GNSS Global Navigation Satellite Systemsfgg-web.fgg.uni-lj.si/~/mkuhar/Pouk/DetIzmera/gradivo/3-Det_Izmera… · GPS QZSS GALILEO COMPASS IRNSS GLONASS Želja: popolnainteroperabilnost

M.Kuhar : Detajlna izmera – 1. del (GiG)M.Kuhar : Detajlna izmera – 1. del (GiG) 1

GNSS "Global Navigation Satellite Systems"

GPS

QZSS

GALILEOCOMPASS

IRNSS

GLONASS

Želja: popolna interoperabilnost različnih navigacijskih sistemov. Navigacija s pomočjo različnih signalov z enim sprejemnikom(brez dodatnih stroškov in kompleksnega rokovanja).


GNSS danes

m Trenutno delujoča sistema GPS in GLONASS.

m Princip satelitske navigacije:

r - geocentrični krajevni vektor satelita S,

R - geocentrični krajevni vektor opazovališča P,

– topocentrični vektor satelita S (opazovana razdalja).

m r znano (efemeride satelitov), merjeno, R neznano (izračunamo).

m Za enolično rešitev potrebujemo opazovanja do saj 4 satelitov.

P

O

S

R

r

( ) ( ) ( )t t t r R

M.Kuhar : Detajlna izmera – 1. del (GiG)

Princip satelitske navigacije (1)

sprejemnik je nekje na tej krogli


Princip satelitske navigacije (2)

signal z dveh satelitov


Satelitska navigacija - princip trilateracije

signal s treh satelitov (2D položaj)


Princip trilateracije (2)

eno presečišče je vedno na Zemlji


3D določitev položaja

Razdalje določamo na osnovi izmerjenega časa potovanja signala.Četrti satelit potrebujemo za popravek ure sprejemnika.


GLOBAL POSITIONING SYSTEM (GPS)

m Satelitski navigacijski sistem, ki ga je razvilo ameriško Ministrstvo za obrambo (DoD).

m Razvoj treh različnih obrambnih navigacijskih sistemov združen v enega leta 1973: NAVSTAR GPS.

m Leta 1983, po sestrelitvi korejskega letala nad Sovjetsko zvezo, predsednik R. Reagan ukazal odprtje sistema tudi za civilno rabo.


GPS – kratka zgodovina (1)

m Začetek leta 1973 – raziskave in razvoj.

m Leta 1978 – v Zemljino orbito poslani prvi 4 sateliti, skupaj enajst prototipov do leta 1985 (t.i. generacija Block I satelitov):

m BLOCK I SATELLITESSVN PRN DATE COMMAND----------------------*01 04 22 FEB 78 10684*02 07 13 MAY 78 10893*03 06 06 OCT 78 11054*04 08 10 DEC 78 11141*05 05 09 FEB 80 11690*06 09 26 APR 80 11783*07 NONE*08 11 14 JUL 83 14189*09 13 13 JUN 84 15039*10 12 08 SEP 84 15271*11 03 09 OCT 85 16129


GPS – kratka zgodovina (2)

m Sateliti druge generacije Block II so bili utirjeni med letoma 1989 in 1990. Sledili so sateliti Block IIA (1990 – 1997), in Block IIR (1997 -).

m Block II: življenjska doba 7,3 let: vsi imajo na krovu 4 atomske ure (tve cezijeve in dve rubidijeve). Block IIR sateliti imajo tri rubidijeve atomske ure, življenjska doba 7,8 let.

m Bodočnost: 12 satelitov Block IIF in 30 sat. Block III.


GPS BLOCK IIR satelit


GPS III - sateliti tretje generacije


kontrolni segment

vesoljski segment

uporabniški segment

sledilna postaja

oddajneantene

master postaja

Trije segmenti sistema GPS


GPS – vesoljski segment (1)

m Konstelacija – nikoli več satelitov na tirnicah - 30 "zdravih" (Healthy) satelitovm 13 Block IIAm 12 Block IIRm 5 Block IIR-Mm 31 satelitov, SVN 23 ,(lansiran leta 1990)

še vedno deluje.

m Novejši :

m IIR-20M - SVN 49, izstreljen 24. 03. 2009

m IIR-21M – SVN 50, izstreljen 17. 08. 2009

m ...

m Vsak satelit ima oznako SVN (zaporedna

št. satelita) in oznako PRN kode (glede na

uporabljeni segment kode PRN Pseudo-

Random-Noise, ki jo uporablja posamezni

satelit).



