GPS és atomóra. Kunsági-Máté Sándor. Fizikus MSc 1. évfolyam

Átírás

1 GPS és atomóra Kunsági-Máté Sándor Fizikus MSc 1. évfolyam Informatikai eszközök fizikai alapjai, március 1. Eötvös Loránd Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Budapest

2 Történeti bevezető első műhold: Sputnik 1 két amerikai fizikus, William Guier és George Weiffenbach meghatározta az űrszonda pontos helyzetét a Doppler-effektus felhasználásával United States Navy - tengeralattjáróról indított Polaris rakéták esetében szükséges a tengeralattjáró helyzetének ismerete inverz probléma: a megfigyelő pozíciójának meghatározása TRANSIT: első műholdas navigációs rendszer

3 Történeti bevezető Timation műholdak: nagyon pontos órák űrbe helyezése (1974-ben első atomóra űrbe vitele) 1970-es évek - OMEGA navigációs rendszer khz frekvenciatartományban működő rendszer 5 különböző földi rádióállomás alkotta hálózat hajók és repülők helyzetmeghatározására volt alkalmas MOSAIC (MObile System for Accurate ICBM Control) "GPS koncepció születése" Kunsági-Máté Sándor GPS és atomóra március 1.

4 Global Positioning System (GPS/NAVSTAR) amerikai rádiónavigációs rendszer United States Air Force (USAF) üzemelteti 31 Föld körüli pályán keringő műhold km-es pályamagasság 6 különböző pályasík

5 Technikai adatok tömeg: 850 kg méret: kb. 6 méter a nyitott napelemekkel keringési idő: 11 óra 58 perc elhelyezkedés: 6 pályasík, egymáshoz képest 60 fokkal elforgatva, 55 fokos pályasík-elhajlás az egyenlítőhöz képest tervezett élettartam: 7.5 év

6 Alapok idő és a műhold helyzetének pontos ismerete atomórák a fedélzeten, melyek egymáshoz és a földi órákhoz vannak szinkronizálva az időbeli eltéréseket naponta korrigálják a műholdak folyamatosan küldik az aktuális idő és pozícióadatokat a GPS vevőnek legalább négy műholdra kell rálátnia a 3D pozíció meghatározásához

7 Alapok

8 Milyen jelet küld a GPS? a két legfontosabb frekvenciatartomány, amin sugároz: MHz, MHz (L1 és L2 jelek) ezt kódólják ún. pszeudo-random kóddal (PRN), mely minden műholdra egyedi

9 Milyen jelet küld a GPS? Coarse/Acquisition code: civil használatra (1.023 Mbit/s) Precision code: katonai célra (10.23 Mbit/s) ha valaki túl kíváncsi lenne a P-kódra, annak egy további ún. W-kóddal kell megbirkóznia, amivel a P-kódot modulálják...

10 Milyen jelet küld a GPS? L3 ( GHz): United States Nuclear Detonation Detection System: nukleáris detonációkat észlelnek és jelentenek L4 ( GHz): ionoszférára való korrekció miatt fontos L5 ( GHz): safety of life signal, még nagyobb pontosságot, és elérhetőséget fog biztosítani

11 Navigációs üzenet Pseudorandom code az adott műhold azonosítókódja, GPS idő, "egészségi állapota" Ephemeris data a műhold pozíciójának meghatározásához szükséges Almanac data a műholdak pályaadatait tartalmazza mindebből hogyan tudjuk meghatározni helyzetünket?

12 Egy kis matek - Trilateráció r 2 1 = x2 + y 2 + z 2 r 2 2 = (x d)2 + y 2 + z 2 r 2 3 = (x i)2 + (y j) 2 + z 2 ismert: r 1, r 2, r 3, i, j, d ezekből megvan x, y, z x = r2 1 r2 2 +d2 2d y = r2 1 r2 3 +i2 +j 2 2j i j x z = ± r1 2 x2 y 2 nem egyértelmű kell még egy gömb!

