Navigációs szolgáltatások és alkalmazások

Átírás

1 Navigációs szolgáltatások és alkalmazások GPS: navigációs üzenetek, fázismérés, hibaforrások ápr. 7. Németh Krisztián BME TMIT 1

2 A navigációs üzenet A navigációs adat 5 alrészből áll. Mindegyik 300 bites, átvitele 6 másodpercet igényel (50 bps) Forrás: Ádám Bányai Borza Busics Kenyeres Krauter Takács: Műholdas helymeghatározás, Műegyetemi Kiadó,

3 A navigációs üzenet A navigációs egy egysége (frame, keret) adat 5 alrészből (subframe, alkeret) áll. Mindegyik 300 bites, átvitele 6 másodpercet igényel 50 bps 1 bitidő alatt (20 ms) 20 teljes C/A kód kerül továbbításra ( chip) Összesen 1500 bit, 30 sec Minden 300 bites alrész 10 db. 30 bites gépi szóból áll Minden alrész 1. szava: Szinkronizációhoz szükséges Telemetry szó (TLM) Minden alrész 2. szava: A pontos idő (Handover Word, HOW) Pontosabban az utolsó vasárnap 0:0 órától eltelt másodpercek száma osztva hattal 6 mp-enként van egy ilyen, akkor lép egyet Az egyes alrészek szavainak tartalma: 1. alrész: Óraparaméterek 2-3. alrész: Pályaadatok és -korrekciók (ephemeris) 4-5. alrész: Egyéb adatok 3

4 Navigációs üzenet struktúrája Forrás: 4

5 Órakorrekció 1. alrészben A műhold által kibocsátott jelben rögzíteni kell a kibocsátás pontos idejét Mivel a műhold órája eltér a GPS időtől ezért időkorrekciót is közölnek Távolságmérés várható pontosságát is közlik (4 biten) Egészségjelzés 0: minden navigációs üzenet rendben 1: valamelyik navigációs üzenet hibás (az adott műhold adatait jobb figyelmen kívül hagyni) 5

6 Pályakorrekciók (Ephemeris) 2-3. alrészben Az ismert pályaadatoktól való valós eltérés (ezt nem kell megtanulni) 2 óránként frissítve Kepler-féle pályaelemek Epoch mikorra vonatkoznak az adatok Orbital Inclination a pályasík és az egyenlítői sík által bezárt szög Right Ascension of the ascending node hol metszi el a délről északra haladó műhold pályasíkja az egyenlítői síkot a vernal equinox -hoz képest (A Nap metszése tavaszi napéjegyenlőségkor; az ekliptika és a csillagászati egyenlítő metszéspontja) - Ώ Argument of Perigee a pálya földközépponthoz legközelebbi pontja és a right ascension által bezárt szög - ω Eccentricity mennyire tér el a körtől a pálya formája (0 < e < 1) Mean of Motion átlagsebesség (fordulat/nap) Mean of Anomaly a perigee és a műhold által bezárt szög, a perigeere 0, az apogee re 180 fok (T) Drag Mean of Motion időbeli változása Pályaelemek lineáris korrekció Harmonikus korrekciós függvények együtthatói 6

7 Kepleri pályaadatok (ez nem vizsgaanyag) 7

8 Egyéb adatok Almanach (4. és 5. alrészben) Hozzávetőleges pálya- és óraadatok Legalább 6 naponta frissítik Segít a vevőknek befogni a műholdakat (Doppler, ld. 10. dia) 4. alrész: oldalakra vannak bontva Nem 30 másodpercenként ismétlődnek (12,5 perc a teljes adat) 2-5, oldal: almanach adatok a műholdakra 17. oldal: különleges üzenetek 18. oldal: ionoszféra paraméterek és UTC paraméterek 25. oldal: műhold konfigurációk 32 műholdra 1, 6, 11, 12, 16, o.: titkos, katonai 13, 14, 15: tartalék 5. alrész oldal almanach adatok az műholdakra 25. oldal: az műholdak egészségi állapota 8

9 Almanach vs. ephemeris Mindkettő pályaadat, de: Almanach: csak kb. pozíció cél: a műhold megtalálásának segítése (ld. köv. dia) hónapokig használható kb. 6 naponta frissítik navigációs üzenetben: minden műhold megmondja, merre jár az összes többi (12,5 perc alatt) Ephemeris: pontos pozíció cél: a jel késleltetésének számítása kb. 4 óráig használható a navigációs üzenetben a műholdak csak a sajátjukat közlik 9

10 Műhold jelek keresése (kódmérésehez kiegészítés) Egy műhold jelének megkeresése hosszú folyamat A kódot csúsztatva szinkronba kell kerülni az adóval Ugyanakkor figyelembe kell venni, hogy a Doppler effektus miatt más az adott és a vett frekvenciája a vivőnek ha nem tudjuk, mekkora a relatív sebesség, akkor a legnagyobbat (800 m/s) kell elsőre feltételezni Kétdimenziós keresése feladat (időeltolódás és doppler miatt frekv. is): 10

