A távérzékelésről. A műholdas helymeghatározás GPS

Átírás

1 A távérzékelésről. A műholdas helymeghatározás GPS

2 A térbeli adatok meghatározása elsődleges geometriai adatnyerési eljárások, másodlagos adatnyerési eljárások

3 Az elsődleges térbeli adatok meghatározása A térbeli adatokat a földfelszínen található természeti képződményekről, mesterséges létesítményekről mérési eljárással nyerjük. Ezek az eljárások a következők: -földi geodéziai eljárások, -mesterséges holdakon alapuló helymeghatározások, -fotogrammetriai módszerek, -távérzékelés

4 Az elsődleges térbeli adatok meghatározása például PASSZÍV AKTÍV

5 GPS A GPS (Global Positioning System) Globális Helymeghatározó Rendszer, az Amerikai Egyesült Államok DoD (Departement of Defence) Védelmi (Elhárítási) Minisztériuma által (elsődlegesen katonai célokra) kifejlesztett és üzemeltetett - a Föld bármely pontján, a nap 24 órájában működő - műholdas helymeghatározó és navigációs rendszer

6 Alkalmazás előnyei A rendszer előnye, hogy független: időjárástól napszaktól légköri viszonyoktól földfelszín feletti magasságtól mozgási sebességtől (a műszerrel akár vadászgépen is mérhetünk)

7 Hogyan működik a GPS? A rendszer felépítése: 24 db, 12 órás keringési idejű műholdból (6 pályasíkon egymáshoz képest 60 fokkal elforgatva, az Egyenlítőhöz viszonyított pályaelhajlás 55 fok), 5 db földi ún. monitor állomás, 4 feltöltő és 1 központi vezérlő GPS vevőberendezés, amelyből számtalan lehet, a Föld bármely pontján

8 Hogyan működik a GPS? A műholdas helymeghatározó rendszer gyakorlatilag egy egyszerű időmérésből kiszámított távolságmérésen alapul. Mivel ismerjük a rádióhullámok terjedési sebességét, ha van két nagyon pontos óránk, és ismerjük a rádióhullám kibocsátásának és beérkezésének idejét, ezek alapján meghatározhatjuk a forrás távolságát. Egyszerű, de mégsem

9 A helymeghatározáshoz 4 műhold szükséges

10 A műholdak alapvető funkciói a következők: A kontroll állomások által kisugárzott információk vétele és tárolása. Korlátozott mértékű adatfeldolgozás. Igen pontos időszolgáltatás oszcillátorok segítségével. Minden műholdon 2 cézium és 2 rubidium oszcillátor van, melyek stabilitása /nap /nap. A 4 atomi etalon közül a földi állomás parancsára bármelyik kiválasztható fő oszcillátorrá. A műholdakon az atomi oszcillátorok által generált alapfrekvencia: f 0 = 10,23 MHz. Ezekből állítják elő a két L-sávú vivőfrekvenciát: Ezeket a frekvenciákat különböző kódokkal modulálják, amelyek segítségével a felhasználók távolság meghatározást végezhetnek, a modulációval közvetített pályainformációkból. A felhasználók felé információk küldése. A rendszerfenntartók parancsára kontrollált manőverezés végrehajtása

11 Hogyan működik a GPS? A műholdaknak a vevőkészüléktől való távolsága a műholdak által kisugárzott jelek beérkezési idejéből számítható ki (sebesség x idő = távolság). A rádióhullámok terjedési sebessége miatt nagyon pontos időmérésre van szükség. Ha a mérendő műhold zenitben van, akkor kb másodperc alatt ér le a mérő jel róla, gyakorlatilag tehát a vevő mérő órájának sec pontossággal kell mérnie a cm-es mérési pontosság eléréséhez

12 Hogyan működik a GPS? Adódik egy másik probléma is, nevezetesen: ismernünk kell a kibocsátott mérőjel indulásának időpontját. A fejlesztők ezt a problémát úgy oldották meg, hogy mind a műhold, mind a vevő ugyanazt a jelet generálja szinkronban egymással. A vevő összehasonlítja a beérkezett jelet a sajátjával, és méri a késési időt. Ehhez olyan jelet kell alkalmazni, amellyel bármely pillanatban meghatározható az időkülönbség

