13. Elektronická navigace od lodní přes leteckou po GPS principy, vlastnosti, technické prostředky

Transkript

1 Specializovaný kurs U3V Současný stav a výhledy digitálních komunikací 13. Elektronická navigace od lodní přes leteckou po GPS principy, vlastnosti, technické prostředky Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně , sebestaj@feec.vutbr.cz

2 U3V - T13: NAVIGACE III. Téma: Družicová navigace GPS NAVSTAR GLONASS BeiDou - Compass QZSS GALILEO U3V - T13: Navigace III. strana 2

3 U3V - T13: Družicová navigace (1/16) Satelitní navigační systémy GNSS (Global Navigation Satellite System) náleží do kategorie globálních systémů, jenž umožňují určení polohy libovolného místa na Zemi v jednotném společném souřadném systému. Družice tvoří soustavu majáků s vhodnou konstelací pro optimální pokrytí Země s minimální chybou určení polohových souřadnic navigačním zařízením (přijímačem) v uživatelském segmentu U3V - T13: Navigace III. strana 3

4 U3V - T13: Družicová navigace (2/16) Úhloměrná metoda Ze znalosti aktuální polohy družic (tj. vrcholů kuželu) a příslušných elevačních (polohových) úhlů určíme průsečík kuželů definující polohu měřeného bodu U3V - T13: Navigace III. strana 4

5 U3V - T13: Družicová navigace (3/16) Dopplerovská metoda Družice pohybující se po negeostacionární oběžné dráze vysílá signál se stabilním kmitočtem f v. Signál přenáší časové značky vysílané v okamžicích t i, t i+1, t i+2, s konstantním časovým rozestupem T = t i+1 - t i. Frekvence signálu přijímaného uživatelem v místě měření polohy je v důsledku Dopplerova jevu rovna hodnotě f RX lišící od f TX U3V - T13: Navigace III. strana 5

6 U3V - T13: Družicová navigace (4/16) Dráha družice vs. pozemní pozorovatel Přijímaný signál je postižen dopplerovským posuvem kmitočtu U3V - T13: Navigace III. strana 6

7 U3V - T13: Družicová navigace (5/16) Dálkoměrná metoda Dálkoměrná metoda je nejčastěji využívaným způsobem měření polohy pomocí družic. Je základem systémů GPS, GLONASS, GALILEO a dalších. Známe-li souřadnice družic (x i, y i, z i ) a jsme-li schopni zjistit vzdálenost uživatelova přijímače od jednotlivých družic d i, můžeme polohu uživatele (x u, y u, z u ) určit řešením soustavy tří rovnic pro tři neznámé (výpočet průsečíku tří kulových ploch se středy x i, y i, z i a poloměry d i ) : ( ) ( ) ( ) x x + y y + z z = d i u i u i u i U3V - T13: Navigace III. strana 7

8 U3V - T13: Družicová navigace (6/16) Dálkoměrná metoda - princip U3V - T13: Navigace III. strana 8

9 U3V - T13: Družicová navigace (7/16) Souřadnice jednotlivých družic jsou zakódovány ve vysílaném signálu jednotlivých družic, tzv. navigační zprávě. Vzdálenost od družice se zjišťuje pomocí měření doby τ di definující zpoždění na trase satelit - navigační přijímač: d i = τ di c kde c je rychlost šíření elektromagnetické vlny ve vakuu. Dobu τ di však můžeme určit pouze při dokonalé synchronizaci časové základny družice a navigačního přijímače, což nelze dostupnými prostředky zajistit U3V - T13: Navigace III. strana 9

10 U3V - T13: Družicová navigace (8/16) V okamžiku měření časová základna uživatele vůči satelitu vykazuje jistý neznámý posuv t, který můžeme přepočítat na vzdálenost b = c t. K neznámým souřadnicím přibývá další neznámá b a pro výpočet polohy ve třírozměrném prostoru je nutno zpracovat signál alespoň zečtyř majákových družic: ( ) 2 ( ) 2 ( ) 2 x x + y y + z z = d = ( τ t ) c = D b i u i u i u Je však nutno zajistit vzájemnou synchronizaci jednotlivých satelitů podle společné časové základny systému, tak aby b bylo konstantní hodnotou pro všechny satelity systému. i mi i U3V - T13: Navigace III. strana 10

11 U3V - T13: Družicová navigace (9/16) Při měření generuje navigační přijímač kopii PNP signálu družice, kterou časově synchronizuje s přijímaným signálem, čímž získává zpoždění τ mi vztažené vůči časové základně přijímače U3V - T13: Navigace III. strana 11

