A GPS-rendszer. Adatgyűjtés A GPS. Helymeghatározási eljárások. 1. Földi geodéziai módszerek Mérőállomás

Átírás

1 Adatgyűjtés A GPS-rendszer Összeállította: Szűcs László Geometriai adatok gyűjtése Attribútum adatok gyűjtés Adatnyerés elsődleges: méréskor a tárgyal vagy képével fizikai kapcsolatba kerülünk másodlagos: az információt egy meglévő állományból vesszük át A GPS GPS: Global Positioning System (=Globális Helymeghatározó Rendszer) - Globális: helyzet meghatározására alkalmas rendszer, amely az egész Földön mindenhol azonos koordinátarendszerben működik - Helymeghatározás: egy objektum pillanatnyi koordinátáinak meghatározása - Helymeghatározó rendszer: a helymeghatározás gyakorlati megvalósítása. Több van. A tényleges rendszert a neve azonosítja. Helymeghatározási eljárások Földi geodéziai módszerek Csillagászati geometriai módszerek Csillagászati fizikai módszerek Mesterséges holdakon alapuló módszerek 1. Földi geodéziai módszerek Mérőállomás 1

2 Földi geodézia Hátránya: nem globális koordinátarendszerben működik Előnye: egyszerű relatív helymeghatározásra alkalmas geodéziai hálózat alkalmazásával a sok helyi rendszer egy lokális rendszerré összekapcsolható (pl. egy ország vagy kontinens alaphálózata) 2. Csillagászati geometriai módszerek A csillagokra tett geometriai méréseken alapul Földrajzi helymeghatározás Csillagászati navigáció Csillagászati fotogrammetria Ezért nem nevezhető GPS rendszernek Globális rendszer CSAK kozmikus geodéziai módszerekkel hozható létre Földrajzi helymeghatározás Égi koordináta-rendszer Már az ősember is használta a csillagokat a tájékozódásra. Sumerek: egyes csillagok a többihez képest mozognak: bolygók. Egyiptomiak: a csillagok koordinátáinak és éves mozgásuknak meghatározása A Nap Föld körüli látszólagos pályája jelöli ki az ekliptika síkját Földi koordináta-rendszer Földrajzi szélesség meghatározása 2

3 Földrajzi hosszúság meghatározása Égi fotogrammetria Katalógusból: a csillagok delelésekor a Greenwichi idő λ = LT GT A csillagos égről függőlegesbe állított műszerrel fényképet készítünk. 3. Csillagászati fizikai módszerek Az elektromágneses jelek vizsgálatán alapul VLBI Földi VLBI Quasar: Quasi Stellar Radio Source (csillagszerű rádióforrás) Olyan igen nagy távolságban lévő galaxisok aktív magjai, amelyek erős rádiósugárzást bocsátanak ki Mérjük a rádiójelet két távoli pontban és megnézzük, mennyi köztük az eltolódás: Very Long Base Interferometry (Nagyon hosszú bázisú interferometria) Földi VLBI Földi VLBI A két pontot összekötő térbeli távolság nagy pontossággal meghatározható 3

4 4. Műholdas helymeghatározás Nagy tömegű, kis méretű mesterséges holdak Nagy keringési magasság Forgástest alak Helyzete pontosan meghatározható Lehet aktív vagy passzív Égi geodéziai pont szerepét tölti be A műholdas helymeghatározás okt. 4.: Szputnyik 1. A műholdak célja Aktív/passzív műholdak Katonai felderítő műholdak Távérzékelő műholdak Meteorológiai műholdak Naprendszerkutató műholdak Holdkutató műholdak Kommunikációs műholdak Navigációs műholdak Űrhajók: embert is szállít Egyutas/kétutas rendszerek Az űrgeodézia 1. korszaka Fotografikus megfigyelés Világító műholdak : ECHO I., II., PAGEOS 1962: ANNA-1A, B 4

5 ECHO I. ECHO I. fellövés: ,48 m átmérőjű fényes ballon 0,00025 mm Al réteggel Nagy méret, kis tömeg, nem ideális 8 év élettartam 1600 km magasság Első kommunikációs adatátviteli kisérletek USA-Európa között ECHO II. ECHO II.: fellövés: Átmérő 40 m 1600 km magasságban 2 óra alatt kerüli meg a Földet fényesebb volt a csillagoknál PAGEOS PAGEOS fellövés: magasság: 5207 km 30,48 m átmérő 0,0127 mm Al bevonat 55 kg 177,4 perces keringési periódus Első műhold, amit eleve geodéziai célra hoztak létre 1975-ben darabokra szakadt 5

