REKAPITULACE. Princip dálkoměrných měření GNSS

Transkript

1 Princip dálkoměrných měření GNSS P r e z e n t a c e 2 GLOBÁLNÍ NAVIGAČNÍ A POLOHOVÉ SYSTÉMY David Vojtek Institut geoinformatiky Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Rekapitulace Kapitán a sirény (analogie kódových meření) Vysílače a signály v GNSS Dálkoměrná metoda kódových měření Dálkoměrná metoda fázových měření Připomenutí základních myšlenek z minulé prezentace REKAPITULACE 1

2 K lokalizaci se používají orientační body K orientačním bodů měříme: Délky (D1,D2,D3) protínání z délek Úhly (Az1, Az2) Příklady protínání z úhlu Úhel a délku tachymetrie D3 D2 D1 Az2 Az1 Multilaterace rozdíl zpoždění signálů tří vysílačů a přijímače (LORAN-C) Trilaterace vzdálenost tři vysílačů a přijímače (GPS, GLONASS ) Triangulace měření úhlů (VOR/DME) Dopplerovská měření vychází z principu dopplerovského posunu (TRANSIT) Analogie pro pochopení fungování primární dálkoměrné metody v GNSS s popisem základních negativních vlivů na měření. KAPITÁN A SIRÉNY ANALOGIE KÓDOVÝCH MEŘENÍ 2

3 loď Příklad převzatý z KAP05 Centrální čas mlhová siréna 3 mlhová siréna 1 loď 1. Na začátku každé celé minuty, sirény vyšlou svůj signál. mlhová siréna 2 Příklad převzatý z KAP05 Centrální čas mlhová siréna 3 mlhová siréna 1 loď Δt 1 = 7,5 s d = 2,25 km 1. Na začátku každé celé minuty, sirény vyšlou svůj signál. 2. Kapitán lodi měří, kolik času od začátku celé minuty uplynulo, než zaslechl signál z mlhové sirény 1, sirény 2 a sirény Čas přepočte na vzdálenost d = Δt. v mlhová siréna 2 Rychlost šíření zvuku u hladiny moře a teplotě 15 C v = 340 m.s-1 Příklad převzatý z KAP05 3

4 d 2 = 3,06 km 1) Zná přesnou polohu mlhových sirén (vysílačů). 2) Hodiny sirén (vysílačů) a lodní hodiny (přijímače) jsou synchronní. 3) Signál obsahuje časovou značku. 4) Signál umožní identifikaci zdroje (vysílače). 5) Signál se šíří prostředím známou rychlosti. 6) Signál se šíří přímo, bez odrazů. d 3 = 2,72 km Příklad převzatý z KAP05 Rychlost šíření zvuku není konstantní. Závisí na prostředí, ve kterém se zvuk šíří. Všechny čtvery hodiny nejsou synchronní. Poloha mlžných sirén není známa. Signál nemusí dorazit po nejkratší cestě. Překážky v cestě signálů. Zvuk nemusí být dobře slyšet. Rušení jinými zvuky (ozvěna, hluk motoru ) 4

5 P 3 = d 3 + ε 3 P i pseudovzdálenost d i vzdálenost ε i chyba určení vzdálenost nesynchronní hodin, vliv šíření zvuku různým prostředím s různou rychlosti šíření zvuku, rušivé zvuky, odražené signály atd. Příklad převzatý z KAP05 Popis role vysílače a jeho signálů v GNSS. Vybrané metody identifikace zdroje signálů. VYSÍLAČE A SIGNÁLY V GNSS Vysílačem jsou družice. Družice nejsou statické, přesto je jejich poloha známá s dostatečnou přesnosti. Družice vysílá rádiové signály. Rádiové signály jsou vysílané minimálně na dvou frekvencích. Výhoda rádiových signálů je jejich velký dosah a rychlost jejich šíření. Celý Zemský povrch je možné pokrýt rádiovým signálem z malého množstvím družic. V době vzniku měl GLONASS 21 družic a GPS 24 družic. 5

