Wykład 4: Systemy nawigacji satelitarnej

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Plan Geneza GPS GLONASS Usługi systemu GPS Ograniczenia systemu GPS Standardy NMEA i Garmin Błędy pomiaru pozycji GPS różnicowy Przyszłość dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Plan Geneza GPS GLONASS Usługi systemu GPS Ograniczenia systemu GPS Standardy NMEA i Garmin Błędy pomiaru pozycji GPS różnicowy Przyszłość dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Prapoczątki 1940 – naziemny system LORAN 1955 – Friedwardt Winterberg proponuje, by zweryfikować ogólną teorię względności Einsteina korzystając z zegarów atomowych umieszczonych na sztucznych satelitach orbitujących wokół Ziemi 1957 – naukowcy z John Hopkins University w Baltimore próbują rozkodować sygnały telemetryczne wysyłane przez radzieckiego satelitę Sputnik 1 okazuje się, że Sputnik 1 nie emitował żadnych sygnałów telemetrycznych aktualny tor przelotu satelity można wyliczyć wykorzystując efekt Doppler’a jednym z wniosków jest stwierdzenie, że sztuczne satelity można wykorzystać do wyznaczania pozycji (wykorzystanie pomiarów dopplerowskich do określenia nieznanej pozycji naziemnego obserwatora, gdy znana jest orbita satelity) dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Początki 1964 – uruchomienie systemu Transit-NAVSAT (Navy Navigation Satellite System) przeznaczony dla Marynarki Wojennej USA do wyznaczania pozycji wykorzystywany efekt Dopplera satelity na orbicie 1100 km nad Ziemią satelity emitują sygnał tworzący dwie fale nośne 150MHz i 400MHz błąd ok. 400 m przy pozycjonowaniu dwuwymiarowym 1967 – udostępnienie systemu Transit do zastosowań cywilnych 1968 – początek prac nad kolejnymi systemami pozycjonowania satelitarnego: TIMATION – przeznaczony dla U.S. Navy – precyzyjny pomiar czasu 621 B – dla wojsk powietrznych USA dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Historia systemu GPS 1973 – decyzja o podjęciu prac nad satelitarnym systemem nawigacyjnym w oparciu o systemy (Transit, TIMATION i 621B) 1974-1979 – faza testów 1977 – pierwsze testy odbiorników (infrastruktura oparta na pseudolitach) 1978-1985 – umieszczenie na orbicie 11 satelitów bloku pierwszego 1 IX 1983 – udostępnienie systemu do użytku cywilnego (efekt zestrzelenia korea dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Plan Geneza GPS GLONASS Usługi systemu GPS Ograniczenia systemu GPS Standardy NMEA i Garmin Błędy pomiaru pozycji GPS różnicowy Przyszłość dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Składniki systemu GPS Segment satelitarny Segment naziemny Segment użytkownika dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Segment satelitarny Zespół sztucznych satelitów: orbita 20200 km nad Ziemią oryginalnie 24 satelity operacyjne i 3 rezerwowe (od grudnia 2012 - 32) 6 torów orbitalnych rozłożonych wzdłuż koła wielkiego co 60° długości geograficzne tory nachylone pod kątem 55° do równika, na każdym znajdują się 4 satelity odległości kątowe pomiędzy satelitami na orbicie 35, 105, 120 i 105 satelita okrąża Ziemię w 11 godzin i 58 minut dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Segment satelitarny (2) W dowolnym punkcie na ziemi widocznych jest co najmniej 5 satelitów z prawdopodobieństwem 0,9996 (co najmniej 5° nad horyzontem) Liczba widocznych satelitów zależy od szerokości geograficznej punktu, w którym znajduje się obserwator Do wyznaczenia pozycji w układzie 2D potrzebne trzy satelity, a w układzie 3D cztery Wizualizacja ruchu 24 satelitów