Satelitski navigacioni sistemi GPS

Visoka škola elektrotehnike i računarstva strukovnih studija Studijski program: Specijalističke strukovne studije Elektronika i Telekomunikacije Predmet: SATELITSKI KOMUNIKACIONI SISTEMI Nastavnik: Hana Stefanović Kabinet: 508 E-mail: hanapopstefanovic@yahoo.com, hana@viser.edu.rs Nastavna jedinica: Satelitski navigacioni sistemi GPS Beograd 2012.

Satelitski navigacioni sistemi GPS

Uloga satelitskih navigacionih sistema - SNS Prvobitna namena SNS isključivo u vojne svrhe Razvoj tehnike, povećanje tržišta, ekonomski razlozi i pojeftinjenje elektronskih uređaja uslovljavaju primenu SNS i u civilne svrhe Današnji SNS sastavni deo opreme aviona, brodova, automobila, mobilnih telefona, biciklova, ručnih satova... Najpoznatiji i najčešće korišćen SNS je GPS (Global Positioning System sistem za globalno pozicioniranje) Postoje i drugi SNS, zasnovani na sličnim principima kao GPS, kao što su GLONASS i GALILEO GPS sistem za određivanje pozicije koji obezbeđuje svojim korisnicima tačnu i kontinualnu informaciju o trodimenzionalnoj poziciji i brzini GPS takođe obezbeđuje vremensku sinhronizaciju svih korisnika sa GPS sistemskim vremenom, koje je predstavljeno kao univerzalno vreme (Coordinated Universal Time UTC)

Osnovni principi navigacije Osnovni princip navigacije je merenje udaljenosti ili uglova između merne tačke i odgovarajućih referentnih (prirodnih ili veštačkih) objekata Zvezdana navigacija podrazumeva merenje uglova između merne tačke i zvezda kao referentnih objekata Satelitska navigacija podrazumeva merenje udaljenosti i vremena potrebnog da signal sa satelita stigne do merne tačke koncept one-way Time of Arrival (TOA) rang GPS koncept merenja vremena prostiranja signala od jedna do druge tačke u prostoru (TOA), pri čemu se na osnovu izmerenih rastojanja od nekoliko satelita čije su lokacije poznate, određuje pozicija prijemnika

Hronologija razvoja SNS Transit US NAVY, 1960 počeci satelitske navigacije. Sateliti u polarnim orbitama, na visini 1100 km (mali broj satelita, niska orbita), određivanje pozicije na osnovu primljenih satelitskih efemerida i merenjem Doplerovog pomaka signala, namenjen korisnicima na moru. Sistem korišćen za 2D navigaciju, uz mogućnost određivanja pozicije jednom u 110 min na ekvatoru, odnosno jednom u 30 min na 80. Vreme potrebno za procesiranje iznosilo je 10-15 min, što je bilo neefikasno za korisnike koji se kreću velikim brzinama. Tačnost je iznosila oko 500 m, a kontinualna navigacija nije moguća. Program je ugašen 1996.god. Tsikada Ruski sistem slinih karakteristika kao Transit Timation US NAVY, aktiviran početkom 70-tih, precizno merenje vremena upotrebom kvarcnih, a kasnije i atomskih časovnika. Projekat 621B US AIR FORCE, sateliti u inkliniranoj visoko ekscentričnoj orbiti, sa periodom 24 h, slanje poruke o poziciji satelita i tačnom vremenu, uz primenu tehnike prenosa u proširenom spektru

Razvoj GPS-a Razvojna faza GPS-a vezuje se za period 1964-1978.g., što je vreme razvoja dva nezavisna projekta od strane mornarice i ratnog vazduhoplovstva SAD. Sličnost ciljeva i planirane konkretne realizacije ovih projekata uslovljavaju razvoj novog zajedničkog projekta NAVSTAR/GPS Ciljevi NAVSTAR/GPS: uspostavljanje mreže od 24 satelita koji će orbitirati na visini od 20000 km, pri čemu svi sateliti emituju signale na istim učestanostima, a obradom signala na mestu prijema vrši se određivanje koordinata prijemne tačke Praktična realizacija projekta počinje 1978.g., kada je lansiran prvi satelit ove mreže, a sistem postaje potpuno operativan 1995.g. (završeno lansiranje i projektovanje kosmičkog, zemaljskog i korisničkog segmenta) Procenjuje se da je u u razvoj sistema uloženo oko 10 milijardi dolara, a godišnje održavanje sistema košta oko 300-500 miliona dolara

