SVEUILITE U ZAGREBU

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAUNARSTVA

SEMINAR

Generiranje GPS signala i

njegovo irenje od orbite do ZemljeVedran Ivanui

Voditelj: Branimir Ivi

Zagreb, svibanj, 2015

1

Sadraj

1. Uvod..........................................................................................................................3 ( Definicija GPS sustava i prikaz razvoja)

2. Radijski kanal kod satelitskih sustava

2.1 Slojevi atmosfere i njihova elektromagnetska svojstva.........................................42.2. Utjecaj atmosfere na irenje elektromagnetskog vala...........................................

2.2.1. Propagacija u ionosferi...............................................................................62.2.2 Atmosferska apsorpcija i rasprenje(disperzija).........................................72.2.3 Rasprenje od Zemljine povrine...............................................................9

2.3 Relativistiki efekti..................................................................................................10

3. Mehanizam rada GPS sustava

3.1. Karakteristike GPS signala i modulacijski postupci............................................113.2. Odailjake i prijemne antene kod GPS sustava...............................................143.3. Princip lokalizacije korisnika upotrebom............................................................15

4. Tipine primjene GPS sustava

4.1. Sustavi navigacije u vozilima.............................................................................164.2. Vojne primjene...................................................................................................174.3. Individualne primjene.........................................................................................184.4. Perspektive razvoja GPS sustava......................................................................19

5. Zakljuak..................................................................................................................20

2

1. Uvod - Definicija GPS sustava i prikaz razvoja.

Roenje sustava globalnog pozicioniranja imalo je podlogu u koncepcijski slinim ureajima prve polovice 20. stoljea. Kao primjer mogu se navesti navigacijski sustavi temeljeni na radiovalovima i pozicioniranim na zemlji, npr. LORAN i DECCA, razvijeni 1940-ih od strane Britanske mornarice. Prvi projekt sustav ija baza nije bila na zemlji, ve u orbiti nastali su kao projekt fiziara Friedwardta Winterberga 1956. Ideja eksperimenta bila je izmjeriti utjecaje relativistikih efekata na dilataciju vremena u snanom gravitacijskom polju. Ova ideja brzo je nala plodno tlo za vrijeme hladnog rata i utrke izmeu dvije svjetske sile u naoruavanju i poveavanju preciznosti istog oruja. Lansiranje Sputnika 1957. navelo je dvojicu amerikih znanstvenika: William Guier-a i George Weiffenbach-a na ideju o mogunosti praenja istog satelita u njegovoj orbiti. Otkrili su da je to mogue pomou Dopplerovog efekta, a to je za sobom povuklo razmiljanje o obratnom procesu: Da li je mogue pomou sustava baziranog u orbiti Zemlje odrediti poloaj objekta na Zemlji?Prvi uspjeni satelitski navigacijski sustav lansirale su Sjedinjene Amerike drave 1967. pod nazivom Transit (ili NAVSAT). Sastojao se od samo pet satelita i mogao jeodreivati poloaj otprilike svakih sat vremena. Njegov nasljednik bio je sustav MOSAIC (Mobile system for accurate ICBM control), takoer razvijen u vojne svrhe kako bi omoguio podmornicama tono odreivanje poloaja prije lansiranja raketa. Uslijedila su nova poboljanja sustava i preciznosti od kojih je vrijedno spomenuti SECOR(Sequential Collation of Range), DNSS ili NAVSTAR (Defense Navigation Satellite System), NAVSTAR-GPS koji e se kasnije preimenovati jednostavno u "GPS" (Global Positioning System). Vaan dogaaj u omoguavanju iroke upotrebe GPS sustava bila je direktiva tadanjeg predsjednika SAD-a Ronalda Reagana za omoguavanje uporabe GPS-a u civilne svrhe. Naime, prije toga GPS sustavi su bili namjerno "oteeni". Selektivna dostupnost onemoguavala je odreivanje poloaja s grekom manjom od 100 metara. Takvim potezom pokualo se sprijeiti uporaba istog sustava za automatsko navoenje projektila. Isto svojstvo takvih sustava uklonjeno je 1996. porastom javne uporabe GPS-a. Vano je takoer spomenuti da se sustav globalnog pozicioniranja do danas smatra nacionalnim resursom SAD-a, a pod upravom je Odjela za obranu, dok je IGEB(Interagency GPS Executive Board) zaduen za poliku sferu GPS sustava. U ovom seminaru prikazati e se principi i aspekti rada GPS satelita. Poglavlje 2 zasnivat e se na objanjavanju atmosferskih utjecaja na propagaciju GPS signala. Upoglavlju 3 bit e objanjeni osnovni naini modulacije signala te mehanizam rada. Poglavlje 4 daje uvid u neke od podruja gdje se danas primjenjuje GPS, s osvrtom na budue primjene.

3

2. Radijski kanal kod satelitskih sustava

2.1 Slojevi atmosfere i njihova elektromagnetska svojstva.Nekonzistentnost odreenih slojeva atmosfere moe dovesti do znaajnih pogreakazbog razliite brzine elektromagnetskog vala u razliitim dijelovima atmosfere. Maksimalna pogreka dogodit e se kada je kut koji zatvara linija satelita s prijemnikom najmanji, odnosno kad elektromagnetski val prolazi kroz najdeblji sloj atmosfere. Kako bi mogli odrediti utjecaj pojedinih slojeva atmosfera na elekromagnetske valove, pogledajmo naprije koji su to slojevi i koja su njihova svojstva. Atmosferu ini mjeavina plinova: duik(78%), kisik(21%), argon (0.93%), ugljikov dioksid(0.04%) te nekih drugih plinova koji zajedno ine masu od 5.151018 kg. Atmosfera se protee kroz 5 slojeva od povrine Zemlje (0 m) do Karmanove linije (100 km) koja se obino uzima kao granica izmeu orbite i atmosfere. Iznad toga prostiru se termosfera i egzosfera, u kojima je zbog slabih gravitacijskih sila tlak plinova veoma mali. Atmosfera se sastoji od sljedeih slojeva: ( vidi Sliku 1.1 )

Egzosfera (700-10 000 km) najudaljeniji sloj, sastoji se poglavito od plinova helija, vodika i duika. Na ovoj udaljenosti sile meu atomima plina veoma su slabe. U ovom sloju takoer je i najvea gustoa satelita koji krue oko zemlje.