12 U3V - T13: Družicová navigace (10/16) Kódy jednotlivých satelitů mohou být vhodně vybranými pseudonáhodnými posloupnostmi, které jsou pomocí zvolené číslicové modulace (např. BPSK) namodulovány na nosnou frekvenci. Při nízkých hodnotách vzájemných korelacích jednotlivých kódů může být použita stejná nosná frekvence pro všechny družice systému, který pak pracuje se signálem s rozprostřeným spektrem s přístupem CDMA U3V - T13: Navigace III. strana 12

13 U3V - T13: Družicová navigace (11/16) Dálkoměrný signál: c( t) D( t) sin( 2πf t) kde f c, je kmitočet nosné vlny. Pro BPSK modulaci platí: c ( t) { 1 ; + 1} D t c ( ) { 1 ; + 1} kde c(t) je pseudonáhodný dálkoměrný kód a D(t) je tzv. navigační zpráva nesoucí informace sloužící k určení polohy družice. Navigační zpráva je podstatně pomalejší něž dálkoměrný kód: U3V - T13: Navigace III. strana 13

14 U3V - T13: Družicová navigace (12/16) V GPS přijímači přijímáme rozprostřený signál Není synchronizace s replikou PN kódu malá korelace, nedostupná navigační data Je synchronizace s replikou PN kódu velká korelace (kladná nebo záporná), navigační data dostupná U3V - T13: Navigace III. strana 14

15 U3V - T13: Družicová navigace (13/16) Dálkoměrné signály jednotlivých družic je třeba od sebe oddělit. Používá se: kmitočtového multiplexu FDMA, kdy každá družice používá jiný kmitočet f nosné vlny a dálkoměrný kód c(t) může být společný kódového multiplexu CDMA, kdy všechny družice sice vysílají na nosné vlně se stejným kmitočtem, ale rozprostírací kód c(t) je pro každou družici jiný U3V - T13: Navigace III. strana 15

16 U3V - T13: Družicová navigace (14/16) Obecné schéma družicového navigačního systému U3V - T13: Navigace III. strana 16

17 U3V - T13: Družicová navigace (15/16) Hodnoty chyby pro SPS a PPS Zdroj - segment Kosmický a řídicí segment Uživatelský segment Příčina chyby SPS 1σ chyba [m] PPS Nepřesnost systémových hodin 1,1 1,1 Nepřesnost kepleriánských elementů Skupinové zpoždění L1 P(Y) L1 C/A 0,8 0,8 0,3 - Zbytkové ionosferické zpoždění 7,0 0,1 Zbytkové troposferické zpoždění 0,2 0,2 Šum v přijímači a výpočetní nepřesnost 0,1 0,1 Vícecestné šíření 0,2 0,2 Chyba celkem 7,1 1, U3V - T13: Navigace III. strana 17

18 U3V - T13: Družicová navigace (16/16) Pro stanovení chyby určení polohy je rozhodující vzájemná poloha měřených družic a místa příjmu (chyba určení zdánlivé vzdálenosti se projeví na dané geodetické souřadnici různě), tzv. koeficienty DOP (činitel zhoršení přesnosti) U3V - T13: Navigace III. strana 18

19 U3V - T13: GPS - NAVSTAR (1/9) GPS NAVSTAR (Global Positioning System - Navigation System Using Time and Range) je v současnosti nejvyužívanějším navigačním systémem. Kosmický segment tvoří 21 aktivních a několik záložních družic SV (Space Vehicle) umístěných po 4 družicích (rozestup 60 ) na šesti kruhových oběžných drahách (A-F) ve výšce km s inklinací 55. Oběžná doba je půl hvězdného dne, přibližně 11 h 58 m U3V - T13: Navigace III. strana 19

20 U3V - T13: GPS - NAVSTAR (2/9) Dostupnost GPS družic Radionavigační systémy strana 20

21 U3V - T13: GPS - NAVSTAR (3/9) Technologie GPS družic Block I počáteční fáze (do 1995) životnost cca 5 let Block II (od 1989) životnost 7,5 roku Block IIA autonomní verze 180 dní autonomní režim Block IIR replenishment (od 1997) Block IIR-M nové signály Block IIF- přídavná flexibilita Block III (od 2016) další nav. signály, životnost 15 let U3V - T13: Navigace III. strana 21

22 U3V - T13: GPS - NAVSTAR (4/9) Technologie GPS družic Block III očekávána přesnost určení polohy okolo 1 m pro SPS U3V - T13: Navigace III. strana 22

