GNSS Globalni navigacioni satelitski sistemivggs.rs/geodetski_odsek/predmeti_ispiti/savremene...L1 i L2 su modulisani signalima proširenogspektra CDMA (Code Division Multiple Access)

1

SAVREMENE GEODETSKE TEHNOLOGIJE

GNSS – Globalni

navigacioni satelitski

sistemi

Savremene geodetske tehnologije - školska 2020/2021.godina

2

Cilj - povezivanje nacionalnih geodetskih mreža u jedinstven

svetski sistem, uz visoku tačnost.

Uslovi - primenjene metode moraju da budu ekonomski

isplative, koje obezbeđuju visoku trodimenzionalnu tačnost

pozicioniranja.

Ekstraterestričke metode merenja (interferometrija velikih

baza) to mogu da zadovolje, ali su skupe i statične.

Postavljene zahteve ispunjavaju Globalni Navigacioni

Satelitski Sistemi (GNSS).

GNSS


3

GNSS omogućava

prijemnicima na Zemlji

da, koristeći signale koje

emituju sateliti, odrede

sopstvenu lokaciju

(geografsku širinu,

dužinu i visinu), sa

tačnošću od nekoliko

desetina metara do

nekoliko milimetara.

GNSS

GNSS (Global Navigation Satellite Systems) sistemi su globalni

navigacioni sistemi koji kao referentne tačke koriste veštačke

Zemljine satelite.


4

GNSS sistemi, tri generacije:

1. Prva generacija – povučeni iz upotrebe, samo 2D, LEO – Low

Earth Orbit (TRANSIT – SAD; 6 satelita na visini 1100km i

TSYKLON – SSSR; dve konstelacije satelita: PARUS – vojni sa 6

satelita na visini od 1000km i TSYKADA – civilni sa 4 satelita na

visini od 1000km),

2. Druga generacija – trenutno se koriste i unapređuju, pozicioniranje

na osnovu izmerenog vremena propagacije signala, 3D pozicioniranje

i izračunavanje brzine prijemnika i trenutnog vremena (PVT –

Position Velocity Time) (GPS, GLONASS, GALILEO i COMPASS),

3. Treća generacija – trenutno ne postoje, pozicioniranje identičano

kao i kod sistema druge generacija, proširenje funkcionalnosti na

prenos podataka i u smeru od prijemnika ka satelitu i, preko njega, ka

Zemaljskom segmentu.

GNSS


5

GNSS

Otkrićem „Doplerovog efekta” (fazna promena signala usled

kretanja izvora emitovanja) došlo je do novog pomaka u

primeni satelita.

Ako se registruje tačno vreme i poznaje tačan položaj

satelita u orbiti (efemeride), može se odrediti položaj

prijemnika u bilo kom delu sveta.


6

Globalni navigacioni satelitski sistemi:

➢ GPS – Globalni sistem za pozicioniranje

- njime upravlja: Ministarstvo odbrane SAD

- vojni sistem za navigaciju, otvoren i za civilnu upotrebu

- referentni okvir: WGS84, UTC (USNO-državna opservatorija US)

➢ GLONASS: Globalni navigacioni satelitski sistem

- ruska verzija GPS-a

- vojni sistem za navigaciju, otvoren i za civilnu upotrebu

- referentni okvir: PZ-90.02, UTC (SU-državna opservatorija)

➢ Galileo

- njime će upravljati komercijalne kompanije

- prvi civilni navigacioni sistem

- referentni okvir: GTRF, UTC (GST)

➢ Drugi GNSS

- u fazi razvoja/planiranja

npr. Kina (Compass/Beidou)

GNSS


Segmenti sistema:

1. Zemaljski kontrolni segment

2. Kosmički segment

3. Korisnički segment

7

GNSS sistemi druge generacije


8

GPS

Globalni sistem pozicioniranja je prostorno orijentisani navigacioni sistem

namenjen za određivanje trenutnih položaja, brzine i vremena pokretnih

objekata u jedinstvenom referentnom sistemu, na kopnu ili vazduhu.

NAVSTAR (Navigation Satellite Time and Ranging) - GPS je trenutno

jedini potpuno operativni globalni navigacioni satelitski sistem.