Termosfera (80-700 km) - drugi najvii sloj, nalazi se izmeu Mezopauze(80 km) i Termopauze(500-1000 km). Nii dijelovi ovog sloja (80-500 km) naziva se ionosfera. Ionosfera i njeni efekti pokazat e nam se veoma zanimljivim.

Ionosfera(80-500 km)- Ionosfera nije atmosferski sloj nego se smatra dijelom termosfere na udaljenosti 80-500 km. Sastoji se od estica plina ioniziranog sunevim zraenjem. Ovaj sloj, osim to oteava prolazak signala iz orbite prema zemlji, omoguava radijsku komunikaciju na velike daljine odbijanjem radijskih valova od nekih njenih dijelova. Temperatura raste porastom visine. Kanjenje gps signala u ovom sloju funkcija je frekvencije signala, stoga predvidiva.

Mezosfera(50-80 km) Sloj izmeu stratosfere i termosfere. Temperatura pada s porastom visine i moe se spustiti i do -85o C. Sadri tragove vodene par koja uzrokuje apsorpciju valnih duljina veih od 700nm.

Stratosfera(12-50 km) Ovaj dio atmosfere karakteriziran je visokom prisutnou plina Ozona. Tu se kao i u Ionosferi dogaa temperaturna inverzija, gdje temperatura raste s porastom visine.

Troposfera(0-12 km) Najgui i najblii sloj povrini Zemlje. Sadri najvii udio vodene par od svih ostalih slojeva. Kanjene gps signala kroz ovaj sloj je funkcija temperature, tlaka i relativne vlanosti. Svaki od gore navedenih slojeva utjee na zraenja odreenih valnih duljina. Tako npr. Ionosfera apsorbira svo zraenje ija je valna duljina manja od 300 nm. Na taj nain odreeni dijelovi atmosfere proputaju samo odreena zraenja. Suprotno od apsorpcije, emisija je irenje elektromagnetskog vala

4

od nekog tijela. Na slici s sljedee stranice moemo opaziti koje se valne duljine najvie apsorbiraju: To je kratkovalno zraenje ispod dijela spektra vidljivog zraenja (ispod 400 nm), poglavito gamma, x-ray i uv zraenje. Veina infracrvenog zraenja blokirana je zbog utjecaja mjeavine vode, ugljikovog dioksida i neistoa te ostalih estica u atmosferi. Voda ima veliki toplinski kapacitet pa dijeluje kao apsorbens (zadrava toplinu).

Slika 1: Atmosferska transparentnost za odreene valne duljine, gdje 100% znai potpuno blokirane valne duljine(ne prolaze atmosferu), a 0% znai da svo zraenje dolazi do Zemlje.

Slika 1.1: Grafiki prikaz atmosferskih slojeva. Na osi ordinati je visina.

5

2.2 Utjecaj atmosfere na irenje magnetskog vala2.2.1 Propagacija u ionosferiIonosfera, kao to je objanjeno u prolom poglavlju je Zemljin sloj koji poinje na 80 km i iri se kroz dio termosfere do visine od 500 km. Regija na visini izmeu 250-400km poznata je pod nazivom F-regija ionosfere. To je takoer sloj koji najvie utjee na elektromagnetsku propagaciju GPS(GNSS) signala od atmosfere do Zemlje, jer sadri najveu koliinu slobodnih elektrona.Naime, ionizirani visoko energetskim ultraljubiastim (UV) zraenjem sa Sunca, molekulama plina bivaju izbijani elektroni. Takvo okruenje utjee na prolazak GPS signala i uzrokuje efekte poznate pod nazivom Ionosferska scintilacija (eng, Ionospheric scintillation). Ova pojava uzrokovana je pak, razliitom gustoom elektrona kroz ploni vertikalni presjek dijela putanje signala ( total electron count "TEC". TEC se definira kao broj slobodnih elektrona u kubinom metru). Kada su takve nakupine elektrona razliite gustoe uzbuene prolaskom radio signala sa GPS satelita moe doi do rasprenja (ili scatteringa), tj. gubitkom dijela signala. Raspreni signali prolaze razliitim putevima koji imaju razliite gustoe elektrona i zbog toga takve iregularnosti takoer uzrokuju i promjene (fluktuacije) u amplitudi i fazi signala. Ovi efekti su najizraeniji na magnetskim ekvitorijalnim geografskim irinama (15o S i 15o J). Osim navedenog, ionosferska scintilacija funkcija je i frekvencije, geografske lokacije,lokalnog vremena, te magnetskih aktivnosti. to je nia frekvencija rada gps signala to e biti vea amplituda scintilacije. Kao to je ve reeno, magnetsko polje Zemlje utjee na raspodijelu elektrona u ionosferi, a ta je raspodjela najizraenija na magnetskom ekvatoru, pojasu u kojem su magnetske silnice paralelne sa Zemljinom osi rotacije, odnosno podruju sa magnetskom inklinacijom od 0o. Magnetska ekvitorijalna ravnina, za razliku od geografske, nije konstantna i mijenja geografsku irinu kao funkciju visine, ali i obrnuto. Posljedice raznih solarnih aktivnosti mogu se manifestirati kao ionosferske scintilacije. Poglavito, na podrujimavelike geografske visine, blizu magnetskih polova scintilacijaje utjecana geomagnetskom aktivnou. Tu se javlja Aurora Borealis i lokalizirane pojave poveane ionizacije pod nazivom polarne zakrpe. (eng, "Polar patches"). Sputanjem u srednje geografske visine, dolazi do pojave ionosferskih oluja, kada seionizirajui efekti aurore sputaju prema ekvatorijalnoj ravnini. U svim sluajevima i geografskim irinama, scintilacija je proporcijalna sunevoj aktivnosti. Dakle poveana suneva aktivnost, vee zraenje uzrokuje razliitu ionizaciju i raspodjelu iona u atmosferi to se naposljetku manifestira kao efekti: promjena amplitude, faze i smjera irenje radio signala sa satelita ije zajedniko dijelovanje nazivamo ionosferska scintilacija.

