SYSTEMY GPS Global Positioning System

Czym jest GPS ? NAVSTAR GPS Navigation Satellite Timing And Ranging System 24 satelity na orbitach wokółziemskich Wyznaczanie pozycji, nawigacja i precyzyjny pomiar czasu Działają 24 godziny na dobę przy każdej pogodzie Używane wszędzie tam, gdzie potrzebna jest dokładna znajomość położenia

Z czego składa się GPS ? Satelity na orbicie Kontrola naziemna Użytkownicy 1978 Pierwszy satelita Block 1 umieszczony na orbicie w roku. 1986 Katastrofa Challengera opóźnia budowę systemu. 1989 Pierwszy satelita Delta 2. System GPS jest pod kontrolą Departamentu Obrony USA

Satelity GPS 28 na orbicie (maj 2003) minimum: 24 Satelita NAVSTAR 1400 - 1900 kg 5m szer. trwałość 7,5 roku Panele słoneczne Baterie Ni-Cd 4 zegary atomowe

Orbity satelitów GPS physics.syr.edu/courses/PHY312.03Spring/GPS/GPS.html Okres obiegu ok. 12 h Codziennie wyłaniają się znad horyzontu o 4 min. wcześniej 24 satelity w sześciu płaszczyznach orbitalnych nachylonych pod kątem 55 do płaszczyzny równika. Wysokie orbity są stabilne Odległość od Ziemi ok. 20 000 km. Dla porównania satelity TV (geostacjonarne) 42,245 km

Sygnały GPS Satelity nadają sygnały radiowe (mikrofalowe) na dwóch częstotliwościach nośnych (moc 300-350 W): L1: 1575.42 MHz kod C/A – cywilny L2: 1227.60 MHz kod P/Y – wojskowy Dostępna usługa: Standard Positioning System (SPS) Dokładność przed wyłączeniem zakłócania (Selective Availability) ok. 100 m. Obecnie (po 1 maja 2000) < 13m (22m pion) Sygnał nie przenika przez przeszkody. Odbiornik musi „widzieć” satelity. Problemy pojawiają się w dżungli i w miejskich „kanionach”.

Almanach satelitów Almanach satelitów jest to kompletna informacja o wszystkich przewidywanych orbitach satelitów. Almanach nadawany jest przez satelity razem z sygnałem czasu Odbiornik GPS automatycznie wczytuje almanach za każdym razem, kiedy włączony jest przez czas dłuższy niż 15 min. Dane almanachu są aktualne ok. 30 dni. Odbiornik nieużywany przez dłuższy czas pozostawić przez ok. 30 min. w miejscu gdzie widoczna jest większość nieba. Dane almanachu są odbiornikowi potrzebne do oceny dostępności satelitów i wyświetlania ich położenia.

Kontrola naziemna Stacje monitoringu śledzą wszystkie satelity precyzyjnie mierząc w jakiej odległości się znajdują. Stacja Centralna (Master Control Station - MCS) przetwarza dane obliczając trajektorie satelitów MCS poprzez anteny naziemne przesyła dane o położeniu i trajektorii do satelitów. Satelity nadają informacje: 1) Położenie i czas 2) Almanach - obliczone (przewidywane) trajektorie 3) Poprawki do orbit otrzymane z MCS

Wyznaczanie odległości od satelity Zegary satelitów i odbiornika są dokładnie zsynchronizowane Satelity i odbiorniki generują ten sam pseudolosowy kod (patrz rysunek) Z przesunięcia kodu własnego i kodu otrzymanego z satelity odbiornik może obliczyć odległość do satelity Dodatkowe komplikacje są spowodowane tym, że prędkość rozchodzenia się sygnału zależy od stanu atmosfery (zawartość wody) i wysokości satelity (teoria względności)

ZASADY POMIARU POZYCJI ODBIORNIKA Satelita GPS wysyła sygnał 50 razy na sekundę na dwóch częstotliwościach L1 i L2 (PRECISE dla zastosowań wojskowych ), zawierające depesze nawigacyjne – parametry orbity poprawkę zegara odbiornika, dokładny czas zegara atomowego oraz stan systemu. Dostępność L2 jest ograniczana dla użytkowników cywilnych. Dokładność wyznaczenia pozycji anteny bez informacji z L2 ograniczona do ±10-15 m. Każdy sygnał dostarcza jedno równanie z 4 niewiadomymi (X,Y,Z,T) Kody w sygnale GPS wykorzystywane są do pomiaru czasu przebiegu sygnału od satelity do odbiornika. Do wyznaczenia pozycji odbiornika konieczna jest także znajomość położenia satelity w chwili nadania sygnału.