11 Műhold jelek keresése Ráadásul mindezt minden műholdra el kell játszani Mindez akár fél óra is lehet Sokat segít, ha kb. tudjuk a saját, ill. a műholdak helyzetét Saját: feltételezzük, hogy nem messze az utolsó ismert pozíciótól Műholdak: almanach (pálya-)adatokból he egy műhold jele megvan, az lesugározza a többi almanach adatait 11

12 Műhold jelek keresése Műhold megtalálásának gyorsítási lehetőségei Assisted GPS (AGPS): mobiltelefonba épített GPS-ek képesek lehetnek a mobilhálózaton át letölteni az alamanch-ot Bizonyos PDA-k képesek az ephemeris adatokat Internetről letölteni 12

13 Fázismérés Miért ne mérhetnénk inkább a vivőjelet? Pontosabban annak fázisát Így a P kód 30 m-es hullámhossza helyett az 1575,42 MHzes L1 vivő 19 cm-es hullámhosszát használjuk sőt, akár az L2 vivő is használható az L1 mellett így centiméteres, vagy az alatti pontossági is elérhető De: egész-többértelműségi (integer-ambiguity) avagy ciklus többértelműségi probléma: A mért fázis melyik periódushoz tartozik? 13

14 Fázismérés N feloldása: Először a C/A kóddal (3 m pontosság) kb. 100 cikusra csökkentjük a problémateret Műhold jel folyamatos megfigyelése Ha megszakad, az egészet újra kell kezdeni A vivő alapján meghatározható távolság időbeli változását mérjük (a műhold mozog) Mérési sorozat Számos technika létezik a probléma megoldásra, a gyártók más-más technikát használnak (nem kell tudni vizsgára ezt:) Least Square Ambiguity Resolution Approach (LAMBDA) Fast Ambiguity Resolution Approach (FARA) Mozgó vevővel is végrehajtható on-the-fly OTF módszer Régen perces feladat volt, manapság valós időben számolható kb. centiméteres hibával Hosszabb mérésekkel 2-5 mm-es pontosság is elérhető 2 vevő kell a probléma megoldásához a hibák kiküszöbölése végett, az egyik koordinátáit ismerjük, a másikét határozzuk meg 14

15 Fázismérés A C/A és az Y (P, W) kódok ismeretében könnyű a vivőt visszaállítani Lehetséges azonban csak a C/A ismeretében, sőt akár a nélkül is mindkét (L1, L2) vivőt visszaállítani Pl. a jelek négyzetre emelésével kiesik a kód, marad egy periodikus jel (dupla frekvenciával) de tovább romlik a jel/zaj viszony A gyakorlatban használt módszerek a C/A kód ismeretére építenek bonyolultak csak részben publikusak így itt nem részletezzük 15

16 Sebességmeghatározás Nem a pozíció időbeli változásából számoljuk A Doppler eltolás arányos a műhold és a vevő relatív sebességével A műhold sebessége a navigációs üzenetből dekódolható Ebből a vevő sebessége kiszámolható Nagyon pontos (0,5 km/h) De: a haladási irány a pozíciók sorozatából van számolva 16

17 GPS hibák Le tudjuk szűkíteni a pozíciónkat egy térrészre, de pontosan nem tudjuk meghatározni 17

18 GPS hibaforrások Forrás: Rózsa Sz.: GNSS elmélete és felhasználása, BME ÁFGT 18

19 GPS hibaforrások User Range Error (URE, felhasználó távolsághibája) Műhold órahiba 0-4 m Műhold pályaadathiba 1-5 m Ionoszféra által okozott hiba 0-10 m Troposzféra által okozott hiba 0-2 m Vevőkészülék zaja 0-5 m Többutas terjedés 0-1 m Selective Availability (szándékos zavarás, kikapcsolva): 0-70 m Pontossághígulás (Dilution of Precision, DOP): 1..6 Helyzethiba = DOP*URE Szerencsére a faktorok soha nem lehetnek egyszerre a legrosszabbak C/A kód esetén így 28 m-es helyzethiba alatt maradunk 19

20 Műhold óra és pályahiba (1-10 m) Az atomórák hőmérséklet-érzékenysége Műholdak perturbált mozgása Az földi követőállomások ellenőrzik Néhány óránként biztos felkerülnek új adatok ezért nem jelentős hibaforrás Jobb GPS szoftverek képesek ephemeris adatokat letölteni különböző magán vagy publikus forrásoktól, nem kell megvárni amíg a műhold is sugározza 20

21 Ionoszféra hatása (0-10 m) km a Föld felett Rádióhullámok terjedését módosítja A Nap UV sugarainak hatására elektromos töltésű részecskék alkotják Függ: Az évszaktól: nyáron nagyobb, mint télen A napszaktól: éjszaka kisebb, mint nappal Napfolttevékenységtől: 11 évenként tetőzik (ilyenkor az átlag kétszerese) A földrajzi szélességtől (a Föld mágneses pólusaihoz való közelségtől) Zenitirányban a leggyengébb. A műhold minél közelebb van a horizonthoz annál több utat tesz meg a jele az ionoszférában 21