6

Slika 2: Opadanje GPS signala tipa L1 i L2, Izmjereno na otoku Ascension (16.3.2002)

2.2.2 Atmosferska apsorpcijai rasprenje (disperzija)

Plinovi u zemljinoj atmosferi apsorbiraju elektromagnetsko zraenje u takvoj mjeri, daveina valnih duljina elektromagnetskog zraenja ne dospije do Zemlje ( kao to je prikazano na Slika 1). Primjeri zraenja koja ipak uspiju doi do Zemlje su vidljiva svijetlost, veina radiovalova i jedan dio infracrvenog spektra, koji prolazi kroz tzv. Atmosferske prozore ( prevedeno, eng. "Atmospheric windows"). Ukupna energija radijacije koja ulazi u atmosferu moe se opisati jednadbom. Ona mora biti jednaka zbroju reflektirane, refraktirane i apsorbirane energije.

U atmosferi elektromagnetsko zraenje (u daljnjem tekstu, skraeno EMR) primarno je apsorbirano vodom, ugljikovim dioksidom, kisikom, ozonom i raznim esticama (praina, pijesak, aerosoli i vulkanski pepeo). Apsorbirana energija u veini sluajevase pretvara u toplinsku energiju ili unutarnju energiju molekule koja je apsorbirala zraenje.

7

i =++

Molekule koje apsorbiraju zraenje iz svemira takoer postaju novi izvori emisije zraenja koje zajedno sa GPS signalom dolazi do prijemnika.

Slika 3: Apsorpcija frekvencijskog podruja 4-6 GHz u ovisnosti o elevaciji satelita (kutu u odnosu na prijemnik) i uvjetima u atmosferi.Glavne izvore zraenje u obliku uma koji interferira s GPS signalom moemo podijeliti na: 1.) Pozadinsko zraenje ( ostatak zraenja Velikog Praska, 3 K)2.) Zraenje od Sunca ( 80,000 K )3.) Apsorbirano zraenje iz atmosfere ( 2-90 K) ovisi o parametrima poput

temperature i vlanosti. 4.) Objekti u blizi prijemnika takoer emitiraju zraenje (290 K)Rasprenje (scattering) je generalno pojava u fizici kod koje neka vrsta vala ili esticemijenja svoj smjer irenja zbog sudara s drugom esticom. ( primjerice to mogu biti dva pozitivno ili negativno nabijena iona, elektroni raspreni od molekula plina u neonskim svjetiljkama, sudari estica u akceleratoru ili rasprenje molekula u Zemljinoj atmosferi). Ovo ukljuuje i rasprenje koje se podvrgava zakonu refleksije. Generalno, rasprenje se moe podijeliti na jednostruko i viestruko. Jednostruko rasprenje ima jedan centar rasprenja (primjerice elektron koji se sudara s drugom esticom). Karakteristika ovakvog tipa rasprenja je da je rezultantni smjer rasprenja nasumian i moe se aproksimirati samo stohastiki. Kod viestrukog rasprenja postoji vie centara rasprenja ( primjerice svjetlost prolazi kroz gusti sloj magle). Kod ovog tipa rasprenja rezultantni smjer rasprenja moe se uzeti kao smjer u kojem postoji deterministika distribucija intenziteta rasprenja. Nama e biti vano

8

elektromagnetsko rasprenje, posebice kod radiovalova. Primjer elastinog rasprenja (zanemarivi prijenos energije, a s time ouvai su i frekvencija i valna duljina) su Rayleighovo i Mievo rasprenje ( sa eng. Rayleigh, Mie Scattering). Rasprenje ovisno o veliini estice koja uzrokuje rasprenje zraenja moe se opisati jednadbom:

Gdje je Dp promjer estice, a valna duljina zraenja. >1 Rasprenje je geometrijsko. ( promjer estice je puno vei od valne duljine)2.2.3 Refleksija od Zemljine povrineGPS prijemnici su ureaji stacionirani na povrini Zemlje i s toga su podloni razliitim utjecajima njihove okoline. Pod uvjetom da je GPS signal proao atmosferu i doao u neposrednu blizinu zemljine povrine ovdje se mogu dogoditi pogreke zbog prepreka koje se mogu nai na putu GPS signala na samoj povrini Zemlje. Takvi signali imati e prividno due vrijeme propagacije, odnosno prividno e se initikao da su preli veu udaljenost nego ostali signali koji su pratili direktan put od GPS-a do prijemnika. Ova pojava dakle nastaje zbog razliitih puteva koje mogu prijei direktni i reflektirani signal od povrine (eng. Multipath effects), Slika 4. Ovo semoe dogoditi primjerice odbijanjem signala od zgrada, drvea, planina, auta. Openito vrijedi pravilo to su sateliti koji odreuju poloaj raspreniji ( obratno je lokalizirani, centrirani ) to e aproksimacija poloaja biti tonija. Ova pojava varira za GPS signale razliitih tipova, odnosno frekvencija. Ovakve pogreke mogu se smanjiti poboljavanjem kvalitete antene, tj. GPS prijemnika, tako da bolje aproksimiraju poloaj signala koji dolaze s satelita na niskim elevacijama, gdje je najvei put i najvea mogunost obstrukcije te udaljavanjem satelita od ikakvih prepreka i obstrukcija (ako je mogue). Pogreke viestrukih puteva mogu rangirati od nekoliko centimetara, do nekoliko stotina metara, ovisno naravno o tipu signala i uvjetima. Napredak u ovom polju ima smjer ka stvaranju modela koji e omoguiti analizu i predvianje ovakvih pogreaka.

Slika 4: Produljenje prividnog vremena zbog refleksije signala.(tzv. model dvije zrake)

9

=D p/

2.3 Relativistiki efektiRelativistiki efekti na GPS signale sastoje se od tri komponente: vremenske dilatacije, posmake u frekvenciji zbog relatvistikih uinaka gravitacije i zbog brzine rotacije relativne u odnosu na prijemnike na zemlji. Zbog toga to se sateliti nalaze u orbiti na udaljenosti od oko 20, 200 km ( dijelu orbite poznatom kao medium Earth orbitt eng.) iznad Zemljine povrine i krue prosjenom brzinom 4 km/s, relativistiki utjecaji su i vie nego znaajni. Pretpostavimo da se GPS sustav sastoji od prijemnika na zemlji i 4 satelita, gdje je su R i Ri radij vektori poloaja prijemnika i i-tog satelita, te T i T i vremena izmjerena na prijemniku i satelitu. Brzina svjetlosti c, uzmimo da je 299 792 458 m/s. Onda se radij vektor poloaja odreenog prijemnika u odnosu na referentnu toku na zemlji moe odrediti rjeavanjem sljedeih jednadbi:

Ove jednadbe su osnova za odreivanje poloaja i vremena GPS satelita. Tono odreivanje poloaja i vremena omogueno je tek uporabom atomskih satova i oslanjanje na generalnu i specijalnu teoriju relativnosti koja predviaju posmake u lokalnim vremenima dvaju razlitih ura, tj sustava koje se gibaju relativno jedna prema drugoj. Budui da se GPS sustavi isljuivo oslanja na implicitno odreivanje udaljenosti pomou vremena koje je potrebno da signal doe od satelita do prijemnika, GPS sateliti u sebi moraju nositi iznimno precizne atomske ure. Svaki satelit minimalno ima dvije cezijeve i rubidijeve atomske ure. Navedimo samo kao primjer pogreku koja bi se dogodila posmakom razlike u vremenu za 4 nanosekunde. Takav posmak bi uzrokovao nesigurnost aproksimacije unutar jednog metra. U realnosti, pogreke se akumuliraju, a zbog utjecaja relativizma one su puno vee (Slika 2.3.1). Specijalna teorija relativnosti predvia dilataciju vremena, odnosno da e satovi koje se kreu brzinom 4 km/s u orbiti Zemlje sporije otkucavati u odnosu na satove stacionarne na Zemlji. Lorenzova transformacija za male v

Slika 2.3.1: Prikaz aproksimiranog poloaja koritenjem korekcije relativistikih efekata (plavo) i aproksimacije bez korekcije (crveno). Na osi ordinati i apscisi su koordinate geografske visine i irine.

3. MEHANIZAM RADA GPS SUSTAVAOperacijski sustav GPS-a moemo podijeliti na tri glavna segmenta na koje e se referencirati u daljnjem tekstu. To su svemirski, kontrolni i korisniki (Slika 3.1).. Svemirski segment ukljuuje kanonsku konstelaciju od 24 funkcionalna satelita. Efektivno, orbitalna "mrea" je podjeljena na 6 ekvidistantnih ploha od kojih je svaka podijeljenja na 4 segmenta koji okupira jedan satelit, tako da omoguuje pokrivenost na svakom djelu Zamlje, u svakom trenutku (Slika 3.2). Kontrolni segment sastoji se od dva kontrolnoa centra, 12 kontrolnih antena i 16 nadzornih lokacija. Cilj kontrolnogsegmenta je upravljanje satelitima i odravanje satelita u orbiti.Korisniki segment sastoji se od korisnika, i GPS opreme te aspekata GPS-a vezanihza javnu i civilnu upotrebu.

11

Slika 3.1: Formalna podjela GPS sustava na 3 segmenta: svemirski, kontrolni i korisniki.