➢ Razvoj od 70-ih godina prošlog veka do 1995.g. - Ministarstvo

odbrane SAD.

➢ Formiran od konstelacije 24 satelita i njihovih zemaljskih stanica.

➢ Određivanje pozicije sa tačnošću od 1m.

➢ Primenom naprednih tehnika pozicioniranja moguće je ostvariti

preciznost ispod 1cm.

➢ Pozicija tačke se određuje metodom trilateracije.


9

24 satelita dovoljno, ali uvek veći broj

aktivnih satelita, najčešće 28 do 30.

Servisi koje GPS sistem pruža korisnicima

su:

1. SPS – Servis za standardno pozicioniranje

(Standard Positioning Service),

2. PPS – Servis za precizno pozicioniranje

(Precise Positioning Service).

Na slici: Proširena konstelacija od 24 satelita – „Expandable 24“ (na snazi od

juna 2011.g.) – 3 dodatna satelita, 6 satelita je repozicionirano.

Rezultat - sistem od 27 satelita i bolja pokrivenost signala u većini delova sveta –

sve u skladu sa SPS standardima.

GPS – kosmički segment

Sateliti u 6 orbitalnih ravni sa minimalno 4 satelita, visina oko 20.200km (MEO –

Medium Earth Orbit) (neravnomerno raspoređena, tako da pokrivenost severnih

područija bude bolja) pod uglom od 55° u odnosu na ekvatorijalnu ravan.


10

Izgled orbita koje GPS sateliti opišu u toku 24 sata



11

GPS konstelacija – kombinacija starih i

novih satelita:

- trenutno operativno 31 satelit tipa

Block II (starija generacija) sa C/A

kodom na L1 frekvenciji

- svi lansirani u periodu od 1997-2016. g.

- životni vek od 7.5 do 12 godina

Trenutno u proizvodnji: GPS III tip

satelita:

- životni vek 15 godina

- lansiranje planirano posle 2018.g.



12

Zemaljski kontrolni segment: 1 glavna kontrolna stanica (MCS –

Master Control Station), 1 alternativna kontrolna stanica, 11

komandnih i kontrolnih antena i 16 stanica za praćenje.

GPS – kontrolni segment


13


• Obezbeđuje komandovanje i kontrolu GPS konstelacije.

• Na osnovu podataka sa stanica za praćenje računa tačan položaj satelita.

• Generiše navigacione poruke ka satelitima.

• Prati emitovanje satelitskih signala i integritet sistema u cilju očuvanja tačnosti

konstelacije.

• Služi za održavanje satelita, rezolucije anomalija i repozicioniranje satelita u cilju

postizanja optimalne konstelacije.

• Posebni sistemi za operativne i ne-operativne satelite.

• Back-up preko alternativne glavne stanice.

Glavna kontrolna stanica


14


Stanice za praćenje • Prate prolaz GPS satelita.

• Sakupljaju signale za navigaciju, range/carrier merenja i

atmosferske podatke.

• Prikupljene podatke šalju glavnoj kontrolnoj stanici.

• Koriste sofisticirane GPS prijemnike.

• Obezbeđuju globalnu pokrivenost signalom preko 16

lokacija.

Zemaljske antene

• Šalju podatke sa kontrolne stanice ka satelitima i

primaju podatke sa satelita.

• Čine ih 4 GPS prijemnika i 7 stanica za daljinsko

praćenje.


15

GPS – primena

Ovde je nabrojano samo nekoliko najčešćih primera primene GPS-a.

Nove mogućnosti primene ovog sistema se otkrivaju svaki dan i u

funkciji su razvoja novih savremenih tehnologija.

➢ Precizna poljoprivreda

➢ Avijacija

➢ GIS (zaštita životne sredine, šumarstvo, botanika, okeanografija...)

➢ Pomorstvo

➢ Predviđanje prirodnih katastrofa (klizišta)

➢ Javna infrastruktura (putevi, železnice...)

➢ Geodezija

➢ Određivanje tačnog vremena (mreže mobilne telefonije, banke,

elektrodistribucija)


16

Signali koje emituju GPS sateliti:

L1 – primarna noseća frekvencija i L2 – sekundarna noseća frekvencija.

