Οι σύγχρονες εξελίξεις στον προσδιορισμό θέσης με τα παγκόσμια δορυφορικά συστήματα πλοήγησης GNSS [Global Navigation Satellite Systems] Α. Φωτίου Χ. Πικριδάς ΑΠΘ - Τμήμα Αγρονόμων & Τοπογράφων Μηχανικών Τομέας Γεωδαισίας & Τοπογραφίας Επιστημονικό Συνέδριο: Η εξέλιξη των οργάνων, των μεθόδων και των συστημάτων μετρήσεων των επιστημών της αποτύπωσης στην Ελλάδα. Θεσσαλονίκη, 15-16 Απριλίου 2005 1
Σύντομη Ιστορική Αναδρομή Μέχρι τα τέλη του 19ου αιώνα: ο προσδιορισμός θέσης (απόλυτος και σχετικός) βασιζόταν κυρίως σε επίγειες μετρήσεις γωνιών και αποστάσεων προς διάφορα ουράνια σώματα (σελήνη, πλανήτες, αστέρες) και μεταξύ σημείων της γήινης επιφάνειας. Πρώτο ήμισυ του 20ου αιώνα: η χρήση ραδιοκυμάτων από επίγειους σταθμούς εκπομπής ανοίγει νέους ορίζοντες στην πλοήγηση με τα επίγεια συστήματα όπως τα LORAN-A και LORAN-C. Ακρίβεια: χαμηλή, μερικές εκατοντάδες μέτρα. Εμβέλεια: περιορισμένη προβάλλει η ιδέα ύπαρξης τεχνητών δορυφόρων. 2
Η επανάσταση Τεχνητοί δορυφόροι Δορυφορική Γεωδαισία [ 1960..] 1957: εκτόξευση του πρώτου τεχν. δορυφόρου Sputnik 1, με μέγεθος όσο μια μπάλα και βάρος 80 Kg (Σ. Ένωση). Δεκαετία 60: τα πρώτα δορυφορικά συστήματα πλοήγησης: TRANSIT, TIMATION, SECOR (ΗΠΑ) και PARUS, TSIKADA, TSYKLON (Σ. Ένωση). Δεκαετίες 70 & 80: GPS (ΗΠΑ), GLONASS (Σ. Ένωση). Τελευταία χρόνια: η ΕSA και η Ευρ. Ένωση με τα EGNOS, GALILEO, η Ιαπωνία με το ΜSAS και η Κίνα με το BEIDOU. 3
Το πρώτο παγκόσμιο δορυφορικό σύστημα TRANSIT [1959 έως 1996 ] Παροχή 2-Δ στίγματος. Για 3-Δ, ο χρήστης πρέπει να γνωρίζει το υψόμετρο. Μετρήσεις Doppler, μικρή κάλυψη στο 24ωρο. Μεγάλο χρονικό διάστημα παρατήρησης. Μικρή ανθεκτικότητα σε άσχημες καιρικές συνθήκες και παρεμβολές. Ακρίβεια 35 100 m με καλές συνθήκες. 4
Το Παγκόσμιο Δορυφορικό Σύστημα NAVSTAR GPS [ NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System ] Μέχρι σήμερα, το πλέον αξιόπιστο και λειτουργικό σύστημα. Σύστημα παντός καιρού, 24ωρης κάλυψης, υψηλής ακρίβειας (μερικά mm στη σχετική έως μερικά m στην απόλυτη). Επιπλέον, παρέχει ακριβή χρόνο και ταχύτητα. Πλήθος πολιτικών εφαρμογών (εκτός από στρατιωτικές). Ελέγχεται από το Υπουργείο Άμυνας των ΗΠΑ. 5
Δορυφορικός σχηματισμός GPS Τυπικά 24 δορυφόροι, σήμερα 30 11 μόνιμοι σταθμοί συνεχούς παρακολούθησης. 6
Αρχή Προσδιορισμού Θέσης με τα GNNS [ πλευρική οπισθοτομία τριπλευρισμός: τομή σφαιρών ] Τελικά απαιτούνται 4 δορυφόροι για τη θέση (στίγμα) Βασικός σκοπός η πλοήγηση, με ακρίβεια (σήμερα) της τάξης των 15 μέτρων (μόνο με ένα δέκτη). 7
Το Ρωσικό σύστημα GLONASS [GLobal Orbiting NAvigation Satellite System] GLObal naya NAvigationnaya Sputnikova Sistema Παρόμοιο με το GPS, πλήρη λειτουργία? ( έχει επικρατήσει το GPS). Εξελίσσεται πρόγραμμα αναπλήρωσης (2002-2012) του δορυφορικού σχηματισμού. Σήμερα 24 8