GPS wokół obracającej się Ziemi z uwzględnieniem zmieniającej się w czasie liczby widocznych satelitów z określonego punktu na powierzchni Ziemi (45°N) dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Segment satelitarny (3) Stosowane początkowo satelity bloku I (SVN1-SVN11) wycofano już z użytku Satelity bloku II (SVN13-SVN21) – wycofane z użytku Satelity bloku IIA (SVN22-SVN40) – 12 wycofanych z użytku, 7 działających Satelity bloku IIR i IIRM (SVN41-SVN61) – 12 działających i jeden który nie trafił na właściwą orbitę (IIR), 7 działających i 1 niesprawny na skutek błędów (IIRM) Satelity bloku IIF (SVN62-SVN66) – 5 działających i 7 czekających na wyniesienie na orbitę (SVN67-SVN73) Satelity bloku IIIA (od SVN74) – planowany start 2015 dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Satelita Navstar Dziewięć podstawowych systemów: system wprowadzania na orbitę – rakieta nośna wynosi satelitę na orbitę parkingową, a w odpowiednim momencie satelita zostaje skierowany na orbitę roboczą system kontroli wysokości i prędkości – odpowiedzialny za odpowiednie położenie korpusu satelity względem Ziemi i Słońca, ukierunkowanie anten i paneli słonecznych system nawigacyjny – odpowiada za podstawowe funkcje satelity: generowanie depesz nawigacyjnych oraz utrzymanie czasu (wzajemnie synchronizujące się zegary atomowe 3 rubidowe – blok IIR lub da cezowe i dwa rubidowe – blok IIA) dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Satelita Navstar (2) system śledzenia i kontroli – odpowiedzialny za aktywną lokalizację satelitów, zdalne sterowanie z Ziemi oraz automatyczną kontrolę wewnętrznych systemów satelity, również podzespoły telemetryczne system wykrywania wybuchów jądrowych - służy do wykrywania podstawowych zjawisk towarzyszących wybuchom jądrowym (detektor impulsu elektromagnetycznego, radiometr optyczny i wykrywacz promieniowania X) system kontroli termicznej - izoluje systemy satelity, by umożliwić im pracę w ekstremalnych warunkach panujących w kosmosie blok zasilania – baterie słoneczne i akumulatory, które zapewniają zasilanie satelity w cieniu Ziemi dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Segment naziemny 12 stacji monitorujących rozmieszczonych możliwie blisko i w miarę równomiernie w celu ciągłej obserwacji każdego satelity przez co najmniej dwie stacje przez całą dobę: główna w bazie sił lotniczych USA Shriever AFB w Colorado Springs sześć stacji kontrolowanych przez Centrum Kontroli Satelitów Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych sześć kontrolowanych przez NGA – Narodową Agencję Wywiadu Satelitarnego (planowane dodanie pięciu kolejnych) dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Zadania stacji naziemnych Stacja centralna: odbiór informacji z satelitów odbiór danych ze stacji naziemnych przekazywanie informacji do stacji naziemnych wysyłanie depesz nawigacyjnych nadzór pracy stacji naziemnych decyzje o naprawie oraz wymianie elementów nawigacji GPS decyzje o korektach orbit współpraca z instytucjami wspomagającymi nawigację satelitarną dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Zadania stacji naziemnych (2) Stacja monitorująca: ciągły odbiór sygnałów satelitarnych GPS nadzór nad poprawnością działania segmentu kosmicznego przesyłanie informacji do Głównego Centrum Kontroli Śledzenie oraz telemetryczne sprawdzanie orbit satelitarnych Zbieranie danych do poprawek jonosferycznych i pomiaru czasu dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Wyznaczanie poprawek Stacje systemu