L1 i L2 su modulisani signalima proširenog spektra CDMA (Code Division

Multiple Access) modulacija - tehnika izdvajanja signala sa kodnom

raspodelom.

Kodovi C/A (Coarse/Acquisition) P (Precise).

Od 1. februara 1994. godine P kod je moguće šifrovati i tada se on naziva Y

kod – antispoofing (AS).

Unutar koda se nalazi (utisnuta) navigaciona poruka.

L1 nosi C/A i P(Y) kod, a L2 samo P(Y) kod, te da se za realizaciju SPS

servisa koristi samo L1, a PPS servisa i L1 i L2 signal.

SAD su ostavile mogućnost da dodatno snize preciznost SPS servisa

namernim unošenjem smetnji u podacima o efemeridama i pomeraju

satelitskog sata – selektivna dostupnost (SA – Selective Availability).

GPS – originalni dizajn


17

Ukidanje selektivne dostupnosti 1. maja 2000. godine.

Od 2005. godine dodat je C/A kod i na L2 signal i oba signala su dobila

novi vojni M (Millitary) kod.

M kod se koristi za implementaciju novog koncepta selektivne zabrane

(SD – Selective Denial) – ovaj koncept omogućava zabranu korišćenja

svih GPS signala osim M koda.

Uvedeni su novi signali:

- drugi signal za civilnu upotrebu L2C (koristi frekvenciju 1227 MHz;

kod dvofrekventnih prijemnika u kombinaciji sa L1 C/A signalom

omogućava dobijanje jonosferskih korekcija, čime se tačnost

pozicioniranja izjednačava sa tačnošću pozicioniranja pomoću signala

za vojnu upotrebu; emituje se jačom efektivnom snagom, pa je

omogućen prijem GPS signala pod krošnjama drveća, pa čak i u

zatvorenom prostoru),

GPS – modifikovani dizajn


18

- treći signal za civilnu upotrebu L5, poznat kao „SoL“ – Safety-of-Life

(koristi frekvenciju 1176 MHz; koristi veći radio opseg, ima veću snagu

emisije i unapređen dizajn; bio je namenjen prvenstveno za primenu od

strane avio sigurnosnih servisa, međutim, primena se proširila i na

druge sfere saobraćaja kao što su železnički, vodeni, kopneni; u

kombinaciji sa L1 C/A i L2C signalima čini robustni servis za civilnu

upotrebu; tehnikom koja se naziva trilaning primenom ova tri signala

obezbeđuje se tačnost navigacije manja od 1m bez augmentacije i

tačnost dalekodometne navigacije sa augmentacijom),

- četvrti signal za civilnu upotrebu L1C (emituje se na frekvenciji 1575

MHz, tj. na istoj frekvenciji kao i L1 C/A signal; ima modulacionu

šemu koja omogućava međunarodnu saradnju, dok su u isto vreme

zaštićeni nacionalni interesi SAD-a; razvijen je od strane SAD-a i

Evrope kao zajednički signal za GPS i Galileo. Japanski Quasi-Zenith

satelitski sistem i kineski BeiDou su takođe usvojili emitovanje L1C

tipova signala. Prvi GPS satelit koji emituje L1C signal lansiran je u

decembru 2018. godine).

GPS – modifikovani dizajn


19

GLONASS (ГЛОНАСС – ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая

Система).

Sistem je razvijan od 1979. do 1995. godine.

Zemaljski kontrolni segment sistema se sastoji od 1 kontrolnog centra i 5

stanica za praćenje.

24 satelita na visini oko 19.100km, u 3 orbitalne ravni (sateliti su

ravnomerno raspoređeni) koje se nalaze razmaknute za 120° po

geografskoj dužini, 15° po geografskoj širini i nagnute za 64,8° u odnosu

na ekvatorijalnu ravan.

Servisi koje GLONASS sistem pruža korisnicima su:

1. SPS (Standard Precision Service),

2. HPS (High Precision Service).

GLONASS


20

GLONASS – originalni dizajn

• Signali L1 i L2. FDMA (Frequency Division Multiple

Access) modulacija.

• Kodovi C/A (Coarse/Acquisition) P (Precise).

