Το Παγκόσμιο δορυφορικό σύστημα εντοπισμού θέσης Global Positioning System, GPS

Transcript

1 Το Παγκόσμιο δορυφορικό σύστημα εντοπισμού θέσης Global Positioning System, GPS Konstantinos Lakakis, Associate Professor Faculty of Engineering, School of Civil Engineering, A.U.Th.

2 Το GPS (Global Positioning System - Παγκόσμιο σύστημα εντοπισμού θέσης) είναι ένα δορυφορικό σύστημα εντοπισμού θέσης, ταχύτητας και διανομής χρόνου. Το σύστημα αυτό χρησιμοποιεί ραδιοσήματα από δορυφόρους που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τη Γη. Ο βασικός προορισμός του συστήματος ήταν ο έλεγχος της κίνησης οχημάτων, πλοίων και αεροπλάνων σε παγκόσμια κλίμακα και αρχικά για στρατιωτικούς σκοπούς. Με την πάροδο του χρόνου όμως και με τη βελτίωση της ακριβείας του συστήματος, οι εφαρμογές του επεκτάθηκαν ή επεκτείνονται και σε άλλους τομείς, όπως η παρακολούθηση μετακινήσεων του στερεού φλοιού της Γης (Γεωδυναμική), η παρακολούθηση μικρομετακινήσεων μεγάλων τεχνικών έργων (Γεωδαισία), υδρογραφικές εφαρμογές, αποτυπώσεις, εφαρμογές στις διαστημικές επιστήμες, εφαρμογές στις μεταφορές κ.λπ.

3 Σύντομο ιστορικό δημιουργίας του GPS Tέλη δεκαετίας 1960, σχεδιασμός συστήματος για στρατιωτική χρήση Αρχές δεκαετίας 1970, χρηματοδότηση και δοκιμαστική έναρξη κατασκευών εκέμβριος 1973, το σύστημα εγκρίνεται από το U.S. Department of Defense Μέσα δεκαετίας 1970, δοκιμές στο έδαφος 22 Φεβρουαρίου 1978, εκτόξευση του πρώτου δορυφόρου 1983, απόφαση και για πολιτική χρήση , το πρόγραμμα σταματά λόγω της καταστροφής του Challenger Space Shuttle 1989, επανέναρξη του προγράμματος 1989, Η Magellan Corporation κατασκευάζει τον πρώτο hand-held δέκτη GPS Ιανουάριος 1992, το GPS χρησιμοποιείται για πρώτη φορά σε πολεμικές επιχειρήσεις (Operation Desert Storm, Ιράκ) 1993, το σύστημα αρχίζει να λειτουργεί αποτελεσματικά εκέμβριος 1995, το σύστημα λειτουργεί πλέον ολοκληρωμένα (24 δορυφόροι) 2 Μαΐου 2000, η επιλεκτική διαθεσιμότητα παύει να λειτουργεί ακρίβεια ενός δέκτη m

4 Το GPS παρέχει: 24ωρη κάλυψη σε όλο τον κόσμο 3D εντοπισμό θέσης με υψηλή ακρίβεια (φ,λ,η ή Χ,Υ,Ζ) Παροχή χρόνου Ένα παγκόσμιο σύστημα αναφοράς WGS-84 Συνεχή λειτουργία σε πραγματικό χρόνο Χρήση χωρίς περιορισμούς Πολιτική χρήση με ελαφρώς μειωμένη ακρίβεια, κατάλληλη όμως για πολλές εφαρμογές

5 Τα τμήματα του GPS Το GPS αποτελείται από τρία τμήματα: το δορυφορικό τμήμα, το τμήμα ελέγχου και το τμήμα χρήσης

6 Το δορυφορικό τμήμα του GPS Υψόμετρο: km Περίοδος: 12 ώρες Γωνία τροχιακών επιπέδων: 55 ο Τροχιακά επίπεδα: 6 ορυφόροι ανά επίπεδο: 4 Αριθμός δορυφόρων: 24

7 Το δορυφορικό τμήμα του GPS

8 Οι δορυφόροι του GPS Block IIF Οι δορυφόροι Block IIF αποτελούν την τελευταία γενιά δορυφόρων και θα κατασκευάστηκαν από τη Rockwell (ιδιοκτησίας Boeing). Προβλέπεται να εκτοξευθούν συνολικά 33 δορυφόροι. Εκτιμώμενος χρόνος ζωής 12.7 χρόνια.

