FysikUniv GPSNav MB 201003 - Göteborgs universitetphysics.gu.se › ~micaeen › FysikVarlden › litteratur › RUAG_SatellitNa… · Ljusets brytning i ett prisma Glas eller Atmosfär

RUAG Space 1Satellitnavigering GU, Mars 2010

Satellit-navigering

Magnus Bonnedalbidrag från Christer Berner

Rymdstyrelsen


GPS-tillämpningar

Navigering: Bil, båt, flyg, handburen

Prospektering: vägar, stadsplanering, byggen

Kartering

Vetenskapliga: Geodesi kontinentalplattsförflyttning

Tidsmätning

Jordbruk: sådd, gödsling, skörd

Flyg: automatiska landningssystem

.. och mycket mera…


GNSS - Global Navigation Satellite System

Existerande system:

• GPS (USA)

• GLONASS (Ryssland)

System under uppbyggnad:

• Galileo (EU)

•Compass (Kina)

Regionala system:

• QZSS (Japan)

• IRNSS (Indien)

Satellit för Europeiska systemet Galileo


GPS Global Positioning System

The GPS constellation:

•Operational in 1986

•24 – 30 Space Vehicles

•6 Orbital planes

•Orbit radius 26 562 km

•12 h orbits

•CDMA signals

•Dual frequency encrypted

military precision signals

•Single frequency civil coarse

signals


Positionering

Tid T1

Position P1

Tid T2

Position P2

Tid T3

Position P3Tid T4

Position P4


GPS-systemet

GPS:

30 satelliter i 6 banplan

- Banhöjd 20 200 km- Inklination 55º(banplanets lutning mot ekvatorn)

- Omloppstid 12 h


GPS + Galileo – ett supersystem

Galileo:

30 satelliter i 3 banplan

- Banhöjd 23 200 km- Inklination 56º- Omloppstid 12 h

● GALILEO

● GPS


Navigeringsprincip

Satellite

Satellite

SatelliteSV1

SV2

SV3

R1

R2

R3

Rx

• 30 satelliter

• Cirkulära banor, som

mäts noggrant från marken

• Precisionsklockor ombord

(stabilitet 1 s/1 000 000 år !)

• Varje SV sänder en unik kodad

signal, som ger avståndet till SV

•Varje SV sänder också ett meddelande

med dess banparametrar och tids-

korrektion

• Mottagaren jämför signalerna

(avstånden) och räknar ut position, tid

och hastighet.


GPS positionsfel

Satellite SatelliteSatellite

Tät stadsbebyggelse

Satellite

Satellite

Nära bergssida


GPS positionsfel

Tät stadsmiljö(5 tim)

Bergssida(3 tim)

Positionsfel [m]

Nord-syd

Öst-väst


Mer GPS positionsfel

Signalerna fördröjs olika mycket i atmosfären och jonosfären.•Atmosfären kompenseras med modeller•Jonosfären kompenseras med mätning på 2 frekvenser eller korrektioner via EGNOS

Atmosfär


GPS Sensorstation i Kiruna


Integritet (Galileo)

Övervakningsstation(Ca 40 runt jorden)

Sätt varningsflagga!

Upplänk

Varning!

inom 6 s

Kontrollcentral

En satellit sänder felaktiga signaler.


Differentiell positionering

Tid T1

Position P1

Tid T2

Position P2

Tid T3

Position P3Tid T4

Position P4

Korrektioner


Maskinstyrning


AIS – Automatic Identification System:

Fartyg kommunicerar sin: identitet, position, kurs, fart, last, destination mm till trafikledning och andra fartyg


Code Correlation

The code sequence in the receiver is time delayed until the codes match. The time delay gives the code phase and hence the range to the GPS SV.

GPS C/A

RX C/A

The autocorrelation functionP = PunctualE = EarlyL = Late

E

P

L

Code phase delay

Code phase adjusted to match GPS signal


Principen för GNSS Radio-occultationer

t1 t2

t3

GPS

● Mäter på GPS-signaler

● Räknar ut strålens krökning α och brytningsindex μ

● Detta ger luftens tryck och temperatur beroende på höjden

● Fördelar:- Temperaturnoggrannhet 1K- Upplösning i höjd 1 km- Mätning över hela jorden- Mätning genom moln, - Natt&dag

● Värdefullt förvädermodeller(motsvarar väderballonger)samt klimatforskning


Ljusets brytning i ett prisma

Glaseller

Atmosfär

Ljuseller

Radiovågor

Hastighet = c

Hastighet < c

eller radiovågors brytning i atmosfären


180 oW 120 oW 60 oW 0 o 60 oE 120 oE 180 oW 90 oS

60 oS

30 oS

0 o

30 oN

60 oN

90 oN

Distribution of 600 daily GPS occultations


MetOp Satellite

•ESA – EUMETSAT

•Launch: 2006-10-19

•Low Earth Orbiting (800 km)

•Global coverage

•Measures:

–Temperature

–Humidity

–Cloud altitude

–Wind (direction and speed)

–Surface pressure

–Ozone


GRAS Instrument Overview

VelocityAntenna(Shaped beam)

Anti-VelocityAntenna(Shaped beam)

ZenithAntenna

GEU

ElectronicUnit

L1

L2

LO

IF

RF Conditioning Unit

Rising occultationsSetting occultations

Navigation/PODOverhead TEC

Flight Direction


• Antenna pattern shaped to earth rim

• Coverage ±55° in azimuth (captures all high quality occultations)

• High antenna gain 10 - 12 dBi over the full coverage

• Suppressed interference and noise

Velocity

Anti−Velocity

Occultation Antennas



METOP GRAS Antennas


Bending Angle to Refractivity

LEOTo GPS

Onion model:In a symmetric atmosphere, the

bending angle profile can be

transformed into a refractivity

profile by means of the Abel

transform:

( ) ξξ

ξαπ

μ dr

)(r

r∫∞

−=

22

1)(ln

(Projection of the ray path on the

radius)


Från brytningsindex till temperatur

Dominerande term in refraktiviteten:

T

PkN d

1=m

TRP

ρ=

Allmänna gaslagen:

+

∫∞

+

=hRE

drrgrhP )()()( ρ)()()(

hR

hPmhT

ρ=

Hydrostatisk jämvikt:(trycket = vikten av luften ovanför)

Allmänna gaslagen:

610)(1)( −⋅+= hNhμRefraktivitet, N, definieras som:

P = tryckρ = densitetT = temperaturR = gaskonstantenm = molaritet


Temperaturprofil beräknad från mätdata

Documents

FysikUniv GPSNav MB 201003 - Göteborgs universitetphysics.gu.se › ~micaeen › FysikVarlden › litteratur › RUAG_SatellitNa… · Ljusets brytning i ett prisma Glas eller Atmosfär