m 24 satelitov v šestih ravninah z naklonskim kotom55° glede na ekvator;

m medsebojno razmaknjene 60°;

m v vsaki ravnini 4 sateliti.

m Obhodna doba satelitov 12 zvezdnih ur; dva obhoda med eno rotacijo Zemlje; vsak dan vzide 4 min prej.

m Višina leta približno 20200 km.

m Lastnosti:

m Izdelava : Rockwell International, kasneje Lockheed M&S

m ~ približna teža 1 t (na tirnici),

m 2, 2 m telo, 7 m s sončnimi paneli,

m 7-10 let pričakovana življenjska doba.

M.Kuhar : Detajlna izmera – 1. del (GiG) 16

A CB ED F

80

100

120

160

180

0

20

40

60

GLAN

(deg)

A338

A139

B156

B344

D434

D246

E340

E454

F343

F141

D345

E151

E247

C359

F460

D161

35

27 36

2524

C453

140

B6

30

A252

58 B423

C233

C157

F255

37

A448

32

IIF-1

49

Block IIA residual

Empty Slot

Watch List

Block IIA

Block IIR

Block IIR-MBlock IIR-M (L-5)

B5

B2

26

E650



Trenutno stanje sistema: https://www.navcen.uscg.gov/?Do=constellationStatus

m https://www.gps.gov/systems/gps/space/#orbits


m Razporeditev GPS-satelitov,t.i. "almanah"

m Ažurno stanje:https://www.gpsworld.com/the-almanac/


Planiranje izmere GNSS - višine satelitov


Planiranje izmere GNSS - vidnost satelitov


Planiranje izmere GNSS - graf satelitov na obzorju


Planiranje izmere GNSS - ovire

m Spletne aplikacije za izračun vidnosti satelitov:

m http://resources.ashtech.com/GNSSPlanningMobile/en.html

m http://gnssmissionplanning.com/

M.Kuhar : Detajlna izmera – 1. del (GiG)23

GroundAntenna

Master Control Station (Schriever AFB)

GPS Operational Control Segment (OCS)

Ascension Diego Garcia

Cape CanaveralHawaii

Kwajalein

Schriever AFB Colorado S Korea

Australia

Bahrain

S Africa

England

Argentina

Ecuador

Tahiti

USNO

Alaska

MonitorStation

New Zealan

d

Vandenberg AFB California

NGA Monitor Station

OCS Monitor Station

Ground Antenna Future Monitor Station

Master Control Station

Backup Master Control Station


Sledilne postaje

Pravilne tirnice, popravki satelitovih ur,navigacijsko sporočilo,

almanah

opazuejo efemeridein obnašanje ure

na satelitih

Glavna kontrolnapostaja

Oddajne antene

Kontrolni segment – vzdrževanje sistema

Uporabniški segment - sprejemniki

TI iz leta 1984

Macometer iz začetka 80-tih

Rockwell nahrbtni sprejemnik, leto 1988


GPS-signal

m Struktura signala GPS:

m Modulirano elektromagnetno valovanje: dve nosilni valovanji L1, L2.

m L1 valovanje modulirano s t.i. C/A kodo (Coarse Acquisition), kodo P (Precise) in navigacijskim sporočilom.

m L2 valovanje nosi P-kodo in navigacijsko sporočilo.

P 29,3 m

P 29,3 m

C 293 m L1 nosilno valovanje

f1 = 1575.42 MHz

1 19 cm

L2 nosilno valovanje

f2 = 1227.60 MHz

Modulacija s kodo in navigacijsko sporočilo

C/A koda

(SPS)

P (Y) koda

(PPS)2 24 cm

P (Y) koda

(PPS)


Osnovni tipi opazovanj

m Osnovni tipi opazovanj:

m Kodne psevdo razdalje,

m fazna opazovanja,

m Dopplerjeva opazovanja.

m Psevdo razdalja predstavlja razdaljo med sprejemnikom in satelitom in vključuje tudi pogreške položaja satelita, urinih stanj satelitove in sprejemnikove ure, vplive atmosfere in elektromagnetni šum Uporabljajo se za absolutno določanje položaja (~ m).

m Fazna opazovanja predstavljajo razliko med fazo sprejetega signala in fazo signala, ki ga ustvari sprejemnik uporabljajo se za geodetsko določanje položaja (cm).

m Dopplerjev efekt je posledica relativne spremembe razdalje med sprejemnikom in satelitom in se kaže v spremembi frekvence valovanja.