22 Ionoszféra hatása Forrás: Norsuzila Ya acob, Mardina Abdullah and Mahamod Ismail (2010). GPS Total Electron Content (TEC) Prediction at Ionosphere Layer over the Equatorial Region, Trends in Telecommunications Technologies, Christos J Bouras (Ed.), ISBN: , InTech, DOI: /8474. Available from: 22

23 Ionoszféra hatása Frekvenciafüggő hatású Egy TECU (Total Electron Content, elektron/m2) változás L1 vivő esetén 0,163m L2 esetén 0,268m távolsághibát okoz Orvoslás: Ionoszféra modell (globális modell, mellyel a hatás 50-60%- a figyelembe vehető) Több vivőfrekvencia Mérés: TEC mérése 23

24 Ionoszféra hatása Valós idejű űridőjárás, pl. 24

25 Troposzféra hatása (0-2 m) 0-16 km A vízgőztartalom változtatja a terjedési sebességet Hatása függ a levegő hőmérsékletétől, nyomásától, a vízgőz részleges nyomásától Nem frekvenciafüggő hatású A hiba 95%-ig kiküszöbölhető Jól modellezhető 25

26 Műhold szög maszkolás (megoldás) Az előbbi hatásokat minimalizálhatjuk, ha csak a magasan fekvő műholdakat használjuk Egyes vevőkben találunk ún. mask angle beállítást Hátrány: előfordulhat, hogy nem lesz elég, a kritériumunknak megfelelő műhold Érdemes maximum fokot választani 26

27 Többutas terjedés (0-1 m) Visszavert műholdjelek észlelése A vevőbe a közvetlen és a visszaverődés miatt késleltetett jel is eljut A vevőt összezavarhatja Könnyen kiküszöbölhető A később érkező jel gyengébb Profi eszközökben szándékosan csillapítják is: tányérantenna 27

28 Jelek vételével kapcsolatos hibák Ciklusugrás Fázismérés közben (cm pontosságú pozicionálás) elveszítjük a kapcsolatot a műholddal Ciklusszámlálás elölről kezdődik A hibás ciklusszám miatt hiba kerül a különbségvektor értékébe Jó szoftverek érzékelik és kiszűrik Kódmérés esetén (kommersz vevők, pár méter pontosság) nincs ilyen gond 28

29 Antennahibák Antenna fáziscentrumának külpontossága Ez is főleg geodéziai felhasználásnál probléma csak Vízszintes külpontosság: Műhold-vevő távolság elméleti végpontja nincs az antenna geometriai tengelyén Magassági külpontosság: A fáziscentrum nincs az antennaburkolaton vonatkozási pontként megjelölt ponton átmenő és a geometriai tengelyre merőleges síkban Megoldás: Kalibráló helyiség (süketszoba) 29

30 Műhold geometria - pontossághígulás A pontatlanság nő a műholdak egymáshoz viszonyított helyzetétől függően: 30

31 Műhold geometria - pontossághígulás Dilution of Precision, DOP: 1..6 Jól jósolható Következő DOP típusok léteznek Értékek: PDOP: DOP pozícióban (3D) HDOP: DOP vízszintes pozícióban (2D) VDOP: DOP függőleges pozícióban (1D) TDOP: időbeli DOP GDOP: teljes geometriai DOP 2: kiváló (tiszta égbolt) 3: jó 4: általában a műszerek pontossága ennél alacsonyabb értékre van specifikálva 5: megfelelő, kivéve néhány kritikus alkalmazást 6: kevés alkalmazás számára elfogadható 7: 31

32 Kedvezőtlen körülmények Városok, magas házak, felhőkarcolók Gyenge DOP érték + rengeteg többutas terjedésből származó hiba Elektromos vezetékek közelében (lehetetlen modellezni) Erdőben a sűrű lombkorona Nedvesség 32

33 Relativisztikus hatások Föld nehézségi erőtere miatt: a műhold és a vevő közötti távolság nem egyezik az Euklédeszi geometriából számolttal max. 18,7 mm hiba relatív helymeghatározással (ld. következőleg) gyakorlatilag kiesik Műholdon lévő óra sebessége más, mint a Földfelszínen. Okai: eltérő sebesség (spec. relativitáselmélet) idődilatáció: a mozgó óra lassabban jár, mint az álló eltérő nehézségi térerősség (általános relativitáselmélet) aki felhőkarcoló tetején lakik, gyorsabban öregszik ellentétes hibák, eredőjük: 10,23 MHz-nél 4,57*10-3 Hz hiba megoldás: f 0 =10, MHz-re állítva gyárilag Vevő órája is mozog: spec. relativitáselmélet, vevőben veszik figyelembe 33