• Unutar koda se nalazi (utisnuta) navigaciona poruka.

• L1 nosi C/A i P kod, a L2 samo P kod, te se za realizaciju

SPS servisa koristi samo L1, a HPS servisa i L1 i L2 signal.


21

GLONASS – modifikovani dizajn

Veoma brzo po početku rada GLONASS zapada u probleme uzrokovane

teškim finansijskim stanjem u zemlji.

Dodatni problem je vreme života satelita od 3 godine, u odnosu na GPS

satelite koji su projektovani na 7.5, a funkcionisali do 10 godina.

Od decembra 2003. godine lansiraju novi tip satelita koga karakteriše

povećan životni vek (oko 7 godina) i emituje C/A kod uključen u L2

signal – što čini GLONASS prvim dvofrekventnim GNSS sistemom za

civilnu upotrebu.

Od 2005. godine se smanjuje broj mogućih pomeraja frekvencija i

definišu im se nove granice.

Predviđeno proširenje skupa signala sa još jednim, nazvanim L3, i

mogućnost prelaska na CDMA modulaciju.


22

GALILEO

Krajem prošlog veka evropske zemlje dolaze do ideje da razviju sopstveni

GNSS. Ona još nije realizovana u potpunosti.

GALILEO je zamišljen kao prvi GNSS sistem koji nije pod vojnom i

kontrolom samo jedne države.

Zemaljski segment sistema će se sastojati od 2 kontrolne stanice, 5 stanica za

praćenje i prenos podataka do satelita, 9 stanica za prenos navigacionih

podataka do satelita i 30 do 40 stanica za praćenje.

GALILEO konstelacija će se satojati od 30 satelita koji će se nalaziti na visini

od 23.222km u 3 orbitalne ravni (ravnomerno će biti raspoređeno 10 satelita

po ravni, 9 operativnih i 1 rezervni, u slučaju kvara) sa inklinacijom od 56°.

Servisi koje će GALILEO sistem moći da pruža korisnicima su:

1. OS (Open Service-servis sa slobodnim pristupom),

2. SoL (Safety of Life-predikcija prirodnih katastrofa),

3. CS (Commercial Service-servis za komercijalnu upotrebu),

4. PRS (Public Regulated Service-javno regulisan servis),

5. SAR (Search and Rescue-servis za potragu i spasavanje).


23

GALILEO - dizajn

Signali: E2-L1-E1 (u istom opsegu kao i GPS L1), E6, E5b i

E5a (u istom opsegu kao i GPS L5).

Kombinacijom kodova sa osnovnim signalima (CDMA

modulacija) dobiće se 11 različitih signala.

Korišćenje signala - 6 će se koristiti za OS i SoL, 2 samo za

CS, 2 samo za PRS i 1 isključivo za SAR servis.

Implementacija GALILEO sistema je druga faza (GNSS-2)

projekta koji je u svojoj prvoj (GNSS-1) fazi imao za cilj da

implementira EGNOS – European Geostationary Navigation

Overlay Service).


24

GALILEO – plan implementacije


25

GALILEO – arhitektura


26

COMPASS

▪ COMPASS je GNSS u fazi projektovanja, razvija ga Narodna

Republika Kina.

▪ Predstavlja drugu fazu projekta koji se naziva Beidou. Beidou-1

(Beidou faza 1) je navigacioni satelitski sistem za

dvodimenzionalno pozicioniranje iznad područija Kine.

▪ COMPASS svemirski segment će se sastojati od 35 satelita, 5 u

geostacionarnim orbitama (GEO – Geostationary Orbit) i 30

satelita u srednjoj Zemljinoj orbiti na visini oko 21.500km (MEO

orbita) raspoređenih u 3 orbitalne ravni sa inklinacijom 55°.

▪ Servisi koje će COMPASS sistem moći da pruža korisnicima su:

1. OS – Servis sa slobodnim pristupom (Open Service),

2. AS – Autorizovani servis (Authorized Service).


Documents

GNSS Globalni navigacioni satelitski sistemivggs.rs/geodetski_odsek/predmeti_ispiti/savremene...L1 i L2 su modulisani signalima proširenogspektra CDMA (Code Division Multiple Access)