Απλοί Δέκτες GPS (χειρός) Εύκολη μέτρηση στους κώδικες. Απλός χειρισμός Χαμηλό κόστος αγοράς ( από 200 έως 1500 ) Εφαρμογές: κυρίως πλοήγηση 9
Γεωδαιτικοί δέκτες GPS Δύο κατηγορίες: Μίας και Δύο συχνοτήτων, Μετρήσεις κώδικα και φάση. Κόστος, από 4 000 έως 20 000 το ζεύγος. Εφαρμογές: σχετικός προσδιορισμός θέσης υψηλής ακρίβειας ( γεωδαιτικά δίκτυα, τοπογραφικές αποτυπώσεις, χαράξεις.) Ακρίβεια εφαρμογών της τάξης του 1 cm! 10
GPS πλοήγηση Ο άμεσος υπολογισμός στίγματος κάτω από οποιεσδήποτε καιρικές συνθήκες άνοιξε νέο πεδίο εφαρμογών και δυνατοτήτων σε κάθε τύπο πλοήγησης ΣΤΕΡΙΑ ΘΑΛΑΣΣΑ AΕΡΑ 11
GPS αναψυχή, ασφάλεια 12
Συνδυασμός GPS με GIS Ανάπτυξη ποικίλων λογισμικών πλοήγησης σε συνεργασία με Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών 13
Δίκτυα GPS - Αποτυπώσεις Δεν απαιτείται ορατότητα μεταξύ των σημείων, μετρήσεις μέρα και νύχτα, αποτελέσματα υψηλής ακρίβειας, ομοιογένεια στην ακρίβεια, ίδρυση σημείων με εύκολη πρόσβαση, ταχύτητα και οικονομία, αλλαγή στον κλασικό τρόπο μέτρησης, αποστάσεις μεταξύ σημείων μέχρι και εκατοντάδες km,. Ακρίβεια της τάξης του 1 2 cm. Περιορισμός χρήσης GPS σε έντονα δομημένες περιοχές. 14
Μελέτη μικρομετακινήσεεων γήινου φλοιού, γεφυρών, φραγμάτων 15
Ο ρόλος της Διεθνούς Γεωδαιτικής Κοινότητας IAG (International Association of Geodesy): προσπάθεια για οργανωμένη παρακολούθηση των δορυφόρων και υπολογισμό των τροχιών τους μέσω δικτύων μονίμων σταθμών GPS. Η προσπάθεια ολοκληρώθηκε το 1994 με την ίδρυση της Διεθνούς Υπηρεσίας IGS (International GPS Service) η οποία παράγει και διαθέτει προϊόντα GPS υψηλής ακρίβειας. 16
Tο Παγκόσμιο Δίκτυο της IGS Μέχρι σήμερα 385 μόνιμοι σταθμοί GPS που συνεχώς αυξάνονται 17
Tο Ευρωπαϊκό Δίκτυο EUREF [Η Ελλάδα συμμετέχει με 7 μόνιμους σταθμούς] 18
Μόνιμοι σταθμοί GPS Ο Σταθμός ΑUΤ1 του Τομέα Γεωδαισίας και Τοπογραφίας EPN-AUT1, ΘΕΡΜΗ/Θεσ/νικης 19
EPN-LARM, Λάρισα EPN-DUTH, ΞΑΝΘΗ 20
GREV, Περιφέρεια Ν. Γρεβενών VERI, Εγκαταστάσεις ΑΠΘ στην Βέροια Ν. Ημαθίας 21
22
Παροχή προϊόντων GPS - GNSS Προϊόντα της IGS: Ακριβείς δορυφορικές τροχιές (ακρίβειας μέχρι 5 cm) Μοντελοποίηση των δορυφορικών χρονομέτρων Ακριβείς 3-Δ συντεταγμένες των μόνιμων σταθμών Μοντελοποίηση ατμοσφαιρικών παραμέτρων και χαρτογράφηση της ιονόσφαιρας Συνεχής συμβολή στην υλοποίηση συστημάτων αναφοράς (ITRFyy) και συνεργασία με διαστημικά προγράμματα και αποστολές. 23