Arhitektura GPS sistema Kosmički (svemirski ili prostorni) segment Zemaljski (kontrolni) segment Korisnički segment

Arhitektura GPS sistema kosmički segment Kosmički segment čine 24 satelita pozicionirana u MEO orbiti, na visini 26560 km Sateliti su raspoređeni u 6 orbitalnih ravni, sa po 4 satelita u svakoj orbitalnoj ravni, inlinacija orbitalnih ravni je 55, sa međusobnim razmakom 60 po geografskoj dužini Perioda svakog satelita je 12 h (11h i 58 min polovina sideričkog dana), tako da se jedan satelit nalazi na istoj poziciji dva puta u toku dana Povećanje konfiguracije na 27, pa na 30 satelita (sa inicijalnom funkcijom rezerve u orbiti) Predviđeni životni vek GPS satelita je oko 10 godina Za određivanje pozicije potrebno je da prijemnik primi signale sa 4 satelita istovremeno U cilju obezbeđivanja tačne frekvencije i vremena emitovanja signala, sateliti su opremljeni sa po dva cezijumska i dva rubidijumska časovnika

Izgled kosmičkog segmenta

Izgled GPS satelita

Orbite GPS satelita Svaki GPS satelit ima dva orbitalna prolaska u toku dana 27 GPS satelita (24+3)

Uslov preciznog određivanja pozicije istovremeni prijem signala sa 4 satelita Satelitska konstelacija je tako konfigurisana da u bilo kom trenutku vremena i na bilo kom mestu na Zemlji, obezbeđuje u vidnom polju korisnika minimalno 4 satelita

Karakteristike GPS satelita starije i novije generacije Sateliti starije generacije: Navigation Technology Satellites (program Timation) Block I, 1978-1985.g. Block II, 1989.g. Block IIA, 1990.g. Block IIR, 1996.g. Block IIF, 2004.g. Sateliti su stabilisani u tri ose i koriste solarno napajanje Sateliti novije generacije: Imaju povećanu autonomiju u odnosu na zemeljske kontrolne stanice (Block II sateliti imaju autonomiju 14 dana, nakon čega greška iznosi 161.1 m, dok je pri dnevnoj kontroli 5.5 m, Block IIR imaju autonomiju 180 dana nakon čega greška iznosi 7.4 m) Redundantni atomski časovnici Duži životni vek

Arhitektura GPS sistema zemaljski segment Zemaljsku komponentu čini 5 kontrolnih monitoring stanica (koje se nalaze na ostrvima Asunsion, Dijego Garsija, Havaji, Kvajlein i u Kolorado Springsu, i glavna kontrolna stanica nalazi u vazduhoplovnoj bazi Šrajver (bivša baza Falcon) u Koloradu Glavna kontrolna stanica obavlja praćenje i monitoring funkcija satelita, potrebne proračune i snabdevanje satelita potrebnim podacima Glavna kontrolna stanica na osnovu podataka dobijenih od monitoring stanica vrši proračune za određivanje satelitskih efemrida i korekciju grešaka atomskih satelitskih časovnika i formira satelitsku navigacionu poruku almanah Podatak o poziciji GPS satelita (ephemeris) i parametri sistemskog vremena se: šalju ka GPS satelitima koriste za formiranje navigacione poruke, koju će satelit emitovati ka krajnjim korisnicima

GPS - monitoring Položaj glavne i kontrolnih stanica

Veza između zemaljskog i kosmičkog segmenta Interfejs između zemaljskog i kosmičkog segmenta obezbeđuju 4 komunikacione stanice (Upload Station ULS) Poruka koju za svaki satelit pripremi glavna kontrolna stanica i koju komunikacione stanice ULS emituju, osim navigacionog dela sadrži i deo koji se odnosi na telemetriju, praćenje i upravljanje Komuniukacija ka satelitima (uplink) realizovana je u S frekvencijskom opsegu

Arhitektura GPS sistema korisnički segment Korisnički segment obuhvata sve korisnike informacija (fizička lica ili sredstva koje poseduju GPS prijemnik) koje sistem obezbeđuje Korisnički segment čine dve celine: uređaji razvijani za vojne namene i uređaji razvijani za civilnu (komercijalnu) upotrebu Principi rada uređaja iz obe grupe su isti, s tim što se uređaji razlikuju po tehničkoj realizaciji, stepenu tačnosti podataka i ceni Uređaji za vojne namene su precizniji, imaju integrisane sisteme za zaštitu podataka, što ih takođe čini i skupljim