ZASADY POMIARU POZYCJI ODBIORNIKA Ta i inne informacje zawarte są w depeszy nawigacyjnej nadawanej przez satelity. W systemie GPS pozycję wyznacza się poprzez znalezienie punktu przecięcia linii pozycyjnych emitowanych przez satelity. Jednak każda taka linia obarczona jest pewnym błędem, tak więc miejsce przecięcia tych linie nie jest punktem, ale obszarem zależnym od wzajemnego położenia satelitów.

Zastosowania TRANSPORT  Drogowy  Kolejowy  Lotniczy  Publiczny  Morski SIECI ENERGETYCZNE  Pomiar czasu z dokładnością mikrosekundową pozwala zlokalizować miejsce awarii z dokładnością do 300 m, co jest równe odległości między słupami  Prace poszukiwawcze, np. pozycjonowanie platform wiertniczych. TELEKOMUNIKACJA  Precyzyjna lokalizacja telefonów komórkowych  Serwisy informacyjne zależne od lokalizacji telefonu  Procedury ratunkowe zależne od położenia ratowanego. 

SZYFROWANIE.  Precyzyjny sygnał czasu może być SZYFROWANIE  Precyzyjny sygnał czasu może być podstawą skutecznych i powszechnych metod szyfrowania finanse, bankowość, ubezpieczenia certyfikacja dokumentów elektronicznych ROLNICTWO  Łatwa i szybka rejestracja obszarów zajmowanych pod poszczególne uprawy  Precyzyjne stosowanie chemikaliów ŚRODOWISKO  Badanie stanu atmosfery  Monitorowanie gatunków zwierząt POMOC LUDZIOM NIEPEŁNOSPRAWNYM  Informacja o położeniu i wskazywanie drogi niewidomym (zastępuje mapę)  Planowanie trasy dla ludzi na wózkach inwalidzkich (programowalne wózki)  Pomoc dla ludzi z zanikami pamięci (choroba Alzheimera)  Systemy informacji w środkach transportu publicznego

Badanie atmosfery GPS Atmosphere Sounding Project (GASP) GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) www.gfz-potsdam.de/pb1/GASP Całkowita zawartość pary wodnej w atmosferze w ciągu ostatnich 24 godzin Water Vapor Estimation from Ground GPS Networks & Assimilation into Atmospheric Models

Ekstremalna precyzja – drgania budynków Dokładność 7.6 mm !!!

Europejski GPS Projekt europejskiego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS) GNSS I (EGNOS) European Geostationary Navigation Overlay System Składa się z trzech satelitów geostacjonarnych, 34 stacji naziemnych i trzech centrów kontroli. Wykorzystuje zarówno sygnał amerykańskiego GPS, jak i rosyjskiego GLONASS (GLObal Navigation Satellite System) Poprawi w Europie dokładność z obecnych 20 m do 5 m. Przeznaczenie wyłącznie cywilne, głównie dla transportu. GNSS II (GALILEO) Europejski odpowiednik amerykańskiego GPS. Ma konkurować z GPS, ale oba systemy mają wspólnie tworzyć system ogólnoświatowy (GNSS). GALILEO ma kosztować $ 3,5 mld. EGNOS będzie konieczne dla integracji GPS i GALILEO. Stany Zjednoczone próbowały zahamować budowę niezależnego systemu europejskiego.

EGNOS i GALILEO Dokładność pozioma obecnego GPS 27 satelitów na 6-ciu orbitach geostacjonarnych. Możliwa rozbudowa do 31-32 satelitów minimum 21 + 3 zapasowe Dokładność pozioma GPS + EGNOS 3 dodatkowe satelity + 34 stacje naziemne Dokładność pozioma GALILEO 30 nowych satelitów europejskich na 3 orbitach 23 616 km nachylonych 56 do płaszczyzny równika

WAAS – EGNOS - MSAS Regionalne systemy wspomagające GPS Poprawiają dokładność

Stacje EGNOS

EGNOS dzisiaj System uruchomiono 28 lipca 2005 (faza wstępna) 3 satlity geostacjonarne transmitujące poprawki GPS System uruchomiono 28 lipca 2005 (faza wstępna) 2006 - oficjalne ogłoszenie dostępności sygnału 2007 dostępność sygnału dla systemów ratujących życie SISNet – transmisja sygnału EGNOS w Internecie. Dostępny, na przykład, poprzez GPRS (niezależnie od widoczności satelitów geostacjonarnych EGNOS)

Dziękuję za uwagę