9 Τα σήματα του GPS Κάθε δορυφόρος εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικά σήματα στη συχνότητα L1= MHz και στη συχνότητα L2 = MHz. Το σήμα L1 (19 cm) περιέχει τον κώδικα C/A (Coarse/ Acquisition - Code). To σήμα L2 (24 cm) φέρει μόνο τον P - κώδικα (Precise - Code) και χρησιμοποιείται για τη διόρθωση της καθυστέρησης των σημάτων που οφείλεται στην ιονόσφαιρα. Kώδικας δεδομένων ή D - κώδικας (Data - Code) που υπερτίθεται στα σήματα L1 και L2. Περιέχει διάφορες πληροφορίες για την τροχιά του δορυφόρου, όπως π.χ. για την πρόβλεψη της θέσης του δορυφόρου σε κάθε χρονική στιγμή, χρονικές καθυστερήσεις των δορυφορικών χρονομέτρων κ.λπ. L1 L2

10 Το τμήμα ελέγχου του GPS Το τμήμα ελέγχου αποτελείται από 4 σταθμούς παρακολούθησης των δορυφόρων που είναι κατανεμημένοι σε όλο τον κόσμο και τον κύριο σταθμό ελέγχου που βρίσκεται στη Schriever Air Force Base στο Colorado Springs του Colorado στις ΗΠΑ. Επεξεργασία όλων των παρατηρήσεων, που στέλνονται από τους σταθμούς παρακολούθησης Καθορίζονται (προβλέπονται) οι δορυφορικές τροχιές και η συμπεριφορά των δορυφορικών χρονομέτρων. Η πληροφορία αυτή διαβιβάζεται στους δορυφόρους και αποθηκεύεται στη μνήμη των υπολογιστών τους. Στη συνέχεια εκπέμπεται με τον D - κώδικα προς τους χρήστες, για να κάνουν τους υπολογισμούς και τις αναγωγές για τον καθορισμό του στίγματός των.

11 Το τμήμα χρήσης του GPS Το τμήμα χρήσης αποτελείται από τους δέκτες. Κάθε δέκτης αποτελείται από την κεραία, τον προενισχυτή, τον κυρίως δέκτη και διάφορες μονάδες επεξεργασίας των σημάτων και των δεδομένων GPS. Οι δέκτες χωρίζονται σε αυτούς που μετρούν μόνο τη μια συχνότητα L1 (δέκτες μιας συχνότητας) και σε αυτούς που μετρούν και τις δύο συχνότητες L1 και L2 (δέκτες δύο συχνοτήτων). Οι δέκτες της δεύτερης κατηγορίας χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου απαιτείται υψηλή ακρίβεια.

12 Aπό το έδαφος στους ουρανούς Τime 2 Τime 1 Pn2 Pn1 Για τον υπολογισμό της τροχιάς ενός δορυφόρου με μέτρηση αποστάσεων από επίγειους σταθμούς Ρ1, Ρ2, Ρ3: P2 R2 R1 P1 R3 Οι αποστάσεις R1, R2 και R3 αλλάζουν συνεχώς με το χρόνο Οι αποστάσεις πρέπει να μετρώνται αυστηρά ταυτόχρονα Χρειάζονται υψίστης ακριβείας χρονόμετρα και απόλυτος συγχρονισμός P3