Funkcije korisničkog segmenta Korisnički segment čine GPS antena i prijemnik, specifično dizajniran za prijem, dekodovanje i procesiranje koda za merenje rastojanja i navigacione poruke, koji su sadržani u satelitskom GPS signalu GPS sateliti emituju GPS signale na dve frekvencije: L1 1545.42 MHz L2 1227.6 MHz, korišćenjem višestrukog pristupa na bazi CDMA Svaki od GPS satelita emituje signale na ovim frekvencijama, ali sa različitim kodovima za merenje rastojanja (ranging codes) Kod za merenje rastojanja koristi se za merenje vremena prostiranja signala od satelita do korisnika, na osnovu čega prijemnik vrši procenu rastojanja satelit-korisnik

Časovnik GPS prijemnika Ako su časovnik na satelitu i časovnik GPS prijemnika vremenski sinhronizovani, određivanje korisničke pozicije može se izvršiti na osnovu merenja rastojanja od korisnika do tri različita satelita Zbog smanjenja cene, kompleksnosti izrade i gabarita GPS prijemnika, njegov časovnik nije perfektno sinhronizovan sa sistemskim vremenom Zbog toga je, da bi se tačno odredili geografska širina, geografska dužina i nadmorska visina korisnika, kao i odstupanje časovnika GPS prijemnika od sistemskog vremena, potrebno izvršiti četiri merenja rastojanja (od korisnika do četiri različita satelita) Uvođenjem kompenzacije veličine odstupanja časovnika GPS prijemnika od sistemskog vremena smanjuje se greška pri određivanju lokacije korisnika

Usklađivanje časovnika GPS prijemnika GPS sateliti imaju po četiri atomska časovnika, koji nisu usklađeni sa vremenskim zonama na Zemlji, nego se njihovo međusobno usklađivanje vrši iz zemaljskih kontrolnih stanica Bilo bi ekonomski neisplativo postaviti atomske časovnike u svaki GPS prijemnik, zbog čega se umesto atomskih časovnika za GPS prijemnike koriste kristalni oscilatori koji imaju vrlo stabilnu frekvenciju oscilovanja Pošto je tačnost atomskih časovnika mnogo veća, potrebno je izvršiti uskalđivanje časovnika na prijemniku i satelitu Primer: ako je vremenski ofset GPS prijemnika 10 ms, i ako se ne vrši usklađivanje časovnika, greška u određivanju rastojanja bi iznosila ~3000 km. Nakon usklađivanja časovnika ova greška se smanjuje na ~50 m. Kao referentni satelit za usklađivanje časovnika koristi se četvrti satelit, sa čijim se časovnikom vrši usklađivanje časovnika prijemnika

Servisi usluga GPS-a GPS obezbeđuje dva servisa usluga: Servis standardne tačnosti određivanja pozicije (Standard Positioning Service SPS) Servis koji obezbeđuje veliku tačnost određivanja pozicije (Precise Positioning Service PPS) SPS je namenjen za civilne potrebe, a PPS prvenstveno za vojne i potrebe posebnih agencija vlade SAD PPS usluge mogu da koriste samo povlašćeni korisnici koji imaju kriptozaštitne uređaje, čiju upotrebu dozvoljava američka vlada SPS servis je dostupan svim korisnicima širom sveta i ne postoje nikakva ograničenja u pogledu korišćenja ovog servisa Moguće je izvršiti degradaciju tačnosti ovih usluga upotrebom opcije selektivne dostupnosti (SA Selective Availibility). Upotreba ove opcije je u nadležnosti američkog ministarstva odbrane, a ova opcija se od 2000.g. ne koristi, s tim što ministarstvo zadržava pravo da izvrši njeno aktiviranje u slučaju ugrožavanja nacionalne bezbednosti