3.1 Karakteristike GPS signala i modulacijski postupciGPS sateliti emitiraju signale do prijemnika na zemlji. Takvi signali obino se nazivajusignali nosai jer sadre informacije potrebne za odreivanje poloaja. Vane stavke koje treba uzeti u obzir prilikom generiranja GPS signala su : metode enkodiranja podataka, jaina signala, alokacija frekvencija, enkripcija. Svi GPS signali izvedeni suod bazne frekvencije Fbaz = 10.23 MHz, odnosno njeni su viekratnici. Ti signali sadre pseudo nasumini kod, tj. podatke koji opisuju putanje satelita i poloaj satelita u odreenom trenutku. Pseudo-nasumini kod je vrlo kompleksan digitalan kod koji sadri informacije o poloaju satelita i atomskim satovima na satelitu. Podatke o putanji satelita prijemnicikoriste kako bi iskljuili one satelite koji nisu unutar vidljivog kuta. Podatci o poloaju satelita govore na kojem dijelu putanje bi se satelit trebao nalaziti tokom dana, ciklus fiksacije poloaja ponavlja se svakih 30 sekundi. Najee se koriste dvije vrste pseudo-nasuminih kodova: C/A(Course Acquisition) modulira L1 nosa signala i osnova je za civilnu upotrebu, P(Precise) modulira i L1 i L2 na frekvenciji od 10MHz, koristi se preteno u vojne svrhe, poto se moe kriptirati. Signal tipa P tee je uhvatiti pa se postupak dobavljanja sastoji prvo od faze dohvaanja signala tipa C/A, a zatim dohvaanja signala tipa P. Najee se koriste dvije primarne frekvencije za prijenos GPS signala. Signal nosa L1 ( f =1575.42 MHz ili Fbaz * 154) koristi se zageneriranje pseudo nasuminih podataka o satelitovoj orbiti, sistemskim informacijama, korekciji vremena te atomskim satovima.Signal nosa tipa L2(1227.60 MHz ili Fbaz * 120) koristi se preteito u vojne svrhe.

12

Svaki satelit sadri svoj jedinstveni pseudo-nasumini kod kojim prenosi informacije. Zbog velike sloenosti modulacije signala pseudo-nasuminim kodom izbjegava se mogunost mjeanja signala s signalom nekog drugog satelita. Takoer nee se dogoditi da prijemnik sluajno primi signal od drugog satelita, upravo zato to signal od svakog satelita ima svoj jedinstveni digitalni potpis.

Slika 3.2: Orbitalna mrea GPS satelita podjeljena je na 6 putanja s 4 segmenta, tj. ukupno 24 satelita.

Naini modulacije Openito, kod bilo kojeg signala, modulacijom se naziva promjena jedne ili vie karakteristika signala, kako bi se prenjeli podaci. Modulacija amplitude(AM ili Amplitude modulation) sastoji se od toga da se kroz vrijeme mijenja amplituda signala nosaa dok se frekvencija dri konstantnom. Obratno, modulacija frekvencije (FM ili Frequency modulation) dobiva se tako da se frekvencija mijenja dok amplitudaostaje konstantna. Modulacije faze(PM ili Phase modulation) sastoji se od toga da sena svaku promjenu faze signala bit informacije komplementira iz 0 u 1 i obratno. Svi navedeni tipovi modulacije predstavljaju temelj za uporabu u GPS sustavima. (Slika 5)

13

Slika 5: Vizualizacija razliitih tipova modulacija u vremenskoj domeni.

3.2 Odailjake i prijemne antene kod GPS sustavaPoto je GPS signal u pravilu veoma slab antene moraju imati mogunost pojaavanja signala. Svi GPS prijemnici koriste antenu preko koje su spojenikabelom. Meu ostalim konana jaina signala ovisi i o otporu kabela s kojim je antena spojena do prijemnika. Tako e sa velikom duinom kabela signal drastino opadati. Moda ovo na prvi pogled ne zvui kao preveliki problem, ali ako uzmemo da GPS sustav radi korekcije na temelju razlike vremena od nekoliko nanosekundi, to moe predstavljati velik problem. Tipina GPS konfiguracija sastoji se od emitera, montiranog na neku povrinu, pojaivaa signala, kabela i prijemnika. Oblici antena mogu varirati od velikih statikih antena koje se koriste u geodetske svrhe te nadzor, do ugradbenih antena koje se koriste npr. u mobilnim ureajima. Openito moemo podijeliti antene na pasivne i aktivne. Tipian sluaj u kojem se koriste pasivne antene je u mobilnim ureajima. U tom sluaju potronja energije iz baterija je kritina, pa antene ne koriste napajanje, to za sobom povlai injenicu da moraju biti kompaktno ugraene sa prijemnikom, zbog nemogunosti pojaavanja signala. Aktivne antene koriste se kad je antena fiziki udaljena od prijemnika. Takve antene koriste pojaiva signala kako bi se izbjegli gubitci zbog koaksijalnog kabela.

14

3.3 Princip lokalizacije signalaGPS sustav sastoji se od vie satelita koji na temelju podataka izmjerenih na svim satelitima raunaju poloaj. Svaki satelit "unutar" signala nosaa sadri skrivene informacije. Poglavito, to su informacije o putanji (eng. "Almanac data"; gr, Almanac- "kalendar") i podatke o poloaju satelita (eng. "Ephemeris data"; lat. Ephemeris -"dnevnik" ) (kao to je prikazano u poglavlju 3.1). Na temelju tih podataka sa satelita rauna se poloaj. Odreivanje poloaja moemo podijeliti u nekoliko koraka: 1.) mjerenje vremena koje je potrebno signalu da doe od satelita do prijemnika2.) odreivanje udaljenosti na temelju podataka o vremenima3.) triangulacija signala ( odreivanje relativnog poloaja koritenjem geometrije trokuta ).