Ure na krovu satelita in v sprejemniku

m Ura na krovu satelitam 2 Cezijevi in 2 Rubidijevi,m $100,000-$500,000 vsaka.

m Ure v sprejemniku:m Podobne kvarčnim uram.m Vedno obstaja razlika med uro na satelitu in

uro v sprejemniku (t).

m Potrebujemo 4 satelite da določimo x, y, z in t.

Določitev psevdo-razdalje

Sprejet signal v sprejemnikovi uri (vsebuje trenutek oddaje T s)

Modeliran signal v sprejemniku s časom sprejemnikove ure T

GPS-satelitura, čas oddaje T s

Oddan signalznane kode (C/A , ali P koda)

GPS-sprejemnikčas sprejemaTr

P=c(Tr-Ts)

Psevdo-razdalja

antena

• V sprejemniku se generira referenčno valovanje, ki se korelira s sprejetim satelitskim signalom. Signala sta časovno premaknjena.• Časovni zamik, če zanemarimo pogreška satelitove in sprejemnikove ure ter vpliv medija na razširanje signala od satelita do sprejemnika, odgovarja času potovanja signala od satelita do sprejemnika. o Izmerjeni časovni zamik x c je enako "psevdo-razdalja".

GPS signal potuje pribl. 7 ms


Z vklopljenim motenjem signala SA


Brez motenja signala SA


Geodetska natančnost - uporaba faze valovanja

Visoka natančnost = cm (mm) nivo natančnosti

- boljši oscilatorji v sprejemnikih;- uporaba faze nosilnega valovanja za določitev položaja

(baznega vektorja med dvema sprejemnikoma;- dvofrekvenčni sprejemniki;- dobra stabilizacija točk;- obdelava meritev na večih točkah hkrati;- namenski programi za obdelavo opazovanj;- veliko opazovanj.

Nujna določitev števila N.


Vplivi na opazovanja

m Tirnice satelitov (oddane efemeride "broadcast", natančnost do 5 m).

m odpravimo z uporabo preciznih efemerid.

m Pogreški satelitove ure (kontrolni segment skrbi za to), sama nenatančnost ure posameznega satelita vsebovana v navigacijskem sporočilu.

m Pogreški sprejemnikove ure:

m odpravimo z metodo obdelave opazovanj (samo v relativnem načinu).

m Prehod signala skozi ozračje:

m ionosferska refrakcija (uporaba modelov, dvofrekvenčni sprejemniki);

m tropsferska refrakcija (modeli), veča se večanjem zenitne razdalje.

m Večpotje - "multipath": odboj signala od okoliških površin.

m Šum sprejemnika.

m Fazni center antene.

m Geometrija satelitov.


Atmosferski vplivi

o Ionosfera (vpliv na izmerjeno razdaljo od 5 m do 15 m; odprava uporaba dvo-frekvenčnih sprejemnmikov, modeli).

o Troposfera (vpliv 2 – 5 m v zenitu, do 20 - 30 m za 5° višinski kot; odprava z uporabo modelov).


Večpotje ("Multipath")

m Podobno "dvojni" sliki na TV sprejemniku.m Večji vpliv na kodna opazovanja, doseže več 10 m.m Prisotno posebej v zazidanih območjih


Geometrija satelitov DOP (Dilution of Precision)

m Geometrija (razporeditev) satelitov vpliva na natančnost izračunanega položaja satelita. Čeprav imamo lahko tudi do 12 satelitov na obzorju, so intervali ko je geometrija slaba.

m DOP – slabšanje natančnosti. DOP faktor je definiran na osnovi določitve absolutnega položaja točke, na osnovi časa potovanja signala od satelita do sprejemnika.

m Obstaja več vrst različnih DOP faktorjev: GDOP, PDOP, HDOP, VDOP.

m Za geodetsko izmero ne dajejo odgovora o možni natančnosti.


N

S

W E

Idealna geometrija satelitov


Dobra geometrija satelitov


N

S

W E

Slaba geometrija satelitov


Slaba geometrija satelitovs


Primerjava: dobra in slaba geometrija satelitov


Geographic Longitude of Ascending Node

(GLAN)

0

100

120

A CB ED F

60

80

180

140

20

40

160F3 43

26

51

40

54

46

34

35

30

56

44

39

25

38 27

F2

F1

F4

E1

E3

E4

E2

D2

D4

D1

D3

B4

A1 B2

B1

B3

A2

A4

A3

C1

C2

C3

45

47

60

6153C4

NOTE: Chart reflects status of bus & navigation payload only (not NDS

payload status).