Tačnost SPS i PPS PPS obezbeđuje tačnost od najmanje 22 m (2 drms ili 95%) u horizontalnoj ravni i 27.7 m (95%) u vertikalnoj ravni Veličina drms (Distance Root Mean Square) predstavlja osnovnu veličinu koja se koristi u navigaciji. Dvostruka vrednost drms (2 drms) označava poluprečnik kruga unutar kojeg će se nalaziti najmanje 95% svih dobijenih izmerenih vrednosti PPS obezbeđuje tačnost prenesenog UTC vremena 200 ns (95%) u odnosu na vreme koje obezbeđuje U.S. Naval observatorija (USNO) Tačnost merenja brzine je 0.2 m/s SPS obezbeđuje tačnost od 100 m (95%) u horizontalnoj ravni i 156 m (95%) u vertikalnoj ravni, dok je tačnost prenesenog UTC vremena 340 ns (95%) Oba servisa omogućavaju određivanje pozicije u tri dimenzije, a u zavisnosti od softvera koji je implementiran u prijemnik moguće je odrediti brzinu kretanja prijemnika i iscrtati promenu pozicije na karti

Određivanje 2D pozicije korisnika merenje u odnosu na jedan satelit Ako korisnik ima GPS prijemnik čiji je časovnik vremenski sinhronizovan sa satelitskim časovnikom i ako satelit emituje tačnu informaciju o svojoj poziciji, korisnik može tačno da odredi vremenski interval prostiranja signala od satelita do prijemnika, na osnovu poznatog trenutka emitovanja signala sa satelita Ako korisnik vrši merenje u odnosu na samo jedan satelit, skup mogućih pozicija korisnika nalazi se na kružnici poluprečnika R1, pri čemu je R1 izmereno rastojanje od satelita do korisnika

Određivanje 2D pozicije korisnika merenje u odnosu na dva satelita Ako korisnik na isti način vrši merenje rastojanja od dva satelita, tada će se u preseku dve kružnice poluprečnika R1 i R2 nalaziti moguća pozicija korisnika, pri čemu R1 predstavlja rastojanje od prvog, a R2 od drugog satelita Pozicija korisnika još uvek nije jednoznačno određena, ali je skup mogućih rešenja značajno smanjen (na dve tačke)

Određivanje 2D pozicije korisnika merenje u odnosu na tri satelita Problem nejednoznačnosti rešava se uvođenjem merenja rastojanja od trećeg satelita U preseku tri kružnice nalazi se jedino moguće rešenje, koje predstavlja jednoznačno određenu poziciju korisnika

Kompenzacija vremenske sinhronizacije Realno časovnik GPS prijemnika i časovnik na satelitu nisu sinhronitovani Ako časovnik GPS prijemnika prednjači u odnosu na satelitski časovnik za t, izmereni vremenski interval prostiranja signala od satelita do korisnika postaje uvećan za t, a ako su časovnici svih satelita perfektno sinhronizovani nekorektnost merenja vremenskog intervala prostiranja signala od svakog satelita biće ista Na osnovu prisutne greške merenja vremenskih intervala javlja se greška u proceni rastojanja satelit-korisnik Ako su greške merenja vremenskih intervala prostiranja od pojedinih satelita do korisnika iste, i greške u proceni rastojanja satelit-korisnik biće takođe iste Usled toga pojavljuju se i dodatne greške preseka kružnica, koje su u funkciji odstupanja časovnika GPS prijemnika Kompenzacija veličine odstupanja časovnika GPS prijemnika može značajno smanjiti grešku određivanja lokacije prijemnika

Greške u proceni određivanja pozicije usled odstupanja časovnika GPS prijemnika Pojava dodatnih tačaka presecanja kružnica

Slučajne greške u proceni pozicije korisnika U realnim situacijama, čak i ako je časovnik GPS prijemnika usklađen sa sistemskim vremenom, pojavljuju se greške merenje vremenskih intervala prostiranja signala od satelita do prijemnika usled: Uticaja atmosfere na prostiranje GPS signala Pojeve višestrukih propagacija GPS signala Usled slučajnih grešaka merenja rastojanja (ε 1, ε 2, ε 3 ) od pojedinih satelita do korisnika, kružnice nemaju jedinstvenu presečnu tačku koja bi definisala položaj korisnika, nego se formira presečna oblast unutar koje se nalazi tačna pozicija korisnika

Određivanje 3D pozicije korisnika merenje u odnosu na jedan satelit Ako vremenski sinhronizovan GPS prijemnik prima signal sa jednog od satelita (uz pretpostavku da su svi časovnici na satelitima vremenski sinhronizovani), prijemnik izračunava vremenski interval prostiranja signala od satelita do korisnika Pozicija korisnika nalazi se negde na površini sfere u čijem se centru nalazi satelit