Postupak odreivanje vremena rauna se kao T PT S , gdje je T P trenutak u kojem je signal doao do prijemnika, a T S trenutak u kojem je signal emitiran sa satelita. Opisat emo nain odreivanja ovih vremena. Odreivanje trenutka T P jelagano, budui da svaki prijemnik ima svoj interni sat. Prijemnik jednostavno "pogleda" na sat i zabilljei vrijeme u kojem je primljen signal. Rekli smo da svaki signal sadri jedinstveni pseudo-nasumini kod. GPS prijemnici su povezani sa svojim satelitima na nain da sinkronizirano generiraju iste pseudokodove u odreenim trenucima. U trenutku primitka signala, prijemnik jednostavno pogleda memoriju u prolost i nade takav Trenutak T I u kojem signal sa satelita odgovara generiranom pseudokodu. Postupak odreivanja udaljenosti izvodi se tako da se prvo napravi korak 1.) i onda se na temelju izraunatih vremena rauna udaljenost poformuli: D= tc , c2.998108 m / s. , gdje je T proteklo vrijeme, a c brzina svijetlosti. Postupak triangulacije sastoji se od kombiniranja podataka o udaljenosti sa 3 satelita.Kombiniranjem podataka sa prva dva satelita moemo vizualizirati kao krivulju koje se dobije presjekom dvije sfere, ako uzmemo obzir da je za svaki satelit toka na njegovoj sferi jednako udaljena od satelita. Kombiniranjem tih podataka sa podatcimatreeg satelita izbor suavamo na dvije toke. Za konanu aproksimaciju poloaja i odluku potrebna su nam mjerenja jo jednog satelita. U sluaju tri satelita, nekad je ak mogue eliminacijom izbaciti jednu toku ako podatci nemaju smisla ( toka je izvan zemlje ili se kree nemoguom brzinom).Za odreivanje poloaja na strani prijemnika, chipset GPS prijemnika najprije mora registrirati signal od 4 prijemnika ili vie. Ti signali ne smiju biti preslabi (28 dBHz ili vie), te moraju biti fiksirani tokom jedne minute uz konstantnu jainu kako bi prijemnik mogao "skinuti" podatke za raunanje poloaja satelita (Ephemeris data) Ako se sluajno u meuvremenu signal izgubi, cijeli postupak se mora ponavljati sljedeu minutu, dok se ne skinu svi podaci. Ovo moe predstavljati problem u situacijama u kojima se prijemnik giba na zemljinoj povrini, pa jaina i dostupnost signala varira. Neki proizvoai GPS prijemnika imaju rijeenje za ovo pod nazivom "Quick Fix". Quick Fix su podaci lokalno skladiteni tako da se ne moraju dohvaati sa satelita i omoguuju raunanje poloaja unutar 5-15 sec.

15

Slika 6: Vizualizacija tehnike triangulacije GPS signala.

4. TIPINE PRIMJENE GPS SUSTAVA4.1 Sustav navigacije u vozilimaGPS se pojavljuje u civilnoj sferi tek otklanjanjem selektivne dostupnosti koja je namjerno onemoguavala precizno odreivanje poloaja. Postoje dvojbe u tome tko je proizveo prvi automobilni GPS, a meu pionirima se smatra Steven Lobezzo koji je1984. razvio prvi satelitski GPS sustav za upotrebu u automobilima. Prvi put je predstavljen javnosti u Hannoveru, Njemaka 1985.Specifinost GPS ureaja koji se koriste u vozilima je da osim odreivanja lokacije korisnika koriste mikroprocesore, software te digitalno skladite baze podataka o mapama, kako bi iste podatke o lokaciji mogli korisniku interaktivno prikazati na mapi. Posebno, u autima GPS ureaji obino imaju mogunosti kao to su glasovne naredbe, piktogrami, rotaciju karte u smjeru vonje, interaktivne prikaze poloaja i udaljenosti. to se tie sadraja, mape na automobilnim GPS ureajima sadre tzv. Waypointove ili puteve, traenje po kunim brojevima ili nazivima mjesta koja se pretvaraju u geografske koordinate, mjesta interesa, automatsko navoenje do izabranog odredita. Osim navedenog, neki proizvoai nude GPS koji je integriran sa vozilom, u smislu da koristi pogonski sustav, iroskop i akcelometar kako bi podacima iz tih ureaja poboljali preziznost GPS-a u situacijama kod kojih dolazi do znaajnih pogreka. (vonja kroz krajolik ili urbano podruje, Multipath errors). Zbog toga to takvi ureaji koriste lokalne baze podataka, od korisnika se oekuje auriranje istih baza putem softwarea, kako bi ureaj mogao prikazivati tone podatke, dok neki noviji ureaji osim fiksacije poloaja ak i auriraju u realnom vremenu aktualne podatke o prometu (koriste radio TMC ili RDS protokole).

16

Osim u automobilima, GPS se koristi u raznim drugim segmentima prometa. Npr. U avijaciji se GPS koristi radi pruanja tonih podataka o poloaju autopilotu. Gps se takoer koristi u pomorskoj navigaciji. Osim oitih prednosti i blagodati GPS tehnologije prilikom navigacije, postoje i razne opasnosti, te zabiljeeni sluajevi prometnih nesrea zbog koritenja GPS ureaja. Veina nesrea dolazi zbog krivih podataka primljenih od GPS sutava. est je sluaj npr. Zamjena eljeznikih tranica za cestu, rute koje vode u pogrenom smjeru, pogrean prikaz smjera vonje, navoenje na indirektnu rutu zbog zastarjelih podataka. Neke su autokompanije prestale proizvoditi integrirane GPS ureaja u vozilima, a kao razlog navode da GPS ureaji dovode do distrakcije vozaa i s tim uzrokuju nesigurnost na cesti.