13 Aπό τους ουρανούς στο έδαφος Τime 1 R1 R2 R3 Όταν τα γνωστά σημεία Ρ1, Ρ2, Ρ3 είναι δορυφόροι GPS και το άγνωστο σημείο Ρn βρίσκεται στην επιφάνεια της Γης, τότε με την ταυτόχρονη μέτρηση των αποστάσεων R1, R2 και R3 μπορούμε να υπολογίσουμε τις συντεταγμένες του Ρn. Pn Μέτρηση απόστασης δορυφόρου - δέκτη

14 Μέτρηση απόστασης δορυφόρου - δέκτη Προκύπτει από τη μέτρηση του χρόνου που χρειάζονται τα ραδιοσήματα για να ταξιδεύσουν από το δορυφόρο μέχρι το δέκτη. Τα ραδιοσήματα ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός. Χρησιμοποιούνται ακριβή χρονόμετρα. Ζητείται ο προσδιορισμός του ακριβούς χρόνου κατά τον οποίο τα ραδιοσήματα ξεκίνησαν από το δορυφόρο και του χρόνου που έφθασαν στο δέκτη.

15 Μέτρηση χρόνου διάδοσης των ραδιοσημάτων ορυφόρος και δέκτης παράγουν συνεχώς τον ίδιο κώδικα. ορυφόρος και δέκτης διαθέτουν συγχρονισμένα χρονόμετρα και παράγουν τον ίδιο κώδικα την ίδια χρονική στιγμή. Ο δέκτης δέχεται τον κώδικα του δορυφόρου με χρονική καθυστέρηση (χρόνος διάδοσης).

16 Υπολογισμός απόστασης δορυφόρου - δέκτη Ο δέκτης βρίσκει την αρχή του σήματος του δορυφόρου και συγκρίνει το χρόνο εκπομπής με το χρόνο που παρήγαγε την αρχή του ίδιου σήματος. Η σύγκριση δίνει το χρόνο t που μεσολάβησε από τη στιγμή που το σήμα έφυγε από το δορυφόρο μέχρι τη στιγμή που έφθασε στο δέκτη. t Κώδικας δορυφόρου km/sec Κώδικας δέκτη Χρόνος t Χ ταχύτητα φωτός = απόσταση δορυφόρου - δέκτη

17 Ψευδοαπόσταση Η απόσταση που προκύπτει ονομάζεται Ψευδοαπόσταση και αποτελείται από την πραγματική απόσταση και ένα σφάλμα που οφείλεται στη διαφορά ακριβείας των χρονομέτρων δορυφόρου (ατομικό) και δέκτη (quartz).

18 Χρειάζονται 4 δορυφόροι για να υπολογιστούν Χ,Υ,Ζ και η διόρθωση χρονομέτρου Απόλυτος εντοπισμός θέσης σημείου Γη Μέτρηση 4 ψευδοαποστάσεων Μέτρηση 4 ψευδοαποστάσεων R1 R4 R3 R2 b Z Z Y Y X X R b Z Z Y Y X X R b Z Z Y Y X X R b Z Z Y Y X X R ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (

19 Απόλυτος εντοπισμός θέσης σημείου miles Ένας δορυφόρος - σφαίρα ύο δορυφόροι - κύκλος

20 Απόλυτος εντοπισμός θέσης σημείου Τρεις δορυφόροι δύο σημεία Τέσσερις δορυφόροι ένα σημείο

21 Απόλυτος και σχετικός εντοπισμός θέσης Οαπόλυτοςεντοπισμόςθέσης(ένας δέκτης) δεν είναι αρκετά ακριβής για κάποιες εφαρμογές. Η βελτίωση της ακριβείας του συστήματος GPS μπορεί να γίνει τόσο με βελτίωση των συσκευών, όσο και με βελτίωση των μεθόδων μέτρησης και επεξεργασίας. Για γεωδαιτικές εφαρμογές, όπου απαιτείται μεγάλη ακρίβεια, χρησιμοποιείται κατά κανόνα ο σχετικός ή διαφορικός υπολογισμός θέσης (Differential GPS, DGPS) ανάμεσα σε δύο τουλάχιστον σημεία, όπου τοποθετούνται οι δέκτες GPS. Η μέθοδος επεξεργασίας περιλαμβάνει χρησιμοποίηση διαφορών μετρήσεων που μπορεί να είναι απλές, διπλές ή τριπλές.

