Mőholdas helymeghatározás

Átírás

1 Mőholdas helymeghatározás Szatmári József Szegedi Tudományegyetem Természeti Földrajzi és Geoinformatikai Tanszék

2 Tájékozódás a Földön Global Positioning System: a nagy ötlet Néhány alaptétel GPS vevık típusai, mérési technikák GNSS - jelen és jövı Földtudományi alkalmazások

3 Ajánlott irodalom Bányai L.: Geomatika

4 Helymeghatározás: trükkös tudomány Az alapvetı tájékozódás általában mindenkinek jól megy pl. az utcán. A jellemzı tájékozódási pontokat használjuk A pontos navigáció elıször csak a szakemberek kiváltsága volt A probléma elsısorban a tengereken jelentkezett: kevés a tájékozódási pont Manapság már létszükséglet a levegıben, a bedugult városokban

5 Új technológia: mindig újabb kétségek Csillagok útján Égi tájékozódás olcsó, de kevésbé pontos tapasztalat kell hozzá, fáradságos, idıjárásfüggı TRANSIT tengerészeti alkalmazás, ~1 m pontosság, 1994-ig LORAN C repülıgép-, autónavigáció pontos, megbízható korlátozott lefedettség (5 %) SatNav GPS (1972-)

6 NAVSTAR GPS Folyamatosan mőhold üzemel URA 90-es években: 4,6 m 2005-ben: 1,1 m (a célkitőzés 1,2 m volt) Az elsı Block IIR-M mőhold indítása 2005 okt.-ben (sikeres volt) L2c, L1M és L2M, Anti Jam Block IIF holdak 2007-tıl Mint a korábbiak, plusz: harmadik C/A az L5-ön (L5c) Block III holdak legkorábban 2013-tól sok minden, plusz 4. polgári frekvencia info@3tc.hu

7 Mőholdas rendszerek + (nem GPS) GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System) Russian Federation Government - Russian Space Forces 24 mőhold: 3 pályán (120º-os szögben) 8-8 mőhold 45º-os eltéréssel Pálya: cirkuláris (64.8º inklináció), magasság: km Periódusidı: 11 h 15 min Minimum 5 hold látszik a Föld bármely pontjáról Bei Dou (Kína) GALILEO (EU)

8

9 Mi a GPS? Szuper pontos rendszer US DoD 1972-ben határozta el a kiépítését Mőhold-alapú Katonai (nukleáris tengeralattjárók, célravezetés, stb.), majd polgári alkalmazások Föld minden pontján használható

10 Mőhold-alapú Háromszögelés mőholdadatok alapján 24 mőhold a teljes kiépítésben 21 aktív, 3 tartalék mőhold Nagy pályamagasság: km pontosság, kisebb interferencia nagyobb élettartam teljes lefedettség Technológiai fejlettség tette lehetıvé: őr~ informatikai~ (idı)mérési~

11 NAVSTAR mőholdak Gyártó: Rockwell International Pályamagasság: km Pályainklináció: 55º 24 mőhold 6 pályán Periódusidı: 12 h

12 Mennyire pontos? Attól függ, vagyis mitıl? Mérésre fordított idıtartamtól Vevı típusától Mőholdak konstellációjától Sub-cm (centiméter alatti) geodéziai célú termékeknél Sub-m (méter alatti) differenciális technikával Kb. 20 m alatti bármely kézi vevıvel US DoD bármikor korlátozhatja az elérést, ronthatja a pontosságot!

13 Hogy mőködik a GPS? GPS 5 lépésben Távolságmérés GPS-szel ismerve a fénysebességet A mérésekhez pontos órák és trükkök kellenek A távolságmérés után a mőholdak helyzetét kell ismernünk Ionoszférikus és atmoszférikus hibák korrekciója A rendszer alapja: mőholdas háromszögelés

14 1 Háromszögelés mőholdakkal A mőholdaktól mért távolság alapján trigonometriai összefüggésekbıl számolhatjuk a pozíciónkat Pozíció? Mi az? Állj!