naziemnego odpowiedzialne są między innymi za dokonywanie zdalnej korekty w przypadku pojawienia się takiej potrzeby wyliczanie poprawek korekcyjnych tzw. efemeryd i wysyłanie ich do satelity, a te uwzględniane są przez satelity w wysyłanych przez nie depeszach nawigacyjnych podobnie postępuje się w przypadku zegara Raz do roku satelita jest nieaktywny przez 12 godzin, w tym czasie następuje korekta położenia dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Funkcje odbiornika GPS Podstawowe funkcje odbiornika GPS: odbiór sygnału nadawanego przez satelity NAVSTAR zidentyfikowanie satelity nadającego sygnał obliczenie czasu przebiegu sygnału między satelitą a odbiornikiem wyliczenie i prezentacja w odpowiedni sposób pozycji i innych danych nawigacyjnych zegar kwarcowy i jego funkcje dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Parametry odbiornika GPS Podstawowe parametry odbiornika GPS: dokładność wyznaczania pozycji, czasu i prędkości czas akwizycji – czas od włączenia odbiornika do pierwszego wyznaczenia pozycji czas reakwizycji – czas od utraty sygnału do ponownego wyznaczenia pozycji liczba śledzonych satelitów maksymalne prędkość i przyspieszenie, przy których odbiornik śledzi sygnał czułość odbiornika odporność na sygnały zakłócające odporność na warunki środowiskowe dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Zastosowania Zastosowania wojskowe Lotnictwo Transport wodny Transport lądowy Budownictwo i inżynieria Transfer czasu i częstotliwości wzorcowej Turystyka, sport i rekreacja Reklama Zoologia, leśnictwo, hodowla zwierząt Telekomunikacja, telefonia komórkowa Multimedialne urządzenia przenośne Podwodne prace wydobywcze Zastosowania naukowe dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Zastosowania wojskowe (1) Podstawowe zastosowanie, dla którego opracowano GPS Dokładność poniżej 16 m Istotną cechą pasywność – niemożliwość namierzenia Stosowane we wszystkich typach wojsk Funkcje: szybkie i dokładne określenie pozycji kierowanie ruchem wojsk kierowanie pociskami zdalnie sterowanymi pomoc w planowaniu zadań bojowych usprawnienie dowodzenia kontrola i synchronizacja czasu Dowodzenie, kontrola, komunikacja i wywiad zautomatyzowane systemy dowodzenia klasy C3I (Command, Control, Communications & Intelligence) stosujące nowoczesne metody, środki i technologie informatyczne i telekomunikacyjne do gromadzenia, przetwarzania i dystrybucji informacji w rejonie działań wojennych odbiorniki GPS umożliwiają określenie pozycji oddziałów własnych i sprzymierzonych, które przekazywane są drogą radiową do centrum dowodzenia, a tam automatycznie nanoszone na mapy taktyczne dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Zastosowania wojskowe (2) Synchronizacja czasu i częstotliwości terminali komunikacyjnych systemów radionawigacyjnych triangulacji korelacji kalibracji standardów częstotliwości Operacje taktyczne: stosowane we wszystkich typach operacji taktycznych, w szczególności w operacjach niejednorodnych o zmiennych elementach (patrole morskie, przechwytywanie lotnicze, operacje lądowo-morskie) precyzyjny czas do synchronizacji misji dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Plan Geneza GPS GLONASS Usługi systemu GPS Ograniczenia systemu GPS Standardy NMEA i Garmin Błędy pomiaru pozycji GPS różnicowy Przyszłość dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska GLONASS GLONASS – GLObal NAvigation Satellite System (ros. ГЛОНАСС, Глобальная навигационная спутниковая система) Rosyjski odpowiednik