4.2 Vojne primjeneTokom zadnjih 15 godina, GPS sustav je postao jedan od najvanijih tehnologija koritenih u vojne svrhe, sa sposobnou da prua precizne podatke o poloaju neovisno o dobu dana ili vremenskim uvjetima. Osim pruanja korektnog poloaja, GPS se pokazao kao vano taktiko sredstvo. Danas, GPS koristi gotovo svaki vojnik, a sastavni je dio veine vozila, letjelica i ratnih brodova. Takoer se koristi za navigaciju projektila i letjelica bez posade, npr UAV(Unmanned aerial vehicle). Vaanaspekt koritenja GPS sustava u vojne svrhe je i sposobnost razlikovanja vlastitih od neprijateljskih jedinica. Takoer je bitan u operacijama spaavanja, logistici, rasporeivanju snaga, itd. Specifinost upotrebe GPS sustava u vojne svrhe je koritenje L1 i jaeg L2 tipa signala (koji dozvoljava enkripciju i znaajke protiv blokiranja signala, tj. GPS-jamminga). Tehnologija se naziva A/S (ili Anti-Spoofing) I sastoji se od toga da se prvo dohvaa C/A kodirani signal nosioca L1 i zatim prelazi na koritenje P(Precision) kodiranog signala kombinira sa tajnim kodom tipa W, to rezultira u P(Y)kodiranom signalu. Ovakav nain modulacije signala omoguava samo autoriziranim korisnicima koritenje signala dok drugima neautoriziranim korisnicima onemogua stvaranje lanog signala i na taj nain "zbunjivanje" prijemnika sa krivim podacima, zbog nepoznatog W koda. U budunosti, planiraju se nove tehnologije, poglavito M-kod za modulaciju signala koji e biti tee blokirati od P(Y) -kodiranog signala koji se trenutno koristi za modulaciju L2 nosaa signala. Takoer pruati e bolju autentikaciju, sigurnost i autonomiju u smislu da e bit potreban samo signal tipa M bez potrebe za dohvaanjem C/A koda (koritenog u L1 nosiocu signala) kao danas.

17

Slika 7: Dijagram modulacije L1 i L2 signala.

4.3 Individualne primjeneBesplatna velika dostupnost i preciznost u odreivanju poloaja i mjerenju vremena kombinirana sa relativnom malom cijenom prijemnih GPS chipsetova omoguila je iroku upotrebu GPS tehonologije u civilnoj sferi. Neke od grana primjene GPS tehnologije u suvremenom svijetu su: u astronomiji (koritenje lokacijske i vremenskesinkronizacije), automatizacija vozila, kartografija, biologija, praenje ivotinja, meteorologija i istraivanje klime, telefonija (sinkronizacija vremena i odreivanje poloaja pozivatelja), pomorsko praenje i navigacija, oznaavanje kordinata na mobilnim ureajima ( geo-tagging), telematika, nadzor i sigurnost, praenje imovine i pokretnina, financije (globalni financijski sustavi i burze se oslanjaju na precizno raunanje vremena u provoenju transakcija novca), robotika, sport i rekreacija. Ovo je naravno samo mali dio spektra primjena GPS sustava, u stvarnosti to je veoma vaan tehnoloki aspekt modernog ivota. Restrikcije na civilnu upotrebu:Svi GPS ureaji funkcioniraju sa odreenom tonou do nadmorske visine od 18 kmte brzine od 515 m/s. Ureaji sa mogunostima iznad toga smatraju se orujima, jer imaju sposobnost navoenja projektila i s toga trebaju imati doputenje proizvodnje od State Department-a Sjedinjenih Amerikih drava.

18

4.4 Perspektive razvoja GPS sustava

Proces razvoja GPS-a neprekinuti, vie milijardi vrijedan proces poboljavanja sposobnosti svemirskih i kontrolnih stavki GPS-a. Te promjene ukljuuju uvoenje novih poboljanih tipova signala i za vojnu i civilnu upotrebu, L2C, L5, L1C. Zastarjeli signal tipa C/A na nosiocu L1 nastaviti e se emitirati na totalnom broju od 4 satelita. Novi signali trebaju smanjiti jaz izmeu preciznosti civilnih i vojnih GPS-a. U budunosti e za javnu upotrebu biti dostupni i L1C/A i L2C i tako e pruati preziznost jednaku (ili ak bolju) dananjim vojnim satelitima.