15

16 Háromszögelés Egy mérés a lehetséges pozícióinkat egy gömbfelületre szőkiti le km

17 Háromszögelés A második méréssel a lehetséges pozícióinkat két gömbfelület metszetére szőkitjük le km Két gömbfelület metszete egy körvonal km

18 Háromszögelés A harmadik mérés a lehetséges pozícióinkat két pontra szőkiti le km Három gömbfelület metszete két pont km km

19 Háromszögelés A negyedik mérés dönt A negyedik mérés gömbfelületének csak az egyik ponttal lesz metszete.

20 Háromszögelés Praktikusan 3 mérés elegendı Az egyik pontot ki lehet zárni, mint valós pozíciót: valahol az őrben van vagy nagy sebességgel mozog DE késıbb részletezendı mőszaki okokból szükségünk van a 4. mérésre is

21 2 Mőholdak bemérése A mőholdtól való távolság = d (m) meghatározása Rádióhullámok haladási idejének mérésével történik: mennyi ideig tart, míg a GPS jel elér hozzánk = t (s)? Rádióhullám terjedési sebessége = fénysebesség d (m) = t(s) x 3x10 8 (m/s) Ha van egy jó óránk, akkor csak azt kell tudnunk, hogy mikor indult el a jel a mőholdról!

22 Honnan tudjuk, hogy mikor indult el a jel a mőholdról? A GPS egyik Nagy Okos Ötlete: A mőhold (adó) és a GPS (vevı) ugyanazt a kódot használja A mőhold és a vevı egymással szinkronban, egyidıben ugyanazt a kódot generálja A mőholdról beérkezett kód alapján meghatározható, hogy a vevı mennyi idıvel azelıtt generálta ugyanazt a kódot mőholdról földi GPS vevırıl idıkülönbség mérése a megegyezı kódszakaszok között

23 Miért kódot használnak a rendszerben? A kód lehetıvé teszi a rendszerbe való beugrást bárhol, bármikor Számos mőhold mőködhet ugyanazon a frekvencián Kódmérés: mőhold-vevı teljes távolság mérhetı

24 Kódmérés P kód, C/A kód GPS mőholdak két jelet sugároznak: L1= MHz és a L2= MHz vivıhullám hosszakon L1 és L2 modulált a P (precision) kóddal: 30 m hullámhossz (nagyobb pontosság) L1 modulált a C/A (coarse/acquisition - durva/elérés) kóddal: 300 m hosszú (kisebb pontosság) C/A kód: véletlen kód, zérusokból és egyesekbıl áll egy elem frekvenciája: υ=1.023 MHz, a kód 1023 bit hosszú idıben kifejezve: egy elem 1 mikroszekundumnak ( mp-nek) felel meg a teljes kód 1 milliszekundumnak (0.001 mp-nek) felel meg egy elem hossza: λ=c/υ= *10 8 * *10-6 = m az egész kódsorozat hossza: *1023 m = m C/A kód: pszeudo véletlen kód

25 Pszeudo véletlen kód A késés számítása a jel terjedési idejébıl Mőholdról A saját vevırıl Ha 4 kóddal léptetjük, szinkronban leszünk a mőholddal: d (m) = n * teljes kódhossz ± 4 * adatbit hossza

26 Vivıfázis-mérés A pontosságnak ára van! Vivıjel frekvenciája (L1 : 19,05 cm; L2 : 24,45 cm) 1000-szerese a kódfrekvenciának pontosság növekedése is 1000-szeres Jelkiértékelés mm-es pontossággal: minıségi vevık pontossága a hullámhosz kb. 1 %-a Probléma: egész periódusok száma nem ismert (fázis többértelmőség) Megoldás: matematikai modell (szoftver függı), kétfrekvenciás vevık

27 3 Idımérés: Pontos órák szükségesek! Biztosítani kell, hogy a vevı és a mőhold egyidıben indítsa el e kódot A teljes rendszer nagyon pontos órákon és idımérésen alapul A mőholdakon atomórákat helyeztek el pontosságuk meghaladja nanosecundum-ot (10-9 sec) nagyon drágák A vevıkben elegendı konzisztens óraszerkezetet és egy kis cselt alkalmazni a digitális órák konzisztensek, megfelelnek a célnak az abszolút pontosság nem szükséges, csak egy kis geometriai trükk a titok egy extra mérés, amellyel kiküszöbölhetı a vevı órájának pontatlanságából adódó hiba

28 Az ideális eset (pontos órával) 2D-ban az ábrázolás miatt A valós pozíciónk itt található

29 Ha az óra siet Hibás pozíció, mert az óra 1 másodpercet siet

30 Harmadik mérés (pontos órával) A harmadik mérés áthaladna a pozíción, ha az idımérés pontos lenne

31 Harmadik mérés (ha az óra siet) A harmadik mérés nem megy át az elsı két mérés metszetén dt dt dt Nem kapjuk meg a helyes pozíciót