6 1) Pilotní signál nosná vlna + pseudonáhodný kód 2) Datový signál nosná vlna + pseudonáhodný kód + datová zpráva Nalézt a odlišit signál družice od jiných signálů Pomocí pseudonáhodného kódu (PRN 1) kód). Identifikovat zdroj signálu Jen pokud používá družice k identifikaci PRN kód. Provést dálkoměrné měření Pomocí PRN kódu. 1) PRN je z angl. Pseudo Random Noise. Stejný jako pilotní signál Dodat navigační a systémová data GNSS K čemu slouží navigační data? K přesnému stanovení polohy a času družice. K zaznamenání časových značek odeslání signálů. Stanovení systémového času GNSS. Získání dalších systémových dat GNSS. 6

7 Kódové dělení (GPS, Galileo, COMPAS, nově i GLONASS) Všechny mají přidělenou stejnou frekvenci Každý vysílač má přidělený unikátní pseudonáhodný kód (PRN kód) Frekvenční dělení (GLONASS) Každý vysílač má přidělenou svou unikátní frekvenci odvozenou od základní frekvence Časové dělení (v GNSS se nepoužívá) Kódová měření, výchozí podmínky pro kódová měření, jejich výhody a nevýhody. KÓDOVÁ MĚŘENÍ Metoda kódových měření primární 1) GNSS metoda využívá tzv. PRN kód (označován také jako dálkoměrný kód) Metoda fázových měření Metoda Dopplerovských měření pro sledování změn pseudovzdáleností družic 1) Při budování systému GPS a GLONASS byla a je základní metodou měření. 7

8 PRN kód umožňuje měřit čas přijetí signálu Časové značky v signálu umožní GNSS přístroji zjistit, kdy byla daná část signálu z družice vyslána PRN kód má i jiné funkce například: Nalezení signálů družice Identifikace družic, Dekódování obsahu signálů, atd Přijímač z časové značky odeslaní signálu z družice t di a času přijetí signálu přijímačem t p určí časové zpoždění signálu: Δt i = t p t di Δt i zahrnuje všechny vlivy nepříznivě působící na měření vzdálenosti Pseudovzdálenost k družici i: P i = Δt i. c c rychlost šíření světla (elektromagnetické vlnění) Přepočty: rádiové signály se šíří rychlostí světla cca m/s m/ms (10-3 s) Přesné měření času a jeho synchronizace je klíčová! Při chybě 1/10 μs v měření času je pseudovzdálenost určená s chybou 30 metrů! 8

9 P(t) = t REC t SAT + ε ε = Q REC (t) + τ SV (t) + τ REC (t) + γ iono (t) + δ tropo (t) τ REC (t) τ SV (t) γ iono (t) δ tropo (t) Q REC (t) chyba hodin přijímače chyba hodin družice vliv ionosféry vliv troposféry ostatní chyby (šum, vícecestné šíření signálů, atd.) P i = s i + c s i = x i, y i, z i Pseudovzdálenost přijímač družice Polohový vektor družice Polohový vektor přijímače Chyba hodin přijímače P i s i P 1 = x y z c P 2 = x y z c P 3 = x y z c P 4 = x y z c P i (t) vzdálenost ε i chyba určení vzdálenost Jednoznačná lokalizace na Zemském povrchu vyžaduje: Příklad převzatý z RAP02 9

10 Přesnost závisí na dvou faktorech Na rychlosti PRN kódu Na požité metodě zpracování PRN kódu v přijímači Standardní zpracování přesnost 1% délky 1 chipu kódu Pokročilé zpracování přesnost 0,1% délky chipu kódu. Například: C/A-kód družic GPS má rychlost 1023 chips/s. Délka 1 chipu C/A-kódu = 293 m. Standardním zpracováním C/A-kódu chyba = 29.3 m Pokročilým zpracování C/A-kódu chyba = 2,93 m Méně přesné ve srovnání s metodou fázových měření Rychlé získání polohy Odolnější proti rušivým vlivům prostředí Po ztrátě signálů a jeho opětovném nalezení rychlé opětovné získání polohy Podporují je všechny GNSS přístroje Měření jediným přístrojem Fázová měření, výchozí podmínky pro fázová měření, jejich výhody a nevýhody. FÁZOVÁ MĚŘENÍ 10