22 Σχετικός εντοπισμός θέσης Οσχετικόςεντοπισμός(διαφορικός εντοπισμός) αφορά τον καθορισμό των συντεταγμένων ενός δέκτη σε σχέση με κάποιον άλλον που συνήθως είναι σταθερός και βρίσκεται σε γνωστή θέση. Οι δύο ή περισσότεροι δέκτες παρατηρούν ταυτοχρόνως τους ίδιους δορυφόρους. Κοινά σφάλματα που οφείλονται στους δορυφόρους, στην ατμόσφαιρα κ.λπ. μπορούν να εξαλειφθούν. Η ακρίβεια εντοπισμού αυξάνεται σημαντικά. Κινητός δέκτης Rover receiver Σταθμός αναφοράς Base Station

23 Σχετικός εντοπισμός θέσης Με τις εφαρμογές του σχετικού εντοπισμού θέσης είναι δυνατό να προκύψουν ακρίβειες προσδιορισμού του διανύσματος ανάμεσα στους δύο δέκτες της τάξης του ± (5-10 mm + 1 ppm).

24 Τεχνικές σχετικού εντοπισμού θέσης Υπάρχουν διάφορες τεχνικές σχετικού εντοπισμού: Ο στατικός εντοπισμός (static) Ο γρήγορος στατικός εντοπισμός (rapid ή fast static) Ο ψευδοκινηματικός εντοπισμός (pseudokinematic) Ο stop and go εντοπισμός Ο κινηματικός εντοπισμός (kinematic)

25 Ο στατικός εντοπισμός (static) Χρησιμοποιείται για εφαρμογές υψηλής ακριβείας (τριγ. δίκτυα, γεωδυναμική) ύο δέκτες (L1 ή L1/L2) μετρούν ταυτόχρονα στα άκρα μιας βάσης, χωρίς να μετακινηθούν μέχρι το τέλος των μετρήσεων Χρειάζονται τουλάχιστον 4 δορυφόροι ορατοί και από τους δύο δέκτες Ο χρόνος παρατήρησης εξαρτάται από το είδος των δεκτών, την μεταξύ τους απόσταση και την επιδιωκόμενη ακρίβεια, αλλά τουλάχιστον 30 min 1 h. Ο υπολογισμός του διανύσματος γίνεται στο γραφείο με τη χρήση λογισμικού Ακρίβεια < 1 cm Απόσταση δεκτών μέχρι 15 Km (L1) ή 100 Km (L1 /L2)

26 Ο γρήγορος στατικός εντοπισμός (rapid ή fast static) Για βελτίωση της ακριβείας xρησιμοποιούνται 2 σταθμοί αναφοράς Παρόμοιος με το στατικό εντοπισμό (τριγ. δίκτυα, στάσεις αποτύπωσης) έκτες L1/L2 Ο ένας δέκτης μένει στο ένα σημείο (σταθμός αναφοράς) και ο άλλος μετακινείται από άλλο σημείο σε άλλο νέο σημείο Χρειάζονται τουλάχιστον 4 δορυφόροι ορατοί και από τους δύο δέκτες Ο χρόνος παρατήρησης εξαρτάται από το είδος των δεκτών, την μεταξύ τους απόσταση και την επιδιωκόμενη ακρίβεια, είναι σαφώς μικρότερος από τον στατικό εντοπισμό και το λιγότερο 5 8 min Ο υπολογισμός του διανύσματος γίνεται στο γραφείο με τη χρήση λογισμικού Ακρίβεια 1 cm