32 Extra mérés Vevı felépítése 4 mérés szükséges a valós 3D helyzetben Ez azt jelenti, hogy egyszerre legalább 4 mőhold jelének vétele elengedhetetlen a helymeghatározáshoz Azaz legalább 4 csatornával kell rendelkeznie a vevınek a pozícionáláshoz Legalább 2 csatornával a sebesség meghatározásához

33 4 És merre járnak a mőholdak? Mint tudjuk, kb km-re fent az égbolton Nagy pályamagasság precíz beállítások nagyon stabil, szimmetrikus nincs atmoszférikus közegellenállás A US DoD ellenırzése alatt ezért nem geoszinkron pálya - naponta kétszer haladnak el a US területe fölött DoD percenként sugároz korrekciós adatokat a holdakra A korrekciókat a mőholdakról kapják a felhasználók status message

34 Status message

35 5 Atmoszférikus és ionoszférikus korrekciók Sajnos nem vákumban dolgozik a rendszer Ionoszféra: befogott részecskék övezete különbözı késleltetéseket okoz a rádióhullámok terjedésében korrekció: modellek, kétfrekvenciás mód Atmoszféra: a felhık öve a vízgız befolyásolja a jelek terjedését nincs igazán jó módszer önmagában a jelek korrekciójára szerencsére nem túl jelentıs a zavaró hatása

36 Egyéb hibaforrások (véletlen zaj, szabályos, durva) Atomóra hibái csekély mértékő, DoD korrigálja Vevık hibái hardver, szoftver Többszörös út interferencia tereptárgyakról visszaverıdı jelek a fejlett vevık jó antennával és szoftverrel rendelkeznek Pályahibák

37 GDOP Geometric Dilution of Precision A mőholdak egymáshoz viszonyított helyzete is befolyásolja a pontosságot Ideális helyzet

38 GDOP Geometric Dilution of Precision Valós helyzet - Fuzzy körök bizonytalanság bizonytalanság Pontnak vélt pozíció valójában egy terület

39 GDOP Geometric Dilution of Precision Fuzzy körök - kisebb szögnél még nagyobb hiba A terület növekedik,ha a mőholdak közelednek egymáshoz

40 GDOP, PDOP, Nsats És még HDOP, VDOP GDOP: Geometric Dilution of Precision PDOP: Position Dilution of Precision HDOP: Horizontal Dilution of Precision VDOP: Vertical Dilution of Precision Nsats: Number of SVs (satellite vehicle) Helymeghatározás Pontossága = DOP * mérési pontosság Példa: tfh. a mérési pontosság 1 méter. Ha DOP=1, akkor a pozíció pontossága szintén 1 méter. Mi történik, ha a DOP=5? A helymeghatározás pontossága 5 méterre romlik, azaz a legjobb mérési eredmény elérése érdekében mindig meg kell tervezni a napi mérést a mőholdak áthaladási rendjének ismeretében (mission planning)!

41 Szelektív elérhetıség S/A Az eredeti katonai célokkal összhangban a DoD a szelektív elérhetıség (selective availability, röviden SA) politikáját gyakorolja, ami azt jelenti hogy esetenként (pld. az öbölháború idején) korlátozza a teljes rendszer használatát a polgári alkalmazóknak. Gyakorlatilag ez korábban úgy történt, hogy csonkolták azokat az üzeneteket, melyek a mőhold koordinátáit továbbítják a vevıknek. A C/A kódra mőholdanként változó, alacsony frekvenciás (hosszú idı alatt ismétlıdı) torzítást visznek, mely az eredeti 30 m-es pontosságot 100 m. körülire csökkenti. S/A kikapcsolva: május 1. (B. Clinton elnök határozata)

42 Hibaforrások, pontosság GPS pontossága, tipikus hibák méterben

43 GPS vevık, mérési technikák Abszolút és relatív helymeghatározás 1. Abszolút (navigációs): kódmérés egyetlen vevıvel XYZ térbeli derékszögő koordináták, vagy ϕλh földrajzi koordinátákat eredményez hiba: méter 2. Relatív (térinformatikai, geodéziai): két vevıvel, egyidejő kód-, vagy fázisméréssel két pont közötti relatív térbeli távolság x, y, z összetevıit adja geodéziai pontossághoz: relatív fázismérés

44 FÁZISMÉRÉS KÓDMÉRÉS DIFFERENCIÁLIS ABSZOLÚT STATIKUS RTK DGPS ABSZ mm cm m

45 GPS vevık, mérési technikák Kiértékelés 1. Valós idejő (real time) DGPS: valós idejő, relatív, kódmérés, mőholdas (SBAS), vagy földi (GBAS) referencia-állomás adataival RTK: valós idejő, relatív, fázismérés, földi referenciaállomás adataival 2. Utófeldolgozással (post processing)