11 Metoda kódových měření Metoda fázových měření sekundární 1) metoda využívá nosné vlny signálů Metoda Dopplerovských měření pro sledování změn pseudovzdáleností družic 1) Metoda nebyla při vývoji systémů brána v potaz tvůrci systému, proto je zde označená jako sekundární. Základní měrnou jednotkou vzdálenosti je 1 vlnová délka nosné vlny Délka v řádu prvních 10-tek centimetrů Měří se dvě komponenty vzdálenosti: Desetinný zbytek základní vlnové délky, který při měření vzniká. Celočíselný počet N vlnových délek, tzv. ambiguity 1). 1) český překlad nejednoznačnost. Ambiguity se užívá i v české GNSS terminologii. 1. Počáteční hodnota ambiguit (N) je neznámá! 2. Od počátku měření jsou sledovány změny v počtu N. 3. Po zjištěni N se změny v N započítají. 4. Fázový skok (angl. cycle slip) nastane při přerušení signálů k družici N je ztraceno! Řešení N se pomáhá například inicializaci přístroje na bodě o známých souřadnicích v bodě 1. Některé dnes používané metody měření tuto inicializaci již neužívají (RTK). 11

12 P(t) = ΦSV ΦREC + λ. N + ε ε = SREC - δsv + δrec - Δiono + Δtropo δrec δsv Δiono Δtropo SREC oprava hodin přijímače oprava hodin družice oprava vlivu ionosféry oprava vlivu troposféry ostatní chyby Lki Φk - Φki Δktropi - Δkionoi cδi - cδ k λ Nik Si t2 t1 N+1.λ t0 N.λ Φ Φi λ N N+3.λ K jednoznačné lokalizaci je potřeba (HOF08): fáze odvysílaného signálu fáze přijatého signálu vlnová délka celočíselný počet vlnových délek Přesnost závisí na vlnové délce použité nosné vlny. Přesnost pseudovzdálenosti až v řádu milimetrů. Pomocí kódových měření (za současné struktury vysílaných signálů) není možné dosáhnout přesnosti fázových měření ani při použití speciálních metod měření a vyhodnocení měření! 12

13 Časově náročná Technicky náročná Citlivá na rušivé vlivy během měření Po ztrátě signálů dlouhá doba inicializace Přístroje GNSS pro fázová měření jsou výrazně dražší než přístroje pro kódová měření Velmi přesná metoda měření DĚKUJI ZA POZORNOST Princip kódových měření a dálkoměrné kódy Princip fázových měření Základní komponenty GNSS a jejich funkce 13

14 KAP05 Kaplan, Elliott, D.: Understanding GPS: Principles and Applications, Second Edition, Artech House Publishers; 2 edition, 2005, pages 726, ISBN-10: MOH01 Mohinder S. G., Lawrence R. W., Angus P. A.: Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration., John Wiley & Sons, Inc. 2001, pages 382, Printed ISBN: Publikace je dostupná v rámci Knihovny VŠB-TUO na adrese: RAP02 Rapant, P,: Družicové polohové systémy první vydání, VŠB Technická univerzita Ostrava, stran 200, ISBN Publikace je dostupná ke stažení na adrese: VER09 Veřták, Ivo.: Rádiové určení polohy - prezentace, 2009, stran 80 CHR09 HOF08 Christy, R.: Sattelite Tracking: Doppler Satellite Tracking an Example, Zarya Soviet, Russian and International Space Flights Adrese: Hofmann-Wellenhof, Bernhard, Lichtenegger, Herbert, Wasle,Elmar: GNSS Global Navigation Satellite Systems: GPS, GLONASS, Galileo, and more, Springer, 2008, pages 516, ISBN Studijní opora k předmětu: GLOBÁLNÍ NAVIGAČNÍ A POLOHOVÉ SYSTÉMY Princip dálkoměrných měření GNSS Prezentace 2 Verze 1.2 (revize PR) David Vojtek Institut geoinformatiky Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava 2010 Prezentace by měla být používaná ve spojení se zdroji, které jsou v ní citované. 14