13 Az időmérés Az adóoldalon viszonylag egyszerű a megoldás hiszen a műholdakon 4 atomóra működik (rubidium és cézium), melyek rövid idejű frekvencia stabilitása A vevő oldali órák pontossága ezt messze alulmúlja, de nem alkalmazhatunk minden GPS vevőben atomórát, de erre is van megoldás, egy egyszerűbb, olcsóbb "sima kvarcóra" is megteszi

14 A GPS MÉRÉS ELVE A GPS technika a mesterséges holdak által kisugárzott rádiójelek vételén alapul. A GPS holdak fedélzetén elhelyezett oszcillátorok f 0 = MHz alapfrekvencián működnek, rádiójeleket azonban két különböző frekvencián sugároznak. Az L és L 1 2 jelűn. Az L1 frekvencia az alapfrekvencia 154 -szerese, az L szorosa. L1= MHz. L2= MHz Ennek megfelelően a hullámhosszak: l 1= 19.0 cm és l 2= 24.4 cm. Ezeket a vivőhullámokat (carrier) különböző kódokkal modulálják annak érdekében, hogy információkat továbbíthassanak a vevők felé. A kódok +1 és -1 értékekből álló sorozatok, a kettes számrendszerbeli 0 és 1 számjegyeknek megfelelően

15 A kódolás elve A kódolás elve a fázis billentyűzés ( biphase modulation ), azaz a vivőhullám fázisának 180 fokkal való eltolása akkor, ha a kód értéke (+1 vagy -1) változik. A fázisbillentyűzés elvét az ábra szemlélteti

16 C/A kód és P - kód A vivőhullám modulálásakor kétféle kódolást alkalmaznak. C/A kód ( coarse/acquisition code ) frekvenciája f 0 /10, azaz MHz - es frekvenciával követik egymást a +1 és -1 értékek. A kódsorozat minden ezredmásodpercben ismétlődik, és minden GPS hold esetén különböző. Ez teszi egyértelműen azonosíthatóvá a holdakat. P - kód A P - kód (precision code) frekvenciája megegyezik az f 0 alapfrekvenciával, és naponta ismétlődik. A holdak azonosítását itt az teszi lehetővé, hogy a kód mintája minden hold esetében egyedi. A P - kód teljes, napos ciklusának 7-7 napos darabját rendelték hozzá egy egy GPS holdhoz. A kód generálása minden vasárnap éjfélkor, a GPS hét kezdetén újra indul. A mesterséges holdakat azonosító

17 Helymeghatározási módszerek abszolút vagy relatív statikus vagy kinematikus Az abszolút helymeghatározás egy független, egypontos meghatározás, ahol a koordinátákat kódmérésből, pszeudotávolság meghatározásból kapjuk a WGS-84 koordinátarendszerben, a méréssel egyidőben. Ehhez a mérési módszerhez egy vevőkészülék szükséges. A relatív helymeghatározás a pszeudotávolság, vagy vivőfázis szimultán mérését jelenti két vagy több ponton, ugyanazon holdakra. Ehhez a mérési módszerhez legalább két vevőkészülék szükséges. A kapott koordináták a referenciaponthoz viszonyított értékek

18 Helymeghatározási módszerek Statikus mérési módszernél a vevő az észlelés teljes ideje alatt helyben marad, tehát sok fölös mérési eredmény adódik. Kinematikus módszernél a vevőkészülék folyamatosan mozog, fölös mérés nincs

19 A mérést terhelő fontosabb hibák

20 A GPS műholdak műszaki adatai Név: NAVSTAR Gyártó: Rockwell International Magasság: km Súly: 850 kg (pályára állás után) Méret: kb. 6 méter a nyitott napelemekkel Keringési idő: 11 óra 58 perc Elhelyezkedés: 6 pályasík, egymáshoz képest 60 fokkal elforgatva, 55 fokos pályasík-hajlás az Egyenlítőhöz képest Tervezett élettartam: kb. 7.5 év Keringő példányok: állandóan változnak, ma még kb. 10 db. ún. Block I prototípusú műhold van az űrben, amit folyamatosan felváltanak Block II típusúakra. (ebből napjainkban kb. 30 db. kering) Konstelláció: 24 műhold