23 U3V - T13: GPS - NAVSTAR (5/9) Řídicí segment pozemní systémová zařízení U3V - T13: Navigace III. strana 23

24 U3V - T13: GPS - NAVSTAR (6/9) Signály GPS (standard) U3V - T13: Navigace III. strana 24

25 U3V - T13: GPS - NAVSTAR (7/9) Všechny družice GPS vysílají současně na dvou kmitočtech v pásmu L f 1 = 1575,42 MHz a f 2 = 1227,6 MHz v kódovém multiplexu CDMA. Kód civilní C/A je tzv. Goldův kód s periodou obsahující 1023 bitů a bitovou rychlostí 1,023 Mb/s. Je určen pro neautorizovaný přístup a je volně dostupný a využitelný v civilním sektoru. Kód přesný P (Precision) s bitovou rychlostí 10,23 Mb/s (jemnější odečet času). Perioda obsahuje přibližně 235 biliónů bitů, tj. asi 266 dnů. Využívá se však pouze sedmidenní část. Je určen pouze pro autorizované uživatele U3V - T13: Navigace III. strana 25

26 U3V - T13: GPS - NAVSTAR (8/9) Vztah PRN C/A kódu a navigační zprávy Navigační zpráva je 1023 chipů (1 ms) PRN tvořena specifikovaným kód rámcem s pěti podrámci s 1 chip bitovou rychlostí dat 50 bps. PRN PRN PRN 20 period kódu (20 ms) PRN Struktura nav. zprávy Datové bity navigační zprávy bps (20 ms/bit) U3V - T13: Navigace III. strana 26

27 U3V - T13: GPS - NAVSTAR (9/9) První podrámec obsahuje časové údaje, informace o stavu družice a deklarované chybě. Druhý a třetí podrámec obsahuje kepleriánské elementy družice pro výpočet její aktuální polohy. Poslední dva podrámce jsou věnovány tzv. almanachu t.j. informacím o ostatních družicích systému, v každém rámci o jedné. Aktuální informace o parametrech přijímané družice získáváme každých 30 sekund, kompletní přehled o systému pak po příjmu 25 rámců, tj. za 12,5 minuty U3V - T13: Navigace III. strana 27

28 U3V - T13: GLONASS (1/2) GLONASS (Globalnaja navigacionnaja sputnikovaja sistema) je ruský GNSS systém založený na pasivní dálkoměrné metodě. Kosmický segment (v FOC Final Operation Capability) 24 družic (21 aktivních) na kruhových drahách s výškou km (oběžná doba 11 h 15 min) ve třech rovinách s inklinací 64,8 Status 24 družic v plné operabilitě, 2 družice v testu dodavatelem, 2 družice v testovací letové fázi Navigační signály družic - kmitočtovým multiplex FDMA: 1602 až 1616 MHz a 1246 až 1257 MHz U3V - T13: Navigace III. strana 28

29 U3V - T13: GLONASS (2/2) Všechny družice pro měření pseudovzdáleností vysílají stejné PRN: C/A khz, 511 bitů, P - 5,11 MHz, 33 mil. bitů. (tj. 6,57 s ořezáno na 1 s) Navigační zpráva 50 bps: C/A rámec 10 s, celá 2,5 min., P rámec 30 s, celá 12 min U3V - T13: Navigace III. strana 29

30 U3V - T13: BEIDOU, Compass (1/1) BeiDou-I (Velká medvědice) je čínský GNSS systém opět založený na pasivní dálkoměrné metodě, využívá 3+1 geostacionární družice s pokrytím čínského území, pracovní frekvence 2491,75 MHz Compass (BeiDou-II) navazuje na BeiDou-I, cílem je instalace 27 družic na 3 MEO kruhové dráhy s výškou km a inklinací 56, 5 geostacionárních družic a 3 geosynchronní dráhy (oběžná doba 23 h 56 min) Předpokládá globální pokrytí a aplikace jak pasivní dálkoměrné metody se signály v pásmu L. Přesnost určení polohy pro civilní signály 10 m U3V - T13: Navigace III. strana 30

31 U3V - T13: QZSS (1/1) QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) je japonský GNSS systém založený na pasivní dálkoměrné metodě s pokrytím Japonska a okolí, využívá HEO družice s pokrytím Japonska s elevací větší něž 70 a umožňuje navigační služby i přenos dat, videa a audia. Součástí systému je augmentace GPS U3V - T13: Navigace III. strana 31