6 ANNA-1A és B ANNA-1A és B fellövés: magasság: 1181 km keringési periódus: 107,9 perc átmérő: 0,91 m súly: 160kg Xenonlámpával villog Az űrgeodézia 2. korszaka között A műholdak lézeres távolságmérése (SLR) A műholdakon lézertükrök GEOS sorozat LAGEOS STARLETTE Rádiósugárzó műholdak: Transit Doppler Geos-3 SLR (Satellite Laser Ranging) c t T = 2 SLR berendezés SLR működés közben 6

7 Prizmákkal felszerelt műhold SLR helymeghatározás LAGEOS I. Súly: 410 kg átmérő: 60 cm 426 db 38 mm lézertükör TRANSIT-DOPPLER rendszer NNSS (Navy Navigation Satellite System) 4 db poláris pálya 5-7 műhold (50-60 kg) pályamagasság: 1100 km frekvenciák: 150 MHz, 400 MHz egy műhold percig látszott kb. 1,5 óránkét volt 1 műhold látható ebből a pontosség kb. 50 m Hosszúidejű mérésekből: kb 3 m TRANSIT-NOVA műhold A DOPPLER rendszer hibái helyzetmeghatározás óránként gyors objektumok navigációjára alkalmatlan lassú járművek navigációjára is nehézkes egy meghatározás perc ebből a pontosság kb. 50 m gyakori meghibásodások 7

8 Az űrgeodézia 3. korszaka kb tól Cél: a műholdas technikát a mindennapokban használhatóvá tenni NAVSTAR-rendszer GLONASS-rendszer GALILEO-rendszer stb. polgári rendszerek 5. NAVSTAR-GPS rendszer bárhol a Földön és közeli környezetében (bizonyos feltételekkel!) bármely időpontban, minden időjárási körülmények között hely, sebesség, idő meghatározása katonai kívánalmaknak megfelelő pontossággal mindig azonos koordinátarendszerben műholdas rendszer (GNSS: Global Navigation Satellite System) A működés elve Koordinátarendszerek Ismert koordinátájú műholdak műhold-vevő távmérés vevő helyzete ívmetszéssel meghatározható WGS-84 ellipszoid a derékszögű rendszerbe illesztve A működéshez kapcsolódó feladatok szegmensek Legyenek műholdak, amelyekre mérni lehet műholdak alrendszere Legyen egy intézmény, amely meghatározza a műholdak koordinátáit kontroll-állomások alrendszere Legyen, aki meghatározza a műholdvevő távolságot felhasználók alrendszere A követőállomások alrendszere cél: a műholdak koordinátáit minden pillanatban ismerni kell. ezt 5 földi pontról határozzák meg katonai támaszpontok minden állomás koordinátája nagy pontossággal (VLBI mérésből) ismert 8

9 A követőállomások alrendszere A műholdak alrendszere minimum 24 műhold 6 pályán elosztva keringési idő 12 óra csillagidőben (11 óra 58 perc szoláris időben) keringési magasság a Föld felett km! i=55 fok A műholdak alrendszere Block I.: (11 sikeres fellövés) A műholdak alrendszere - 6 hónapig romló pontossággal a pályaelemek automatikus meghatározása - hordozó: űrsikló - 4 atomóra 845 kg, az utolsó 1995.XI.18-ig működött 4,5 év tervezett élettartam (tovább működik) i=63 fok Block IIR (Replenishment): - Block II.: kg, 7,5 év tervezett élettartam a civil felhasználók pontossága tetszés szerint korlátozható! i=55 fok ettől fogva II=második generációs GPS műhold Block IIA.: Block IIR-M (modernized IIR): kg, földi irányítás nélkül 30 napos működés 7,8 év élettartam 3 Rubidium atomóra, a régieknél pontosabb 6 hónapig romlatlan pontossággal a pályaelemek automatikus meghatározása 1997 július 2004 november új jeltípusok sugárzására is képes (L2C és új katonai kódok) 2005 szeptember 2009 augusztus Block IIF (Follow): új jeltípusok sugárzására (3. civil kód (L5), életmentő kód, stb.) nagyságrenddel nagyobb atomóra-pontosság 12 év tervezett élettartam 2010 május- (2013 október) 9