amerykańskiego GPS Operatorem systemu są obecnie rosyjskie wojska obrony powietrzno-kosmicznej (ros. BKO = Войска Bоздушно-Kосмической Oбороны), a wcześniej rosyjskie siły kosmiczne (ros. Космические Bойска России) dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Historia systemu GLONASS (2) Koniec lat 60-tych XX wieku – koncepcja systemu nawigacji satelitarnej 1970 – sformułowanie formalnych wymagań 1976 – decyzja rządu ZSRR o rozwoju systemu – prace zespołu specjalistów pod kierunkiem Władimira Czeremisina w Krasnojarsku, w tym samym roku (XII) pierwszy próbny satelita wyniesiony na orbitę 1982 – wyniesienie na orbitę pierwszego satelity docelowej konstelacji systemu 1983-1985 – próby i testy w kosmosie, krótka żywotność satelitów (od niecałego roku do 3 lat), pełna sprawność systemu planowana na 1987 (nie została osiągnięta) 1986-1995 – prace nad uzyskaniem pełnej sprawności systemu1991 rozwiązanie ZSRR (na orbitę wyniesiono dotąd łącznie 43 satelity systemu) – prace kontynuowała Federacja Rosyjska dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Historia systemu GLONASS 1995 – pełna zdolność operacyjna systemu (24 satelity) 1996-2001 – stopniowe popadanie w ruinę (22 satelity na koniec 1996, 6 w 2001) na skutek cięć budżetowych (80% niższe nakłady na program kosmiczny) wstrzymano do grudnia 1999 wprowadzanie na orbitę nowych satelitów 2000 – rząd rosyjski uznaje przywrócenie zaniedbanego systemu za zadanie priorytetowe i przyznaje mu podwojone fundusze 2002 – plan odbudowy i modernizacji systemu (do 2010) 2003 – wprowadzenie nowego projektu satelity GLONASS-M 2007 – udostępnienie użytkownikom cywilnym sygnału o dokładności pozycjonowania do 10 m (po ingerencji Putina, w 2006 planowano tylko 30 m, w 1995 było to 75 m) grudzień 2010 – nieudana próba wystrzelenia ostatnich trzech satelitów systemu GLONASS-M dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Historia systemu GLONASS (3) luty 2011 – wystrzelenie pierwszego ulepszonego satelity GLONASS-K i przywrócenie operacyjnej funkcjonalności dwóm satelitom zapasowym październik 2011 – 24-ty satelita na orbicie listopad 2011 – cztery (3+1) dodatkowe satelity GLONASS-M kwiecień 2013 – uzupełnienie stanu o jednego satelitę GLONASS-M lipiec 2013 – kolejna katastrofa z trzema satelitami na pokładzie rakiety 2014 – wystrzelenie 3 kolejnych satelitów (2  M marzec i czerwiec, 1  K1 listopad- lot testowy) stan obecny – 29 satelitów (24 – działające, 2 zapasowe, 2 w fazie lotów testowych, 1 w fazie sprawdzania) – najstarszy 10 lat (obecnie jako zapasowy), najstarszy działający 8 lat, najnowszy działający 7 miesięcy, najnowszy 1,5 miesiąca (lot testowy) technicznie system kompletny, operacyjnie jeszcze nie w pełni dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Segment satelitarny 24 satelity operacyjne 3 płaszczyzny orbit: równomiernie co 120˚ wzdłuż równika nachylenie 64,8˚ względem równika (lepsze pokrycie okolic podbiegunowych, pogorszenie w strefie równikowej) po 8 satelitów co 45˚ Miejsce satelity w przestrzeni (orbita i położenie) określone numerami 1÷24 dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Segment satelitarny (2) Miejsce satelity w przestrzeni (orbita i położenie) określone numerami 1÷24 Wysokość 19 100 km Czas obiegu satelity wokół Ziemi 11h15m44s Konstelacja satelitów powtarza się co 23h55m56s (składa się z innych satelitów niż dzień wcześniej) Trasa danego satelity względem powierzchni Ziemi powtarza się co 17 okrążeń (7d23h27m26s) dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Typy