Θέµα: Εφαρµογές Παγκόσµιου ορυφορικού Συστήµατος Εντοπισµού Θέσης (GPS) Καρπούζας Ηρακλής Μάρτιος 2008

Transcript

1 Θέµα: Εφαρµογές Παγκόσµιου ορυφορικού Συστήµατος Εντοπισµού Θέσης (GPS) Καρπούζας Ηρακλής Μάρτιος 2008

2 ΠΑΓΚΟΣΜΙΟ ΟΡΥΦΟΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΘΕΣΗΣ GLOBAL POSITIONING SYSTEM (GPS) ΑΡΧΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

3 Γενικά Χαρακτηριστικά GPS Το NAVSTAR GPS είναι ένα παγκόσµιο δορυφορικό σύστηµα προσδιορισµού θέσης ( συντεταγµένες), χρόνου και ταχύτητας, οπουδήποτε στην επιφάνεια της γης ή και κάτω από αυτήν, σε οποιαδήποτε χρονική στιγµή και ανεξάρτητα από καιρικές συνθήκες Αναπτύχθηκε από το Υπουργείο Άµυνας των ΗΠΑ (US Department of Defence) Προσφέρει: - Παγκόσµια Κάλυψη - Ακρίβεια Θέσης σε πραγµατικό χρόνο 10 έως 20 m - 24 ώρες δυνατότητα χρήσης - Κοινό σύστηµα συντεταγµένων

4 Τµήµατα του GPS ορυφορικό Τµήµα: - 30 ορυφόροι - Μέσο Υψόµετρο m - 6 τροχιακά επίπεδα, γωνία κλίσης 55 ως προς ισηµερινό επίπεδο - Περίοδος κάθε δορυφόρου 12 ώρες Τµήµα Ελέγχου: - 5 επίγειοι µόνιµοι σταθµοί παρακολούθησης (monitor stations) - 3 σταθµοί τηλεπικοινωνιών (upload stations) - 1 κεντρικό σταθµό ελέγχου (MCS) Τµήµα Χρηστών: Περιλαµβάνει τους δέκτες GPS που λαµβάνουν επεξεργάζονται τα σήµατα και καταγράφουν τις µετρήσεις

5 Το ορυφορικό Τµήµα Βασικός εξοπλισµός κάθε δορυφόρου: - Ταλαντωτές ή ατοµικά χρονόµετρα - Υπολογιστές - Κεραίες τηλεπικοινωνιών

6 GPS BLOCK IIR Satellite

7 Το Τµήµα Ελέγχου

8 Τρόπος Λειτουργίας του GPS Βασική αρχή του συστήµατος είναι η µέτρηση Απόστασης ανάµεσα σε δορυφόρο και δέκτη Απόσταση =Χρόνος x Ταχύτητα του φωτός ή S=t*c 1. Ο δέκτης λαµβάνει το δορυφορικό σήµα από τους δορυφόρους 2. Χρησιµοποιεί τον χρόνο ταξιδίου του σήµατος για να υπολογίσει την απόσταση από τους δορυφόρους 3. Γίνεται τριτοµία (triangulation), δηλαδή οι τρεις σφαίρες που δηµιουργούνται τέµνονται σε δυο σηµεία και τελικά η τέταρτη σφαίρα που δηµιουργεί ο τέταρτος δορυφόρος καθορίζει και τις συντεταγµένες του δέκτη.

9 Προσδιορισµός Θέσης - Triangulation Μια µέτρηση περιορίζει τη θέση του δέκτη στην επιφάνεια της σφαίρας Ο δέκτης είναι κάπου στην επιφάνεια της σφαίρας ακτίνας R1µε κέντρο τον δορυφόρο S1

10 Προσδιορισµός Θέσης - Triangulation Η δεύτερη µέτρηση περιορίζει τη θέση του δέκτη στον κύκλο που δηµιουργείται από την τοµή των δυο σφαιρών Ο δέκτης βρίσκεται όµως και σε µια δεύτερη σφαίρα ακτίνας R2 µε κέντρο τον δορυφόρο S2

11 Προσδιορισµός Θέσης - Triangulation Η τρίτη µέτρηση περιορίζει τη θέση του δέκτη σε δυο σηµεία του κύκλου, λόγω της τοµής των τριών σφαιρών Ο δέκτης βρίσκεται και σε µια τρίτη σφαίρα ακτίνας R3 µε κέντρο τον δορυφόρο S3

12 Προσδιορισµός Θέσης - Triangulation Η τέταρτη µέτρηση θα καθορίσει τη θέση του δέκτη ανάµεσα στα δυο πιθανά σηµεία Η τέταρτη σφαίρα που δηµιουργείται από τον τέταρτο δορυφόρο θα διέρχεται µόνο από το ένα σηµείο. Ο δορυφορικός σχηµατισµός (satellite constellation) έχει τέτοια διάταξη, ώστε από κάθε σηµείο της γης να λαµβάνεται σήµα από τουλάχιστον 4 δορυφόρους!