10 A műholdak alrendszere Block III (harmadik generációs mh): tervezés alatt nagyobb jelerősség, pontosság és működési megbízhatóság 15 év élettartam negyedik civil kód lézerprizmák A műholdak alrendszere Jelenleg (most éppen) 32 műhold üzemel: Block II Block IIA Block IIR Block IIR-M Block IIF 0 db. 8 db. 12 db. 8 db. 4 db. A műholdak alrendszere Alapfrekvencia: f0=10.23 MHz Két frekvencián sugároznak: L1=150 f0=1575,42 MHz (19 cm) L2=120 f0=1227,60 MHz (24 cm) A vivőfrekvenciákat kódokkal modulálják: C/A-kód: civil kód (L1) Y-kód: katonai alkalmazásokhoz (L1 és L2) D-kód: műhold pályájának adatai (L1 és L2) Műhold-vevő távmérés elve kódméréssel Minden műholdnak van egy egyedi kódja (C/A-kód), mely alapján a műhold megkapja az azonosító számát (PRN) A műhold 0,001 másodpercenként sugározza az 1024 bites azonosító kódot a vivőhullámra modulálva. A kód futási idejét a fénysebességgel (c) szorozva kapjuk a műhold-vevő távolságot. (c= m/s) A kódmérés elve A kódmérés elve Műholdról sugárzott jel Vevőbe érkező jel Vevőben generált jel t t t Elvileg a vevő és a műhold ugyanabban a pillanatban generálja a jelet. Ehhez szükséges egy egységes GPSidőrendszer. Ezt az időrendszert atomórák határozzák meg. Ezért minden műholdon 4 atomórát helyeztek el. De még így is lehet hibájuk. A vevőkben csak egy kvarcóra található, így általában rossz az időzítés. dt sugárzás t = t generálás t vétel 10

11 A kódmérés elve A kódmérés elve (A műhold és a vevő órája is hibásan jár) A mért hibás távolság (pszeudo-távolság): R = dt ' c = (dt + δ mh δ vevő )c = Műholdról sugárzott jel δ ρ + δ mh c δ vevő c = t mh sugárzás t ( X mh X P ) 2 + (Y mh YP ) 2 + ( Z mh Z P ) 2 + Vevőbe beérkező jel t dt δ mh c δ vevő c Ismeretlenek : X P, YP, Z P, δ vevő Vevőben generált jel δ t vevő Mesterséges hold adataiból számolható : dt' tgenerálás X mh, Y mh, Z mh, δ mh tvétel A kódmérés elve Az SA (Selective Availability): szándékos pontosságrontás Egy időpontban mérünk pszeudo-távolságot minden egyes műholdra. D-kódú üzenetből számítjuk a műhold koordinátáit és órahibáját. Meghatározzuk a vevő 3 koordinátáját és órahibáját. Ez 4 ismeretlen. 4 ismeretlent 4 egyenletből tudunk meghatározni, ezért legalább 4 műhold vétele szükséges! A műhold-vevő távolság meghatározásának elve fázisméréssel (Hibátlan műhold és vevő óra esetében) Vevő A helymeghatározás fontosabb hibaforrásai Műholdhoz kapcsolódó: műhold helyzeti hibája műhold órájának hibája műhold antennájának külpontossága Műhold λ Nλ Φλ légkör okozta késleltetés a jel visszaverődései (multipath) R Új ismeretlen: N (fázis-többértelműség) Hullámhosszak: L1 (19,05 cm), L2 (24,45 cm) Jel futásához kapcsolódó: GPS-vevőhöz kapcsolódó: vevő órahibája antenna külpontossága Mérni tudjuk: Φ 11

12 A felhasználói szegmens mindenki, aki hely, sebesség és időadatokat akar meghatározni mindenki, aki a légkörön átmenő elektromágneses hullámokat akar vizsgálni A felhasználóknak szükségük van egy GPS-vevőre GPS-vevők fajtái 1. C/A kódmérő vevő: kézi navigációs műszerek. Abszolút mérésnél: 3-10 m vízszintes hiba m magassági hiba Relatív mérésnél: 2-5 m vízszintes hiba 3-5 m magassági hiba Általában navigációs/térinformatikai célra készül Ára: kb Ft GPS-vevők fajtái 2. Térinformatikai vevők: Fázisméréssel simított kódmérés Relatív mérésnél 5-25 cm pontosság Ár: kb Ft GPS-vevők fajtái 3. L1 fázismérő vevő: egyfrekvenciás geodéziai vevő Tudja a kódmérést is 10 km alatti relatív mérés esetén a pontossága 0,1-10 mm Ára: 1,2 2,5 M Ft GPS-vevők fajtái 4. GPS-vevők fajtái 5. kód+l1+l2 fázismérés: kétfrekvenciás geodéziai vevők Relatív mérés pontossága: 0,1-10 mm 10 km vektorhossz fölött is. Ára: 4 8 M Ft Valósidejű relatív mérés (RTK) esetében ára: M Ft (2 db GPS-vevő + rádió kapcsolat) Y kódmérő vevők csak az amerikai hadseregnek van 12