satelitów GLONASS (a) GLONASS-M (b) GLONASS-K (c) Rok pierwszego wyniesienia na orbitę 1982 2003 2008 Żywotność w latach 3 7 10-12 Masa [kg] 1415 750 Moc sygnału [W] 1000 1600 1270 Dokładność pionowej współrzędnej pozycji [m] dla poziomu ufności 96% 60 30 5-8 Liczba sygnałów – ogólnie dostępne 1 2 Liczba sygnałów – użytkownicy autoryzowani Stabilność zegara na pokładzie satelity 5× 10 −13 1× 10 −13 Łączność radiowa między satelitami - od M3 tak dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Segment naziemny Stacje: Krasnoznamieńsk (Ternopol) Szelkowo (Moskwa) St. Petersburg Jenisejsk Komsomolsk Ussurijsk Brasilia (BRA) Oznaczenia: SSC – System Control Centre TT&C – Telemetry, Tracking and Command CC-H – Central Clock SLR – Laser Ranging Station MS – Monitoring and Measuring Stations (główne, dodatkowe) ULS – Upload Station dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Zadania segmentu naziemnego Określanie i prognozowanie efemeryd Uaktualnianie efemeryd i almanachu wszystkich satelitów Synchronizacja wzorców czasu zainstalowanych na satelitach z czasem systemu Określenie różnicy pomiędzy czasem systemu a czasem State Etalon UTC (CIS) Kierowanie i śledzenie satelitów Okresowo laserowe sprawdzanie odległości satelitów za pomocą układów laserowych umieszczonych w niektórych stacjach monitorujących Stacja SLR w Szelkowie dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Segment użytkownika Przez długi czas brak pełnej konstelacji hamulcem rozwoju Kosztowniejsze i większe odbiorniki (FDMA) Odgórne działania popularyzatorskie: nałożenie 25% cła na urządzenia obsługujące GPS, a nie obsługujące GLONASS wymuszenie na producentach samochodów zastosowania systemów nawigacyjnych opartych na systemie GLONASS Swepos (Szwecja) pierwszą (kwiecień 2011) zagraniczną firmą wykorzystującą komercyjnie system do pozycjonowania (lepsze pokrycie na północy niż w przypadku GPS) Większość współczesnych telefonów komórkowych obsługuje obydwa standardy: GPS i GLONASS dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Odbiorniki Działanie takie samo jak w innych nawigacyjnych systemach satelitarnych – pomiar czasu propagacji sygnałów otrzymanych z różnych satelitów na podstawie wewnętrznych zegarów satelitów i odbiornika Odbiornik składa się z anteny, interfejsu użytkownika, modułu przetwarzającego sygnał (wykrywanie i śledzenie satelitów) Dwa rodzaje usług: SPS (Standard Positioning Service) w paśmie G1 a od 2004 w paśmie G2 PPS (Precise Positioning Service) w pasmach G1 i G2 w zastosowaniach militarnych i dla autoryzowanych użytkowników dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Obszary zastosowań Siły zbrojne Synchronizacja systemów komunikacyjnych i energetycznych Geodezja (współrzędne punktów, granice działek) Kartografia wojskowa i cywilna Tektonika (ruchy płyt tektonicznych) Nawigacja Monitoring satelitarny pojazdów (pozycja, prędkość, ruchy) – projekt ERA-GLONASS Monitorowanie złożonych struktur inżynieryjnych Monitorowanie zwierząt, ochrona środowiska Nawigacja w transporcie lądowym i morskim Systemy poszukiwań i systemy ratownicze dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Przyszłość systemu GLONASS Zastąpienie satelitów GLONASS-M satelitami GLONASS-K Rozbudowa segmentu naziemnego Wprowadzenie serwisu bezpieczeństwa Zwiększenie odporności na celowe zakłócenia i zniekształcenie Rozwój systemów różnicowych WADS (Wide Area Differential System) – 3-5 stacji referencyjnych o promieniu działania 1500-2000km i dokładności 5-10m RADS (Regional Area Differential System) – promień działania ok. 500 km, dokładność 3-10 m LADS (Local Area Differential System) – promień działania ok. 40 kmi dokładności 0,1-1 m, dla celów badawczych, naukowych i komercyjnych dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Porównanie orbit dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