13 Προσδιορισµός Θέσης Οι δορυφόροι είναι σταθµοί µε ελεγχόµενες τροχιές Οι αποστάσεις µετρώνται προς κάθε δορυφόρο µε κώδικες που εξαρτώνται από τον χρόνο Οι δορυφορικοί δέκτες χρησιµοποιούν χρονόµετρα µικρότερης ακρίβειας από αυτά των δορυφόρων 4 αποστάσεις για τον υπολογισµό γεωγραφικού πλάτους (φ), µήκους (λ), υψοµέτρου (H) και χρόνου (t)

14 οµή του σήµατος του GPS Κάθε δορυφόρος GPS εκπέµπει έναν αριθµό σηµάτων Το σήµα περιλαµβάνει: - δυο φέρουσες συχνότητες (L1, L2) - δυο κώδικες (C/A στην L1 και P ή Y στην L1 και L2) - ένα µήνυµα πλοήγησης

15 Σφάλµατα των µετρήσεων GPS ορυφορικά σφάλµατα: - Σφάλµατα τροχιάς - Σφάλµατα δορυφορικών χρονοµέτρων Σφάλµατα δεκτών: - Σφάλµατα χρονοµέτρων δεκτών - Σφάλµατα θορύβου στους δέκτες Σφάλµατα Παρατηρήσεων: - Υστέρηση σήµατος στην ιονόσφαιρα - Υστέρηση σήµατος στην τροπόσφαιρα Σφάλµατα σταθµού - Συντεταγµένες σταθµού - Πολλαπλές ανακλάσεις

16 Τάξη µεγέθους των σφαλµάτων GPS

17 Είδη Μετρήσεων GPS υο είδη Μετρήσεων: 1. Μετρήσεις κώδικα ή ψευδοαποστάσεων =>τεχνική συσχέτισης των κωδίκων 2. Μετρήσεις φάσης =>συσχέτιση => πρόβληµα αβεβαιότητας (ambiguity)

18 Η Παρατήρηση της Ψευδοαπόστασης Οι δέκτες παράγουν ένα αντίγραφο του κώδικα που δεν ταυτίζεται µε τον κώδικα του δορυφόρου, λόγω χρονικών καθυστερήσεων. Το παραγόµενο αντίγραφο του C/A µετατοπίζεται χρονικά (καθυστερεί), ώστε να ταυτιστεί πλήρως µε τον αντίστοιχο κώδικα του δορυφόρου. Η χρονική µετατόπιση που υπολογίζει ο δέκτης ή ο χρόνος ταξιδίου µετατρέπεται σε ψευδοαπόσταση αφού πολ/στεί µε την ταχύτητα του φωτός. ~ Η χρονική αβεβαιότητα της ταύτισης ισοδυναµεί µε 3 m για τον C/A κώδικα και µε 0,3 m για τον κώδικα Ρ.

19 Εξίσωση παρατήρησης ψευδοαπόστασης

20 Η Παρατήρηση της φάσης Οι δέκτες παράγουν ένα αντίγραφο που µετατοπίζεται ώστε να ταυτιστεί µε τη φάση του εισερχόµενου σήµατος. Η ποσότητα που µετράται στον δέκτη είναι η διαφορά φάσης µεταξύ της φάσης του εκπεµπόµενου σήµατος από τον δορυφόρο τη στιγµή της λήψης από τον δέκτη και της φάσης ενός σήµατος γνωστής συχνότητας που παράγεται εσωτερικά από τον δέκτη (αντίγραφο) τη χρονική στιγµή της λήψης. Η µετατόπιση του αντιγράφου (phase shift) για την επίτευξη της ταύτισης (συσχέτιση), πραγµατοποιείται στον πλησιέστερο κύκλο και είναι ως αριθµιτική τιµή πάντα ένα κλασµατικό µέρος του κύκλου. Αρχική ασάφεια φάσης & σφάλµα ολίσθησης των κύκλων (cycle slips)

21 Εξίσωση παρατήρησης φάσης

22

23 ιαφορικός προσδιορισµός θέσης µε GPS

24 ιαφορικός προσδιορισµός θέσης µε GPS

25 ιαφορικός προσδιορισµός θέσης µε GPS

26 Τεχνικές Μετρήσεων - Περίληψη

27 Άλλα συστήµατα GNSS 1. Σύστηµα GLONASS GLObal Navigation Satellite System Ρωσικό σύστηµα εντοπισµού θέσης Αναµένεται να γίνει πλήρως επιχειρησιακό το Σύστηµα GALILEΟ Ευρωπαϊκό Σύστηµα εντοπισµού θέσης Αναµένεται να τεθεί σε λειτουργία το 2010

28 GLONASS 24 δορυφόροι (21+3 εφεδρικοί) κατανεµηµένοι σε 3 τροχιακά επίπεδα Κλίση 64,8 ως προς ισηµερινό επίπεδο Περίοδο περιστροφής 11h25m Υψόµετρο m Βασική διαφορά µε το GPS: Κάθε δορυφόρος εκπέµπει τις δικές του συχνότητες βάσει του αριθµού PRN που έχει στο σύστηµα. Οι κώδικες που µεταδίδονται από τους δορυφόρους GLONASS είναι διαµορφωµένοι και στις δυο συχνότητες => Μεγαλύτερη ακρίβεια στον απόλυτο προσδιορισµό θέσης σε σχέση µε το GPS που έχει τον κώδικα C/A διαµορφωµένο µόνο στην L1 συχνότητα και τον κώδικα Ρ κρυπτογραφηµένο

29 GALILEO 30 δορυφόροι (27+3 εφεδρικοί) κατανεµηµένοι σε 3 τροχιακά επίπεδα Κλίση 56 ως προς ισηµερινό επίπεδο Περίοδο περιστροφής 14 ώρες Υψόµετρο m 3 φορείς (L1, E5, E6), όπου L1 η συχνότητα είναι ίδια µε αυτή του GPS για λόγους συµβατότητας Ο συνδυασµός του συστήµατος µε το GPS αναµένεται να παρέχει κάλυψη σε αστικές περιοχές της τάξης του 95% βελτιώνοντας σηµαντικά τις δυνατότητες πλοήγησης σε περιβάλλον πόλης!

30