Koritenje dva frekvencijska pojasa daje i mogunost usporeivanja podataka iz dvaju frekvencijskih raspona u realnom vremenu ime e se smanjiti pogreke nastale atmosferskom interferencijom. L2C ukljuuje veu snagu emitiranja, bri dohvat signala, veu pouzdanost, ak 250 puta bolju "dohvatljivost". Novi vojni signali tipa M omoguit e osim globalnog emitiranja i suavanja podruja na stotinu kilometara, ime e se efektivno dobitit 100 puta jai prijem. U kontrolnom segmentu planira se zamjena dosadanjih mrenih i komunikacijskih sustava GPS-a sa centralnom arhitekturom, koje trebaju poveati maksimalnu preciznost i frekvenciju upotrebe. Oekivano s novim poboljanjima pojaviti e se i nova podruja u kojima GPS moe nai svoju primjenu.Planira se takoer izgradnja novih satelita, poglavito GPSIIR(M), GPSIIF, GPSIII. Prvi sateliti tipa GPSIIIA koji razvija tvrtka Lockheed Martin s lansiranjem poinju u sijenju 2016, a trebaju pruiti podrku novim signalima L1C, imati poveanu preciznost, ugraeni DASS sistem (Distress Alerting Satellite System, za pomo u detekciji i kontroli nepogoda) te bolji integritet i ivotni vijek od 15 godina. Takoer dekretom amerike vlade 2007, sa novih satelita je ukinuta selektivna dostupnost, toznai da e noviji sateliti imati jo veu preciznost. Kako se GPS tehnologija poboljava otvoriti e se nova podruja u kojima e se moi primjenjivati. Primjerice, u agrikulturi se razvijaju Precision Farming sustavi koji e koristiti GPS za mapiranje terena i prinosa te automatizaciju poljoprivrednih strojeva. Gps sustavi budunosti naginjat e na stranu predvianje, prevenciju i saniranje ekolokih katastrofa, pruanja pomoi i spaavanja stradalih u sluaju takvih katastrofa, procjenu utjecaja ovjeka na okoli, praenje deforestacije i poara, sastava voda i poboljavanje meterolokih predvianja. Budui GPS sustavi mogu ak pomoi u praenju ugroenih vrsta ivotinja. Razvoj GPS-a prua mogunost zakoraenja u novo doba sigurnosti. Npr. tehnologije koje omoguuju automatsku komunikaciju uparene sa GPS-om i senzorima omoguiti e pozivanje na pomo u sluaju nesree, ak i kada sami unesreeni nisu u stanju pozvati pomo. Mobilne mree, proizvoai energije, financijske institucije i znanstvene ustanove pokazuju potrebu za boljom sinkronizacijom i mjerenjem vremena. Sa razvojem novihGPS sustava napraviti e se korak i u tom smjeru.

19

5. ZAKLJUAK

GPS ima ogromnu vanost u dananjem svijetu. Svoj nastanak GPS duguje svojim prethodnicima, koncepcijski slinim sustavima i utrci u razvijanju tehnologije za vrijeme Hladnog rata. Prvi komercijalni javno dostupni GPS bio je NAVSTAR, a od 1983. dekretom tadanjeg predsjednika Sjedinjenih Amerikih Drava postaje dostupan iroj javnosti. Tek 2000. selektivna dostupnost je ugaena ime je poveana preciznost satelita i otvoren put za primjenu tehnologije u novim podrujima, gdje je preciznost od bitnog znaaja. Od ukupno 64 satelita lansirana, 33su operaciona, a u vidu je lansiranje novih GPSIII satelita u sijenju 2016.

GPS je sloen sustav u kojem se u obzir mora uzeti puno parametara. GPS sustavi rade na principu triangulacije signala, gdje poloaj odreuje minimalno 4 satelita. Svaki od satelita ima jedinstveni vremenski kod koji modulira signal nosa na odreenoj frekvenciji. Poglavito postoje tri glavne frekvencije L1, L2, L3. L1 se koristi u civilne svrhe, dok je L2 vojni signal, L3 slui za detekciju nuklearnih reakcija. Prijemnik "oslukuje" odreeni frekvencijski pojas za signal moduliran odreenim kodom. Jednom kad je pronaao signal od satelita, u obzir uzima tzv. Almanac i Ephemeris bitove informacije, koji opisuju karaktreristike orbite svakog satelita te njihove putanje i vremena. Na temelju primljenog i vlastitog generiranog koda, GPS prijemnik odreuje vrijeme potrebno dolasku signala od satelita. Na temelju toga rauna udaljenosti i triangulacijom signala priblini poloaj. Prilikom rada GPS signula, u kalkulacije se u obzir uzimaju imbenici atmosfere ime s pokuavaju minimizirati pogreke. Glavni atmosferski utjecaji na propagaciju signala nastaju u ionosferi, gdje dolazi do rasprenja zbog slobodnih iona, te u termosferi gdje slobodne molekule vode apsorbiraju zraenje.

Vani su i relativistiki utjecaji. Prvi sateliti koji su lansirani zanemarivali su relativizam i stoga su imali ogromna odstupanja. Utjecaj relativizma moe se podijelitina generalnu teoriju relativnosti koja kae da sve ure na koje dijeluje vee gravitacijsko polje efektivno sporije otkucavaju, dok specijalna teorija relativnosti predvia dilataciju vremena usred relativne razlike brzina jednog tijela u odnosu na drugo. U stvarnosti utjecaj zadnjeg je puno vei od prvog.

U dananje vrijeme tehnologija GPS-a se primjenjuje u raznim podrujima, dok ubrzani razvoj GPS-a otvara i nova podruja primjene u budunosti, pogotovo sa lansiranjem novih GPSIII satelita koji predstavljaju inovaciju u vidu dostupnosti, brzine, jaine i enkripcije signala. Takoer civilni sektor dobiva jo jedan frekvencijskipojas, ime e se drastino smanjiti pogreke nastale u atmosferi i s time poveati preciznost.

20

LITERATURA

1. WEB:http://www.sage.unsw.edu.au/snap/gps/gps_survey/principles_gps.htm

2. WEB: http://en.wikipedia.org/wiki/GPS_signals

3. Chana Tilevitz: "An analysis and exploration of scintillation data from the CASES GPS Receiver", Chana Tilevitz, ASTRA, LLC, Suny Stony Brook

4. Effect of Ionospheric Scintillations on GNSSA White Paper,SBAS Ionospheric Working Group, November 2010

5. WEB: http://www.locata.com/applications-of-gps/civilian-applications/

6. WEB: http://www.gps.gov/systems/gps/space/

7. WEB: http://www.trimble.com/gps_tutorial/sub_pseudo.aspx

8. WEB: http://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System

9. WEB: http://gpsworld.com/gnss-systemsignal-processinginnovation-ionospheric-scintillations-12809/

21

1. Uvod - Definicija GPS sustava i prikaz razvoja.2. Radijski kanal kod satelitskih sustava