GPS vs. GLONASS vs. Galileo Liczba satelitów 32 24 27+3 zapasowe Liczba orbit 6 3 Inklinacja [stopnie] 55 64,8 56 Wysokość orbit [km] 20 162 19 100 23 616 Czas okrążenia Ziemi [hh:mm] 11:58 11:15 14:21 Geodezyjny układ odniesienia WGS 84 PZ 90 ITRF Metoda kodowania CDMA FDMA + CDMA Modulacja BPSK+BOC BPSK BOC Dokładność pozycjonowania do 20 m do 30 m planowana ok. 1 m Prędkość transmisji w paśmie cywilnym 50 bps Pasma częstotliwości nośnej L1, L2, L5 L1, L2, L3, L5 E1, E5, E6 dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Plan Geneza GPS GLONASS Usługi systemu GPS Ograniczenia systemu GPS Standardy NMEA i Garmin Błędy pomiaru pozycji GPS różnicowy Przyszłość dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Wyznaczanie pozycji Pseudoodległość wyznaczana jest ze wzoru: 𝑥 𝑖 −𝑥 2 + 𝑦 𝑖 −𝑦 2 + 𝑧 𝑖 −𝑧 2 =𝑐Δ 𝑡 𝑐 𝑖 𝑑𝑙𝑎 𝑖=1,2,3,4 gdzie: 𝑥,𝑦,𝑧 - pozycja odbiornika 𝑥 𝑖 , 𝑦 𝑖 , 𝑧 𝑖 - pozycja 𝑖-tego satelity 𝑐 – prędkość światła 𝑐Δ 𝑡 𝑐 𝑖 - całkowity czas przebiegu sygnału od 𝑖-tego satelity dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Wyznaczanie pseudoodległości Odbiornik musi: odebrać sygnał z satelitów (dla 2D co najmniej 3, dla 3D co najmniej 4) określić położenie każdego z satelitów w chwili nadawania depeszy nawigacyjnej określić czas przebiegu sygnału od satelity do odbiornika (na podstawie depeszy nawigacyjnej) wyznaczyć pseudoodległość dla każdego satelity dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Transfer czasu System GPS jest doskonałym źródłem dokładnego czasu Alternatywa dla drogich zegarów atomowych Przykładowe zastosowania: serwery komunikacyjne sieci komputerowe badania naukowe inne dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Plan Geneza GPS GLONASS Usługi systemu GPS Ograniczenia systemu GPS Standardy NMEA i Garmin Błędy pomiaru pozycji GPS różnicowy Przyszłość dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Ograniczenia systemu GPS dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Wyznaczanie pozycji poza drogą Pozycja wg. odbiornika GPS Pozycja wyznaczona wg. algorytmu map matching dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Plan Geneza GPS GLONASS Usługi systemu GPS Ograniczenia systemu GPS Standardy NMEA i Garmin Błędy pomiaru pozycji GPS różnicowy Przyszłość dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Standard NMEA Standard komunikacyjny zaproponowany przez NMEA zgodny ze standardem RS-232 Możliwość zastosowania: portu COM, USB, CF, PCMCIA a nawet bezprzewodowego złącza szeregowego w technologii Bluetooth Ustawienia portu są następujące: prędkość – 4800 bodów (można spotkać urządzenia pracujące z niestandardowa prędkością 9600 bodów) 8 bitów danych 1 bit stopu brak kontroli parzystości brak sterowania przepływem Odbiorniki GPS wysyłają komunikaty co 2 sekundy dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Standard Garmin Standard komunikacyjny zaproponowany przez firmę GARMIN obsługiwany przez większość urządzeń produkowanych przez tę firmę Ustawienia portu są następujące: prędkość – 9600 bodów 8 bitów danych 1 bit stopu brak kontroli parzystości brak sterowania przepływem Format wiadomości: zaczyna się od znaku 10 (hex), a kończy się parą 10 i 03 i zawiera, obok określonych danych, sumę kontrolna Komendy Przykładowe polecenia: 10 0A 02 01 00 F3 10 03 -- wyślij almanach 10 0A 02 04 00 F0 10 03 – wyślij trasy 10 0A 02 07 00 ED 10 03 – wyślij punkty dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Plan Geneza GPS GLONASS Usługi systemu GPS Ograniczenia systemu GPS Standardy NMEA i Garmin Błędy pomiaru pozycji GPS różnicowy Przyszłość dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Błędy pomiaru pozycji Błędy GPS dzieli się na techniczne i naturalne Błędami naturalnymi są: opóźnienie jonosferyczne - błąd spowodowany opóźnieniem w propagacji fal radiowych przy przejściu przez jonosferę (w zależności od pory dnia 20 metrów w dzień i 3-5 metrów w nocy) opóźnienie troposferyczne – błąd spowodowany zmianami temperatury, ciśnienia i wilgotności w dolnych warstwach atmosfery (do 3 metrów) dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Sztuczne błędy pomiaru pozycji Błąd efemeryd – spowodowany jest różnicą w położeniu satelity pomiędzy danymi wyliczonymi a pozycją rzeczywistą Błąd zegara satelity – spowodowany różnicą pomiędzy wskazaniem zegara satelity a globalnym czasem GPS Błąd wielotorowości – spowodowany dotarciem do anteny sygnałów odbitych od obiektów ją otaczających. Błędy odbiornika - występujące w odbiorniku GPS wywołane przez: szum dokładność oprogramowania zakłócenia lokalne (nadajniki radiowe, komórki i inne) dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Wartości błędów Źródło błędu Wpływ [m] Błąd efemeryd 2,1 Błąd zegara Opóźnienie jonosferyczne 4,0 Opóźnienie troposferyczne 0,7 Odbicia 1,4 Błąd odbiornika 0,5 dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Plan Geneza GPS GLONASS Usługi systemu GPS Ograniczenia systemu GPS Standardy NMEA i Garmin Błędy pomiaru pozycji GPS różnicowy Przyszłość dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Motywacja Potrzeba poprawy dokładności cywilnej wersji GPS w niektórych zastosowaniach: pomiary geodezyjne wsparcie dla niewidomych nawigacja przybrzeżna wspomaganie samolotów przy podejściu do lądowania Metody: pomiar statyczny (Static) pomiar szybki statyczny (Fast / Rapid Static) metoda „stop-and-go" pomiary kinematyczne GPS (Real Time Kinematic) różnicowy pomiar GPS (DGPS) dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Pozycjonowanie punktowe Wymaga tylko jednego odbiornika GPS Niezbędna wiedza o położeniu i pseudoodległościach do co najmniej 4 satelitów Współrzędne satelitów z depeszy nawigacyjnych Odległości z kodów C/A lub P(Y) Błędy pomiaru pseudoodległości: błąd synchronizacji, błąd zegara atomowego, błąd zegara kwarcowego Liczba nieznanych parametrów 4: współrzędne X, Y, Z oraz błąd zegara kwarcowego Dokładność od kilku do kilkunastu metrów dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Pozycjonowanie względne Dodatkowe urządzenie tzw. stacja referencyjna (bazowa) o znanych współrzędnych Urządzeniem użytkownika tzw. odbiornik odległościowy Obydwa urządzenia śledzą w tym samym czasie ten sam zestaw satelitów Dokładność – w zależności od metody rzędu centymetrów a nawet milimetrów Metody pomiarów względnych: pomiar statyczny pomiar szybki metoda „stop-and-go” pomiary kinematyczne różnicowy GPS dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Pomiar statyczny Lokalizacja bazy oraz odbiornika nie zmieniają się w trakcie pomiaru Znane położenie bazy, nieznane odbiornika Zbieranie danych od kilku godzin do kilku dni – zależne od wymaganej