27 Ο ψευδοκινηματικός εντοπισμός (pseudokinematic) Παρόμοιος με το στατικό εντοπισμό (τριγ. δίκτυα, στάσεις αποτύπωσης) έκτες L1 ή L1/L2 Ο ένας δέκτης μένει στο ένα σημείο (σταθμός αναφοράς) και ο άλλος μετράει κάθε άλλο σημείο επί 5 min σε δύο περιόδους που απέχουν χρονικά περίπου 1 h Χρειάζονται τουλάχιστον 4 δορυφόροι ορατοί και από τους δύο δέκτες, οι ίδιοι στις δύο περιόδους εν απαιτείται συνεχής επαφή κινητού δέκτη και δορυφόρων μεταξύ των περιόδων μέτρησης Ο υπολογισμός του διανύσματος γίνεται στο γραφείο με τη χρήση λογισμικού Ακρίβεια 1 cm

28 Ο εντοπισμός stop and go Χρησιμοποιείται για αποτυπώσεις διακριτών σημείων (ταχυμετρία) έκτες L1 ή L1/L2 Ο ένας δέκτης μένει στο ένα σημείο (σταθμός αναφοράς) και ο άλλος (συνήθως σε τηλεσκοπική ράβδο) μετράει κάθε σημείο λεπτομερειών επί sec Χρειάζεται μια περίοδος εκκίνησης (initialization) με τους δέκτες ακίνητους στα σημεία τους επί min (ασάφειες φάσης) Απαιτείται συνεχής επαφή κινητού δέκτη και δορυφόρων μεταξύ των περιόδων μέτρησης. Αν η επαφή διακοπεί, χρειάζεται νέα περίοδος εκκίνησης Χρειάζονται τουλάχιστον 4 δορυφόροι ορατοί και από τους δύο δέκτες Ο υπολογισμός του διανύσματος γίνεται στο γραφείο με τη χρήση λογισμικού Ακρίβεια 1-3cm

29 Ο κινηματικός εντοπισμός (kinematic) Χρησιμοποιείται για αποτυπώσεις σειρών σημείων (τροχιά κινητών, κίνηση οχημάτων) έκτες L1 ή L1/L2 Ο ένας δέκτης μένει στο ένα σημείο (σταθμός αναφοράς) και ο άλλος μετακινείται. Κατά τη μετακίνηση, καταγράφει συνεχώς τη θέση του σύμφωνα με το βήμα που δόθηκε (από 1 sec και πάνω) Χρειάζεται μια περίοδος εκκίνησης (initialization) με τους δέκτες ακίνητους στα σημεία τους επί min (ασάφειες φάσης) Απαιτείται συνεχής επαφή κινητού δέκτη και δορυφόρων μεταξύ των περιόδων μέτρησης. Αν η επαφή διακοπεί, χρειάζεται νέα περίοδος εκκίνησης Χρειάζονται τουλάχιστον 4 δορυφόροι ορατοί και από τους δύο δέκτες Ο υπολογισμός του διανύσματος γίνεται στο γραφείο με τη χρήση λογισμικού

30 Σφάλματα του GPS Το GPS παρουσιάζει περιορισμούς στη χρησιμοποίησή του και σφάλματα που οφείλονται σε διάφορους παράγοντες οι οποίοι προκαλούν τελικά μείωση της απόδοσής του. Λάθη στον κώδικα προσδιορισμού της θέσης του δορυφόρου Όχι τελείως ακριβής πρόγνωση της θέσης του δορυφόρου Μικρά σφάλματα μέτρησης του χρόνου στα χρονόμετρα των δορυφόρων Μεγαλύτερα σφάλματα μέτρησης του χρόνου στο χρονόμετρο του δέκτη Σφάλματα διάδοσης των σημάτων μέσα στην ιονόσφαιρα και την τροπόσφαιρα

31 Σφάλματα του GPS Η όχι καλή λήψη των σημάτων από τους δορυφόρους στο δέκτη. Η επιτυχής μέτρηση της απόστασης δορυφόρου - δέκτη προϋποθέτει την απρόσκοπτη λήψη των σημάτων. Εμπόδια, όπως κτίρια, πυκνά δέντρα κ.λπ. είναι δυνατόν να προκαλέσουν σημαντικά προβλήματα, μεταξύ των οποίων και σφάλματα που προκαλούνται από ανεπιθύμητες ανακλάσεις εδάφους των σημάτων των δορυφόρων (multipath errors).

