43 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) GNSS strana 43

44 Dálkoměrná metoda MODERNÍ NAVIGAČNÍ NÁSTROJE GNSS strana 44

45 Dálkoměrná metoda Pseudovzdálenost Měření pozice: vůči referenčnímu elipsoidu WGS84 Počítám vzdálenost na základě doby, po kterou signál putuje k přijímači d i = T i * c GNSS strana 45

46 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 T m i =T i- Δt) Přijímač generuje kopii signálu vybrané družice a tu synchronizuje s přijímaným signálem a měří posun T m i vůči počátku své časové základny Čas T m i přepočte na D i tzv. pseudo-vzdálenosti, při čtyřech měřeních dostávám x, y, z, a Δt. GNSS strana 46

47 Architektura - Navstar-GPS NAVSTAR-GPS GNSS strana 47

48 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 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. GNSS strana 48

49 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). GNSS strana 49

50 Architektura - Navstar-GPS Kosmický segment Kosmický segment (Vývoj rozdělen do několika etap (bloků)) Blok I (Rockwell) ( /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 Blok II + IIa (Rockwell) ( / /19 družic), 4 atomové hodiny 2 Cs, 2 Rb, váha kg, životnost (plánovaná) 7 let, funkce bez kontaktu s OSC 14/180 dní. Blok IIr (General Electric) ( / 12 družic ), 3 atomové hodiny 3 Rb, váha kg, životnost (plánovaná) 10 let, funkce bez kontaktu s OSC >180 dní. (dosud všechny v provozu) GNSS strana 50

51 Architektura - Navstar-GPS Kosmický segment Kosmický segment (Vývoj rozdělen do několika etap (bloků)) Blok IIr M (Lockheed Martin) ( / 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: / 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, GNSS strana 51

52 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. GNSS strana 52

53 Popis signálu - Navstar-GPS NAVSTAR-GPS GNSS strana 53

54 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) GNSS strana 54

55 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) GNSS strana 55

56 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) GNSS strana 56

57 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 ( ,5 s) Perioda obsahuje 235, 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 GNSS strana 57

58 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 znemožňuje i imitování družice nepřítelem Dekódování je možné pouze při znalosti šifry (W kód) a je dostupné jen autorizovaným uživatelům GNSS strana 58

59 Popis signálu - Navstar-GPS D kód D kód Navigační zpráva Je vysílána frekvencí 50 Hz, její délka je 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) GNSS strana 59

60 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 GNSS strana 60

61 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 GNSS strana 61

62 Popis signálu - Navstar-GPS D kód obsah rámce Datové rámce a vznik signálu GNSS strana 62

63 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 IIf IIr IIr-M GNSS strana 63

64 Formáty navigačních zpráv NAVSTAR-GPS GNSS strana 64

65 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 GNSS strana 65

66 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 GNSS strana 66

67 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 GGA zeměpisná délka a šířka, geodetická výška, čas určení souřadnic $GPGGA, , ,N, ,E,1,07,1.0,357.5,M,43.5,M,0.0,0000*7D Čas (UTC) Identifikační číslo družice Úhlová výška Zeměpisná šířka Azimut 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 GNSS strana 67

68 CHYBY MĚŘENÍ POZICE GNSS strana 68

69 Chyby měření pozice v satelitním systému Chyby měření pseudovzdálenosti GNSS strana 69

70 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. Poruchy GPS přijímače. Úhlová viditelnost (rozsah) GPS přijímače. Pohyb přijímače (statický, dynamický). Algoritmus výpočtu pozice GPS přijímače. Doba pozorování. Poloha uživatele GNSS strana 70

71 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: R E = T O c, (T O časový rozdíl) GNSS strana 71

72 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 % vůči pozemským rozdílné gravitační potenciály ve značné vzdálenosti nad Zemí, (pro orbit družic 16 ): hodiny se zrychlují % Výsledek je +45, % ±0 % oproti pozemským hodinám. Kompenzace: Řešení: nastavení základní frekvence na 10, MHz místo očekávaných a pozemských 10, MHz. GNSS strana 72

73 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. GNSS strana 73

74 Chyby měření pozice v satelitním systému Dle principu chyby Ionosférické zpoždění výška 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 a v noci od 6 do 12 metrů. Kompenzace Mapa ionosférické refrakce zdroj: 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. GNSS strana 74

75 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 atmosféry, která je závislá na teplotě, tlaku a vlhkosti vzduchu. Kompenzace: zdroj: pomocí modelu troposféry. Pro výpočet troposférického zpoždění existuje celá řada modelů, např. Black, Hophield, Saastamoinen, Goad and Goodman aj. GNSS strana 75

76 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. ovlivňuje všechny měřené veličiny, každou ovšem jinak. Korekce: zdroj: neexistuje obecný model. Vliv signálů odražených od zemského povrchu lze eliminovat vhodnou konstrukcí antény GNSS strana 76

77 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 GNSS strana 77

78 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 m. GNSS strana 78

79 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: GNSS strana 79

80 Chyby měření pozice v satelitním systému Shrnutí chyb pro jednofrekvenční systém Ohybem v ionosféře 4,0-10 m Ohybem v troposféře 0,7 m Chodem hodin 2,0 m Šum 0,5 m Efemeridy 2,1 m Vlastní přijímač 0,5 m Odražené signály 1,0 m Celková max. chyba σ D je tedy cca 15 m Celková chyba polohy je GNSS strana 80

81 Zpřesňující systémy CHYBY MĚŘENÍ POZICE GNSS strana 81

82 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 GNSS strana 82

83 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) GNSS strana 83

84 Aplikace navigačních systému (jiné než navigace) ZAJÍMAVOSTI A LITERATURA GNSS strana 84

85 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 mm GNSS strana 85

86 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 GNSS strana 86

87 Literatura ZAJÍMAVOSTI A LITERATURA GNSS strana 87

88 Literatura Doporučené zdroje (a ty ze kterých byla sestavena tato lekce) Anglicky Historie navigace: Navigace: Vše o hodinách Rádiová navigace GPS Video o funkci a použití astroláb u Funkce sextantu Česky Kartografie (a _4.pdf) O GPS (cvičení z KTR) radio.feld.cvut.cz/courses/x37ktr/oldv/lab/7_gps_ktr.pdf A další GNSS strana 88

89 Děkuji za pozornost GNSS strana 89