precyzji i odległości od bazy Bardzo duża dokładność pomiarów (metoda fazowa najprecyzyjniejszy pomiar) Cechy: czas pomiaru dla jednej lokalizacji – od kilku godzin do kilku dni odległości: do 10 km dokładność horyzontalna do 5 mm +0,5 ppm pionowa 5 mm + 1 ppm sposób opracowania danych – post-processing metoda pomiaru – fazowa dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Pomiar szybki statyczny Odbiornik odległościowy znajduje się w nieznanej pozycji tylko przez krótki czas Po dokonaniu pomiaru odbiornik się przemieszcza Podczas przemieszczania niepotrzebny kontakt z satelitami Metoda fazowa pomiaru – potrzebny odbiornik działający na dwóch częstotliwościach L1 i L2 Zastosowania – potrzeba kilku pomiarów pozycji na pewnym ograniczonym obszarze Charakterystyczne cechy: czas pomiaru dla jednej lokalizacji: 2-10 minut odległość: do 20 km dokładność horyzontalna: 5 mm + 1 ppm dokładność pionowa:10 mm + 1 ppm sposób opracowania danych: post-processing metoda pomiaru - fazowa dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Metoda „stop-and-go” Odbiornik odległościowy przemieszcza się między punktami o nieznanej lokalizacji Odbiornik musi się zatrzymać w miejscu pomiaru Ustalenie pozycji następuje po zakończeniu wszystkich pomiarów Metoda stosowana, gdy potrzeba wielu pomiarów pozycji w niewielkim sąsiedztwie stacji referencyjnej Charakterystyczne cechy: czas pomiaru dla jednej lokalizacji: 1-2 minut odległość: do 10-15 km sposób opracowania danych: post-processing metoda pomiaru - fazowa dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

RTK - Real Time Kinematic Możliwość uzyskania bardzo dokładnych pomiarów (1-3 cm) w czasie rzeczywistym Ze względu na zastosowanie fazowej metody pomiaru konieczna inicjacja pomiaru (pomiar statyczny lub szybka inicjacja metodą on-the-fly – kombinacja pomiaru fazowego i kodowego ) Dwa odbiorniki (bazowy i odległościowy) – odbiornik na komunikuje się na bieżąco z bazą (VHF, GPRS) – pozycja wyznaczana w czasie rzeczywistym Zastosowanie podstawowe – geodezja Charakterystyczne cechy: czas pomiaru dla jednej lokalizacji: 1-5 sekund odległość: do 10-15 km dokładność horyzontalna: do 10 mm + 1 ppm dokładność pionowa: do 20 mm + 1 pp, sposób opracowania danych: real time positioning metoda pomiaru - fazowa dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

DGPS – Różnicowy pomiar GPS Bardzo podobne do RTK Pseudoodległości wyznaczane metodą kodową – szybsze pomiary, niepotrzebna inicjacja pomiaru Zastosowanie – między innymi na lotniskach Dokładność mniejsza niż w RTK, ale zadowalająca w zastosowaniach wymagających szybkości Charakterystyczne cechy: czas pomiaru dla jednej lokalizacji: czas rzeczywisty odległość: ok. 20km dokładność 0,2 – 2 metry sposób opracowania danych: real time positioning metoda pomiaru - kodowa dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Plan Geneza GPS GLONASS Usługi systemu GPS Ograniczenia systemu GPS Standardy NMEA i Garmin Błędy pomiaru pozycji GPS różnicowy Przyszłość dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

Przyszłość systemów satelitarnych Systemy globalne europejski system Galileo chiński system Beidou 2 Systemy lokalne IRNSS (Indian Regional Navigational Satellite System) – Indie QZSS – Japonia Systemy wspomagające EGNOS WAAS MSAS Inne dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2015

dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska Dziękuję za uwagę! dr hab. inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska © 2014-2016