32 Σφάλματα του GPS Σκίαση δορυφόρων

33 Σφάλματα του GPS Ανακλάσεις εδάφους (Multipath error)

34 Σφάλματα του GPS ιάδοση σημάτων στην ιονόσφαιρα και τροπόσφαιρα

35 Η γεωμετρία του σχήματος δορυφόρων - σημείου μέτρησης Mία παράμετρος που παρέχει την αναμενόμενη ακρίβεια του προσδιορισμού της θέσης ενός σημείου είναι το DOP (Dilution of Precision), το οποίο βασίζεται στη γεωμετρία των δορυφόρων. Το DOP παρέχεται από τους δέκτες κατά τη διάρκεια των μετρήσεων ή από το λογισμικό κατά τη διάρκεια του προγραμματισμού των μετρήσεων. GDOP για τη γεωμετρία PDOP για την ακρίβεια θέσης στο χώρο TDOP για την ακρίβεια στη μέτρηση του χρόνου HDOP για την ακρίβεια οριζόντιας θέσης VDOP για την ακρίβεια των υψομέτρων

36 Η γεωμετρία του σχήματος δορυφόρων - σημείου μέτρησης HDOP VDOP Καλό Κακό

37 Η κρυπτογράφηση του Ρ - κώδικα Από τον Νοέμβριο του 1993 οι δορυφόροι δεν εκπέμπουν τον P-κώδικα που είναι γνωστός, αλλά τον Υ - κώδικα η δομή του οποίου είναι άγνωστη. Έτσι δέκτες που μετρούσαν τον P- κώδικα δεν μπορούν να λειτουργήσουν. Η τεχνική αυτή λέγεται Anti-spoofing (AS). Οι διάφορες εταιρείες για να ξεπεράσουν το πρόβλημα αυτό ανέπτυξαν διάφορες τεχνικές, όπως τετραγωνισμός του σήματος ή η z - τεχνική που αντιμετωπίζουν το θέμα αυτό με αρκετή επιτυχία.

38 Η Επιλεκτική διαθεσιμότητα Η Επιλεκτική ιαθεσιμότητα (Selective Availability) είναι μια τεχνική κατά την οποία η ακρίβεια του C/A κώδικα μειώνεται σημαντικά εισάγοντας τεχνητά ένα σημαντικό σφάλμα στα ρολόγια των δορυφόρων. Αν εφαρμοσθεί η τεχνική αυτή οδηγεί σε σφάλματα απόλυτου προσδιορισμού της θέσης ενός σημείου της τάξης των 100 m. Η Επιλεκτική ιαθεσιμότητα εφαρμόσθηκε σε διάφορες περιπτώσεις, από το Μάιο του 2000, όμως, έχει αρθεί προς το παρόν η πιθανότητα εφαρμογής της. Σαν αποτέλεσμα, η ακρίβεια εντοπισμού που παρέχει το σύστημα GPS είναι της τάξης των m περίπου.

39

40

41

42

43 ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΦΟΡΤΙΩΝ

44 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΕΩΝ ΜΕ GPS ΚΑΙ ΡΟΜΠΟΤΙΚΟΥΣ ΓΕΩ. ΣΤΑΘΜΟΥΣ

45 ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΣ ΘΕΣΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΜΕΣΑ ΣΕ ΘΑΛΑΣΣΑ

46 Υ ΡΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΠΟΤΥΠΩΣΕΙΣ ΜΕ GPS KAI ECHO-SOUNDER

47

48

49 EM 3000 REALTIME SOFTWARE

50 EM 3000 REALTIME SOFTWARE

51 Ευχαριστώ πολύ για την Προσοχή σας