FMC

PMC

NMC

Inactive

Maneuver

OPSCAP

3359

52

Block SVNs ( # )IIA 22-40 (14)IIR/IIR-M 41-61 (18)

Current IIR-M’s (48, 52, 53, 55, 57, 58)

58

23

24

41

32

36

57

55

37

48


Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС

m Odločitev o izgradnji sistema leta 1976

m Leta 1982 – izstrelitev prvega satelita.

m Uradno obratovanje sistema leta – 1993

m Resnično dokončan šele leta 1995 zaradi finančnih problemov ruske vlade.

m 2002 - 8 satelitov, 2004 - 11 satelitov, 2011 – 24 satelitov.

m V zadnjih 3 letih 5 krat višja točnost.

m Vesoljski segment dograjen 2010.

m GLONASS program podaljšan do 2020.


Архитектура системы ГЛОНАСС

Arhitektura sistema GLONASS


Vesoljski segment

m 24 satelitov v treh ravninah z naklonskim kotom64,8° glede na ekvator;

m medsebojno razmaknjene 120°;

m v vsaki ravnini 8 satelitov.

m Obhodna doba satelitov 11h 15 m; 8/17 zvezdnega dne, tj. po osmih obratih Zemlje vsak satelit opravi 17 obhodov.

m Višina leta približno 19 100 km.

m GLONASS- signal: vsak satelit oddaja enako kodo C/A ali P na dveh nosilnih valovanjih L1 in L2. Frekvenci sta malo spremenjeni za vsak satelit.

m Tri nosilna valovanja:

m L1 fL1 = 1602 + n×0.5625 MHz (FDMA),

m L2 fL2 = 1246 + n×0.4375 MHz (FDMA),

m L3 fL3 = 1207.14 MHz (CDMA) (od 2011).


m Ažurno stanje:https://www.gpsworld.com/the-almanac/


GALILEO

o Začetek ob koncu 90-ih let 20. stoletja

o Končna odločitev marca 2002

o Prvi eksperimentalni satelit GIOVE-A, izstreljen 28. 12. 2005

o Trenutno aktivni 4 sateliti:

o 2 eksperimentalna,

o 2 praktično uporabna

o Strukturirana uporaba - 5 storitev:

o Open Service (OS) – brezplačen,

o Commercial Service (CS),

o Public Regulated Service (PRS),

o Safety of Life Service (SoL),

o Search And Rescue Service (SAR).

o Civilni sistem:

o specifične regionalne in lokalne potrebe, povezava z lokalno infrastrukturo,

o primeren za praktično vse aplikacije,

o uporabnik ima podatek o kakovosti določitve položaja.


GALILEO

m Koordinatni sistem ITRS.

m Časovni sistem UTC čas.

m Lastnosti:m sistem bo sestavljalo 30 satelitov,

m sateliti razporejeni na 3 ravnine,

m ravnine nagnjene za 56° glede na ekvator,

m višina satelitov 23 222 km,

m skoraj krožna tirnica,

m obhodni čas 14h 07min,

m tri nosilna valovanja (10 signalov):• E1, fE1 = 1575,42 MHz (CDMA),

• E5b, fE5b = 1207,14 MHz (CDMA),

• E5a, fE5a = 1176,45 MHz (CDMA).


Trenutni Galileo sateliti (avgust 2018)

Interoperabilnost GNSS

m Skupaj > 100 satelitov.

m Istočasno ≥ 15 satelitov.

m Uporaba istega sprejemnika za sprejem signala vseh GNSS.

m Povečanje dostopnosti signala v urbanih področjih, pod mostovi.

m Povečanje natančnosti absolutnega položaja v realnem času do 1m.

m Interoperabilnost treh GNSS zagotavlja 95 % dostopnost signala GNSS.

Documents

GNSS Global Navigation Satellite Systemsfgg-web.fgg.uni-lj.si/~/mkuhar/Pouk/DetIzmera/gradivo/3-Det_Izmera… · GPS QZSS GALILEO COMPASS IRNSS GLONASS Želja: popolnainteroperabilnost