13 Trilateráció szemléletesen ha a tengerszinten vagyunk, akkor a negyedik gömb lehetne akár maga a földgömb is ha a magasságunkat is tudni akarjuk, akkor szükség van egy negyedik műhold távolságára

14 Miért is kell atomóra? távolság = fénysebesség * időkülönbség d = c t azt akarjuk, hogy d < 5m t = d/c 16ns nagyon pontos időmérés kell

15 Atomóra Lord Kelvin javasolja először az atomi átmenetek felhasználását az idő méréséhez az első cézium atomórát Louis Essen építi meg 1995-ben SI másodperc nemzetközileg elfogadott definícióját szolgálja chip méretű atomórák

16 Atomóra legpontosabb időmérő eszköz atomfizikán alapul energiaszintek közötti átmenet során kibocsátott mikrohullámú sugárzást kell detektálnunk

17 Atomóra E = hν Cézium-133: 9,192,631,770 oszcilláció másodpercenként minél közelebb vagyunk a rezonanciafrekvenciához, annál valószínűbb, hogy a rádiófrekvenciás tér átbillenti az atomok állapotát

18 Atomóra videó: The NIST-F2 Atomic Clock: How does it work?

19 GPS idő szinkronizáció minden műhold fedélzetén legalább 2 cézium atomóra foglal helyet az atomórák nincsenek szinkronizálva az UTC időhöz, ezért a navigációs üzenet tartalmazza a GPS idő - UTC idő különbséget (2017-ben ez kb. 18 másodperc) további korrekciók: Spec.rel.: műhold relatíve nagy sebessége miatt Ált.rel.: az erős gravitációs tér miatt

20 Alternatív rendszerek GLONASS (orosz) 4.5-7m pontosság, globális lefedettség, 19130km-es pályamagasság, 24 műhold GALILEO (európai) 1m (1cm) pontosság, globális lefedettség, 23222km-es pályamagasság, 30 műhold

21 Alternatív rendszerek BeiDou (kínai) 1m (0.1m) pontosság, lokális lefedettség, km-es pályamagasság (geoszinkron), 21 műhold IRNSS (indiai) 1m (0.1m) pontosság, lokális lefedettség, kb km-es pályamagasság (geoszinkron), 7 műhold animáció: Comparison satellite navigation orbits

22 Alternatív rendszerek Quasi Zenith Satellite System (QZSS) (japán) egyelőre csak 1 műhold a 3-ból, lokális lefedettség, m-es pontosság

23 Quasi Zenith Satellite System Miért kell ez a bonyolult pálya? elsődleges cél: GPS elérhetőségének növelése Japán nagyvárosaiban a felhőkarcolók miatt csak a nagyobb magasságban lévő műholdak esnek látóirányba másodlagos cél: pontosság és megbízhatóság növelése a GPS jeleivel kompatibilis jeleket küld nem kell nagy módosítás a már meglévő GPS vevőkön első generációs QZSS: Rb atomóra második generáció: atomóra nélkül!! a pontos időt a Földről fogja kapni animáció Kunsági-Máté Sándor GPS és atomóra március 1.

24 Hibaforrások Ionoszféra és troposzféra miatti késés a jel terjedési sebessége megváltozik beépített modell alapján korrigálnak erre az effektusra A jel többszörös útja magas épületekről, hegyekről való visszaverődés nagyobb műhold-megfigyelő távolság a valódinál

25 Hibaforrások A vevő órájának hibája a vevő órája sokkal pontatlanabb, mint a műhold atomórája Pályahibák a műhold által közölt pályaadat hibás lehet Látható műholdak száma minél több műhold esik látóirányba, annál pontosabb a helyzetmeghatározás

26 Hibaforrások Műholdak elhelyezkedése sokkal hatékonyabb a GPS működése, ha a műholdak egymáshoz képest nagy szögben helyezkednek el Szelektív elérhetőség az Amerikai Védelmi Minisztérium korlátozta a nagyon pontos GPS jelek elérhetőségét az "ellenség" számára (2000-ben megszüntették)

27 Hivatkozások [1] [2] [3] [4] korábbi évek diái

28 Köszönöm a figyelmet!