21 A globális műholdas helymeghatározó rendszerek közeljövőre tervezett technikai fejlődése GALILEO: - 30 műhold, km, 3 pálya, az Egyenlítővel 56 -ot zár be a pályasík - 20 földi követő és telemetriai állomás (ebből 1 irányító központ) - 4 frekvencia (E5a=L5, E5b, E6, L1) - 10 kód - 5-féle szolgáltatás - együttműködés a NAVSTAR GPS-szel - fedélzeti Cospas-Sarsat rendszer - integritás-információk sugárzása

22 A globális műholdas helymeghatározó rendszerek közeljövőre tervezett technikai fejlődése A GALILEO tervezett szolgáltatásai: 1. Nyilvános alapszolgáltatás (OS): - egyfrekvenciás, ingyenes, garancia nélküli - pontosság nem rosszabb, mint a NAVSTAR SPS 2. Életbiztonsággal kapcsolatos szolgáltatások (SoL): - kétfrekvenciás, garantált szolgáltatás - pontossága az OS-hez hasonló 3. Kereskedelmi szolgáltatások (CS): - több frekvencia, előfizetési díj - értéknövelt szolgáltatások, pl. fázismérés, DGPS, ionoszféra-modell

23 A globális műholdas helymeghatározó rendszerek közeljövőre tervezett technikai fejlődése A GALILEO tervezett szolgáltatásai: 4. Kormányzati ellenőrzésű közbiztonsági szolgáltatás (PRS): - pontos, zavarvédett, megbízható - két titkosított jel, ellenőrzött vevőkészülékértékesítés 5. Kereső és mentő szolgáltatás (SAR): - Cospat-Sarsat egységekkel

24 Helymeghatározáson alapuló alkalmazások Alapjai: - pozíció-meghatározás egy onatkoztatási rendszerben - térképes illesztés Fő típusai: - Felhasználó pontos pozíciójának meghatározása - Navigációs szolgáltatások - Helyfüggő információk szolgáltatása

25 A helymeghatározáson alapuló szolgáltatások jelene járműkövetés geodéziai mérések, a tektonikus táblák mozgásának megfigyelése populációk élettereinek felmérése légi és tengeri navigáció - gépjárművek navigációja - a megtett útvonal utólagos kielemzése

26 A helymeghatározáson alapuló szolgáltatások jelene Például: Előnyök szállítmányozás szempontjából: A lehetőség van adattárolási funkcióra, mely rögzíti a gépjármű mozgását pontos helyzet meghatározással, állás - és indulás idejét, megtett utat, menetidőt, átlag sebességét és minden olyan jelet, amire szükség lehet, így pld. hűtőtér hőmérséglet figyelés, átlag üzemanyag fogyasztás stb... Lehetőség van külön operátori terminál kihelyezésére, mellyel a cégvezetők bármikor megnézhetik a gépkocsik pillanatnyi helyzetét valamint útvonal tervet készíthetnek ezzel elősegítik a logisztikai tervezést. Lehetőség van egy PDA elhelyezésére a gépjárműben, mellyel önálló navigáció, útvonaltervezés valósítható meg. Ezen berendezés memória kártyájára rögzíthető a vevő által megrendelt GPS térkép

27 A helymeghatározáson alapuló szolgáltatások jelene Ellenőrzés mobil telefonon keresztül SMS-el: Az ügyfél által meghatározott telefonról elküldött - POS GFT parancs hatására a rendszer elküldi SMS-ben az ellenőrzött gépjármű helyzetét és sebességét: pl. Budapesti út /Felsőhatár út/budaörs/ (10 m, D) - (46 km/h) Ellenőrzés saját számítógépről térképi megjelenítéssel: Az ügyfél a saját számítógépéről ellenőrizni tudja gépjárműveit. A járművek pillanatnyi pozíciója közvetlenül térképen jelenik meg

28 Potenciális K&F lehetőségek a jövő helymeghatározás-alapú alapú szolgáltatásainak területén - Felhasználó pontos pozíciójának meghatározása többaspektusú szemantikus lokációs információ származtatása eltérő helymeghatározási módszerek alapján - Navigációs szolgáltatások játékelmélet alkalmazása navigációs feladatokra, kooperatív játékok felhasználása flottamenedzselésre - Helyfüggő információk szolgáltatása pozíciófüggő szolgáltatás-felfedezés Pl.: étterem keresése, mely: - 5 km-en belül van - vasárnap nyitva van - gulyás szerepel az étlapon