46

47 GPS vevık, mérési technikák Statikus, kinematikus 1. Statikus: (mérés közben) mozdulatlan vevıkkel 2. Kinematikus: mozgó vevıvel Relatív kinematikus Real Time Kinematikus (RTK)

48 Navigációs mérés Útkeresés kézi vevıvel pillanatnyi helyzet meghatározása célpont felkeresése: waypoints vízszintes pontosság: max m magasságmérés pontossága: bizonytalan, javítás: pl. barométer + kalibrálás kijelzés: általában földrajzi, de lehet geocentrikus is (EOV) laptop csatlakozás pocket PC

49 Diffrenciális GPS (DGPS) Múlt és jövı? valós idejő, relatív, kódmérés referencia-állomás (bázis) korrekciós adatait használja (50 km-es körzetben) pontosság: szubméter mozgó (rover) vevı a korrekciós adatokkal javítja saját méréseit bázis rover

50 Aktív hálózat Jelen, Jövı? permanens állomások: aktív hálózat

51

52 KECSKEMÉT GPS REFERENCIA ÁLLOMÁS KECS

53 Statikus GPS mérés Türelem és pontosság mozdulatlan vevık közötti térbeli vektorok meghatározása fázisméréssel térbeli vektorokból térbeli hálózat: kiegyenlíthetı (fix pontokra) több 10 km több 1000 km-es vektorok mérhetık cm pontossággal minél nagyobb a vektor, annál hosszabb mérési idı (atmoszférikus hatások kiküszöbölésére) és speciálisabb vevı szükséges 15 km-nél rövidebb vektorok: gyors statikus (rapid static) technikával (~10 perc) mérési idı egyre rövidül a rendszer és a feldolgozó szoftverek fejlıdésével

54 Statikus GPS mérés

55 Kinematikus GPS mérés Folyamatos kinematikus és Stop and Go ismert ponton elhelyezett vevıhöz képest mérjük a pozíciót Folyamatos: mozgó vevı (jármő) útvonalát rögzítjük fázisméréssel Stop and Go: terepen kijelölt pontokon rövid ideig (néhány epocha) mérünk folyamatos jelvétel szükséges fázismérés: statikus inicializálás (periódusszám felvétele) szükséges az elsı ponton korszerő megoldás: menet közbeni inicializálás (OTF), szakadások megengedettek a jelvételben (zavaró tereptárgyak) referenciaállomás max km-re lehet feldolgozás: utólagos

56 Valós idejő kinematikus (RTK) mérés Geodéziai pontosság, felmérés, pontkitőzés technika: meegyezik a kinematikus mérésével feldolgozás: egyidejőleg a méréssel referencia-adatokat rádión közvetítik a mozgó vevıhöz mérés jósága azonnal (1-2 perc) ellenırizhetı hatótávolság: 5-10 km geodéziai célokra legmagasabb árak rádiófrekvencia használatához engedély szükséges AKTÍV GNSS hálózat

57 A JELEN és JÖVİ: A GNSS és?

58 GALILEO 2013! Újraindítás:

59 GALILEO : 2 db. mőhold

60 GPS földtudományi alkalmazásai

61

62

63

64 GPS mozgásvizsgálatok

65 GPS mozgásvizsgálati program alappontjai

66

67 GPS a korszerő földtani térképezésben Global Positioning System GPS

68 GPS a korszerő földtani térképezésben A térképezés módszereinek korszerősítése A legfontosabb módszer-korszerősítési tényezık a számítástechnikai és őrkutatási eredmények alkalmazásából, azok logikus és célszerő összefőzésébıl erednek: Globális helyzetmeghatározás Távérzékelés és LFK értelmezés Adatbázisok helyszíni építése Térinformatikai rendszerek felépítése Primer adatok: A megfigyelés helye Azonosítója Földtani megfigyelések Mintavételek

69 GPS a korszerő földtani térképezésben A terepi megfigyelések topográfiai bekötésének megkívánt pontossága az 1: es méretarányban ~ 5 m, ami a méretarány csökkenésével nı A kézi GPS vevık valós idejő mérési pontossága megfelel a pontossági követelményeknek Az észlelési pontok bemérése a kézi GPS vevık valós idejő mérési adataival felgyorsul és megbízhatóvá válik