Μέθοδοι βελτίωσης της ακρίβειας Με τον σχετικό προσδιορισμό, εκ των υστέρων ή σε real time: Δύο τουλάχιστον δέκτες που μετρούν ταυτόχρονα, ακρίβεια της τάξης του 1m (μετρήσεις κωδίκων) ή της τάξης του 1 cm (μετρήσεις φάσης). Με τη βοήθεια ενεργών δικτύων (Active Networks) καταγραφής - εκπομπής δεδομένων GPS όπως: το SWIPOS το SWEPOS το SATREF το SAPOS στην Ελβετία, στη Σουηδία, στη Νορβηγία στη Γερμανία. Η Ελλάδα σχεδιάζει το HEPOS (HEllenic POsitioning Service), αναμένεται να ολοκληρωθεί το 2007. 24
Προσδιορισμός Θέσης με χρήση εικονικών σταθμών αναφοράς - VRS (Virtual Reference Stations) 25
Σχετικός προσδιορισμός με εκπομπή δεδομένων GPS από γεωστάσιμους δορυφόρους Σχεδιάστηκε για τις ανάγκες των μεταφορών (Επίγειες-Θαλάσσιες- Εναέριες). Σημαντική βελτίωση της ακρίβειας, της τάξης του 1 5 m για χρήστες που διαθέτουν απλούς δέκτες χειρός. WAAS ( ΗΠΑ, Καναδά και Μεξικό) ΕGNOS ( Ευρώπη, Αφρική) ΜSAS ( Ιαπωνία, Αυστραλία, Χαβάη) SNAS ( Kίνα και γείτονες Ασιατικές χώρες) Στην Ευρώπη τα τελευταία χρόνια η μετάδοση των δεδομένων EGNOS γίνεται και μέσω του διαδικτύου. Πρόγραμμα SISNeT. (Signal in Space through the Internet) 26
Η πολιτική χρήση του GPS Πλοήγηση Οχημάτων 2% 2% 5% 16% 5% 13% 35% 22% Ευρύτεροι Χρήστες Παρακολούθηση Στόλου Οχημάτων Βιομηχανικές Εφαρμογές Τοπογραφία Χαρτογραφία Αεροπλοοία Ναυτιλία Στρατιωτικοί Χρήστες Τεράστιο όφελος για τις βιομηχανίες κατασκευής δεκτών. Το έτος 2000 οι χρήστες του συστήματος GPS ήταν περισσότεροι από 1.5 εκατομ. ανεβάζοντας την οικονομική αξία σε μία τάξη των 5 δισ. ευρώ, ενώ το 2015 θα φτάσει τα 40 δισ. ευρώ. 27
Το Ευρωπαϊκό σύστημα GALILEO Οι εκτοξεύσεις των πρώτων δορυφόρων αναμένεται να ολοκληρωθούν μέχρι τα τέλη του 2005 ενώ το σύστημα θα είναι πλήρως επιχειρησιακό στις αρχές του 2008. 28
To Ευρωπαϊκό δορυφορικό σύστημα GALILEO H Ευρωπαϊκή Ένωση μέσω της ESA (European Space Agency) ετοιμάζει το δικό της δορυφορικό σύστημα πλοήγησης. Ελεύθερο προς χρήση σε όλους τους πολίτες (χωρίς κρυφούς κώδικες και στρατιωτικό έλεγχο). Μεγαλύτερη ακρίβεια / αξιοπιστία από το GPS και το GLONASS. Το πρώτο πολιτικό και εναλλακτικό σύστημα σε σχέση με το GPS και GLONASS. Συνεργάσιμο με το GPS. 29
Ποιο θα είναι το επόμενο Δορυφορικό Σύστημα Πλοήγησης το 2020 2025? Γενικά η επιστημονική πρόγνωση είναι μία επικίνδυνη εργασία. Ας θυμηθούμε τι είπαν ορισμένοι διάσημοι Ευρωπαίοι και Αμερικανοί επιστήμονες 30
Μηχανές βαρύτερες του αέρα είναι αδύνατον να πετάξουν. Lord Kelvin, Πρόεδρος Βασιλικής Ακαδημίας, 1895 Τα αεροπλάνα είναι ενδιαφέροντα παιχνίδια, αλλά χωρίς στρατιωτική αξία. M. Foch, Καθηγητής Στρατηγικής, 1908 Δεν υπάρχει πιθανότητα να δαμάσει ποτέ ο άνθρωπος τη δύναμη του ατόμου. R. Millikan,Βραβείο Νόμπελ φυσικής, 1923 Ελπίζω οι προβλέψεις για το μέλλον των Δορυφορικών Συστημάτων Πλοήγησης να είναι λίγο πιο ακριβής. 31