32 U3V - T13: GALILEO (1/10) Integrita, dostupnost a přesnost GNSS Výběrové aplikace (letectví, doprava) vyžadují vysokou spolehlivost navigačního systému: Integrita včasná znalost chyby a její deklarace v systému (výpadek funkce družice, chyba v efemeridách) Dostupnost (pokrytí) dostatečné pokrytí potřebným počtem družic (např. při 1 družici mimo provoz klesne globální průměr dostupnosti pro průměrně významnou družici ze 100% na 99,93%) Přesnost dostatečná přesnost získané polohy (v letectví je kritická chyba výšky) U3V - T13: Navigace III. strana 32

33 U3V - T13: GALILEO (2/10) Projekt GNSS I EGNOS = European Geostationary Navigation Overlay Service U3V - T13: Navigace III. strana 33

34 U3V - T13: GALILEO (3/10) Sítě referenčních stanic SBAS jednotlivé fixně umístěné monitorovací stanice zjišťují aktuální stav družicových systému a odchylku v určení polohy, komplexní model chyb a stav družic jsou distribuovány uživatelům U3V - T13: Navigace III. strana 34

35 U3V - T13: GALILEO (4/10) Sítě referenčních stanic SBAS pokrytí U3V - T13: Navigace III. strana 35

36 U3V - T13: GALILEO (5/10) Status GNSS I Základní systém je realizován Korekce jsou distribuovány: Internet Geostacionární družice IOR-W, AOR-E a EGNOS ESA ARTEMIS (frekvence GPS L1, MHz, CDMA, odlišeny pomocí PRN, specifický datový formát) Novější komerční přijímače umožňují příjem WAAS korekcí (v menu aktivace WAAS) U3V - T13: Navigace III. strana 36

37 U3V - T13: GALILEO (6/10) Kosmický segment 30 družic (27 aktivních) s výškou 23, 222 km nad Zemí (MEO) na 3 orbitách s excentricitou a inklinací i = 56 po 120, na každé orbitě 10 pravidelně rozmístěných družic, přičemž vždy jedna z 10 družic je záložní. Model geoidu GTFR (GALILEO Terrestrial Reference System). Hmotnost družice 680 kg při rozměrech 2.7 m x 1.2 m x 1.1 m. Životnost družice vyšší než 12 let U3V - T13: Navigace III. strana 37

38 U3V - T13: GALILEO (7/10) Uživatelský segment služby: Open Service (OS) služba bude poskytovat informace o poloze, času a rychlosti. Je zaměřena pro široké využití, zejména pro automobilovou navigaci a k implementaci do mobilních telefonů. Bude poskytována bezplatně. Safety of Life (SOL) služba je určena pro uživatele, u nichž je nutné garantovat kvalitu služby. Najde využití například v námořní, železniční nebo letecké dopravě. Je doplněna včasnými upozorněním uživatele, v případě možnosti zhoršení kvality služeb U3V - T13: Navigace III. strana 38

39 U3V - T13: GALILEO (8/10) Commercial Service (CS) služba poskytuje přístup k přídavným signálům, které zajistí možnost větší přenosové rychlosti a vyšší přesnosti navigace. Tyto signály budou šifrované. Dále tato služba bude komerčně nabízena poskytovatelům např. předpovědí počasí, informací o dopravě apod. Public Regulated Service (PRS) služba bude poskytnuta pouze vládou autorizovaným uživatelům, kteří vyžadují vysokou úroveň zabezpečení. PRS signály budou kódovány. Přístup k této službě bude kontrolován vládou schváleným bezpečnostním mechanismem U3V - T13: Navigace III. strana 39

40 U3V - T13: GALILEO (9/10) Support to Search and Rescue (SAR) Service družice systému GALILEO budou vybaveny transpondéry, které budou schopny přenášet pohotovostní signály např. z lodí, letadel do mezinárodních záchranných center. Status 3 družice plně funkční, 1 družice bez signálu 2+2 družice vypuštěny a testovací fáze před aktivací navigačních signálů FOC (Full Operational Capability) se plánuje na 2019/ U3V - T13: Navigace III. strana 40

41 U3V - T13: GALILEO (10/10) GIOVE-A kompletace U3V - T13: Navigace III. strana 41

42 Děkuji za vaši pozornost GPS III. GLONASS GIOVE (GALILEO) DHF-3 (BEIDOU 1) Téma příští přednášky: GNSS přijímače a ukázky U3V - T13: Navigace III. strana 42