Određivanje 3D pozicije korisnika merenje u odnosu na dva satelita Ako se izvrši merenje i sa drugog satelita, pozicija korisnika nalazi se na kružnici koja je u ravni presecanja dve sfere Ako se sfere dodiruju, pozicija korisnika je u tački u kojoj postoji tangenta na obe sfere Slučaj dodirivanja sfera je atipičan i moguć je samo u slučaju kada je pozicija korisnika kolinearna sa satelitom, što se skoro nikad u praksi ne dešava

Određivanje 3D pozicije korisnika merenje u odnosu na tri satelita Uključivanjem merenja sa još jednog satelita, pozicija korisnika se još preciznije određuje Pozicija korisnika u ovom slučaju nalazi se u jednoj od dve tačke nastale presecanjem kružnice sa površinom treće sfere

Određivanje 3D pozicije korisnika merenje u odnosu na četiri satelita Jednoznačno određivanje pozicije moguće je uključivanjem merenja sa četvrtog satelita, u kom slučaju je pozicija korisnika definisana jedinstvenom presečnom tačkom

Ilustracija uticaja broja GPS satelita sa kojih se šalju podaci na preciznost merenja

Jednoznačno određivanje 3D pozicije na osnovu podataka sa četiri satelita

Princip rada GPS uređaja Osnovni zahtev za precizno određivanje pozicije prijemnika je prijem signala sa minimalno četiri satelita (merenja sa tri satelita potrebna su za određivanje geografske širine, geografske dužine i nadmorske visine, a sa četvrtog zbog korekcije grešaka koje se javljaju kao posledica nesinhronizovanosti GPS vremena i sistemskog vremena) Obradom prijemnih signala sa svakog satelita prijemnik određuje rastojanje od svakog od njih (pošto su pozicije satelita poznate, na osnovu procenjenih rastojanja određuje se pocizija korisnika) Rastojanja satelit-prijemnik određuju se na osnovu merenja vremenskog intervala koji je potreban za propagaciju GPS signala (brzina kretanja EM talasa jednaka je brzini svetlosti) do prijemnika Prijemniku je neophodan podatak o tačnom vremenskom trenutku kada je signal emitovan sa satelita i podatak o sinhronizaciji sa internim satom satelita

Matematička postavka određivanja pozicije pomoću GPS-a ECEF koordinatni sistem Koordinatni sistem u kome se vrši određivanje pozicije zove se ECEF (Earth Centered Earth Fixed) sistem U koordinatnom početku ECEF sistema nalazi se središte Zemlje, Z osa prolazi kroz Severni pol, a X i Y ose su smeštene u ekvatorijalnoj ravni, pri čemu X osa prolazi kroz Grinič, a Y osa kroz meridijan koji označava 90 istočne geografske duđine Koordinate prijemnika predstavljene su uređenim parom (U x, U y, U z ), a svaki od satelita ima koordinate određene sa (X i, Y i, Z i ), i=1,2,3,4. Koordinate satelita određuju se iz navigacione poruke koju sateliti periodično šalju Izmerena daljina do svakog satelita naziva se pseudodaljina (jer se procenjuje na osnovu časovnika GPS prijemnika) i označava se sa (PR) i Pseudodaljina se određuje kao proizvod vremena T i potrebnog da signal sa i-tog satelita stigne do prijemnika i brzine svetlosti c Da bi se odredila tačna vrednost daljine, potrebno je vrednost pseudodaljine korigovati za vrednost τc, gde je τ greška časovnika GPS prijemnika (vremenski ofset)

Matematičko određivanje pozicije Na osnovu određivanja rastojanja između dve tačke A i B u pravouglom koordinatnom sistemu 2 2 2 2 R = ( X A XB) + ( YA YB) + ( ZA ZB) može se napisati sistem jednačina: ( X U ) + ( Y U ) + ( Z U ) = ( PR τc) 2 2 2 2 1 X 1 Y 1 Z 1 ( X 2 UX ) + ( Y2 UY) + ( Z2 UZ) = ( PR2 τc) ( X 3 UX ) + ( Y3 UY) + ( Z3 UZ) = ( PR3 τ c) ( X U ) + ( Y U ) + ( Z U ) = ( PR τc) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 X 4 Y 4 Z 4 Rešavanjem sistema 4x4 određuju se koordinate prijemnika (geografska širina, geografska dužina i nadmorska visina), kao i vrednost ofseta Greška tipično iznosi ~30 m (upotrebom jeftinih komercijalnih uređaja), a na vrednost greške utiču brojni faktori