13 Pl. Trimble 4000 sorozat Pl.: Trimble 4800 Pl.: Ashtech Promark Pl.: Ashtech Promark A mérések csoportosítása 1. A mérések csoportosítása 2. Kódmérés: a vevő helyzetét a vivőjelre modulált kód (C/A vagy Y) futási idejéből számított pszeudotávolságokból határozzuk meg. Fázismérés: A vevő helyzetét a műholdakról beérkező vivőhullám (L1 vagy L2) beérkezési fázisából határozzuk meg. Abszolút mérés: egy pont koordinátáit határozom meg a műholdakra végzett mérésekből. Relatív mérés: egy pont koordinátáit egy másik ponthoz képest határozom meg a műholdak alapján. 13

14 Abszolút mérés Relatív mérés A mérések csoportosítása 3. A mérések csoportosítása Statikus: a meghatározandó objektum áll. Kinematikus: a meghatározandó objektum mozog. Abszolút Relatív Statikus Kinematikus kód fázis kód fázis 5-20 m 5-20 m 3-5 m 0,1-10 mm 3-5 m 1-20 mm Létezik még az ún. fázisméréssel simított kódmérés technológiája térinformatikai célokra. Ezzel az elérhető pontosság 5-25 cm relatív mérés esetén. A mérések csoportosítása 4. Valósidejű relatív mérések elve Utófeldolgozásos: a rögzített mérési adatokat számítógépre letöltjük, szoftverrel számítunk pozíciót. Valós idejű: a mérési adatok alapján a GPS-vevő határozza meg a pozíciót. 14

15 Permanens állomás WAAS-EGNOS WAAS-EGNOS Néhány alkalmazási terület Navigáció, járműkövetés Geodézia, térképezés, mozgások kimutatása Mezőgazdaság, erdészet Meteorológia Stb. Katonai alkalmazások Járműkövetés (LOGICONT) Tank tüzelésének vezérlése 15

16 Járműkövetés Vadállatok követése Vadállatok követése Animal Tracking Animal Tracking: medve és a tervezett horvát autópálya Animal Tracking planned route 16

17 Earthquake in Japan GEONET 2006: Japán GPS hálózata Geotectonical Motion Detection MIZU GPS Station Mizusawa Astronomical Centre MIZUsawa GPS Station 6. A GLONASS rendszer Computed: Prof. Richard Langley, New Brunswick University Globális Navigációs Műholdrendszer orosz elnevezés rövidítése Céljaiban és kialakításában nagyon hasonló a NAVSTAR GPS rendszerhez Működtetője: Oroszország Hadügyminisztériuma Felfedezése: Svájci műholdas kutatások 17

18 Feladata Definíciója megegyezik a NAVSTAR rendszerével Azonos a NAVSTAR rendszerével A működés elve A rendszer felépítése Követő állomások Műholdak alrendszere Követőállomások alrendszere Felhasználók alrendszere 3 pályasík Műholdak alrendszere inklináció 64,8º Föld feletti magasság: km Keringési idő: 11 óra 15 perc 44 mp. Minden pályán 8 műholdnak kell lennie, szabályosan (45 fokonként) elosztva Így mindenhonnan mindig látszik legalább 5 műhold Majdnem ez volt a NAVSTAR-GPS eredeti terve Műholdak alrendszere : első műhold fellövése januárban mind a 24 műhold üzemelt utána takarékossági okokból a fellövések szüneteltek a műholdak száma egyre fogyott : 3 új műhold fellövése 2007 végre: elérni a 18 műholdas állapotot 2008-ra: a rendszer teljes kiépítése Ma: 24 működő + 1 vizsgálat alatt álló 18

19 GLONASS-M GLONASS-M GLONASS-K Műholdak Teszt üzemmódban: GLONASS Block I. élettartam: 3 év több működési probléma civileknek csak 1 frekvencia használható Jelenleg: GLONASS-M műholdak 7 év élettartam 2 frekvencia 2007-es terv: GLONASS-K műholdak 10 év élettartam 3 frekvencia új, kibővített földi követőhálózat Ma 1 db van Műholdakról sugárzott jelek Vivőfrekvenciák: (műholdanként kicsit más) Kódok: C/A kód (civil) P-kód (katonai) D-kód (pályaadatok) 9 L1 = n MHz 16 7 L2 = n MHz A GALILEO rendszer Cél: műholdas civil navigációs rendszer, főleg európai alkalmazásokhoz Létrehozója: Európai Űr Ügynökség (ESA) Együtt is használható majd a NAVSTAR és GLONASS rendszerekkel Nincs direkt pontosságrontás a rendszerben! 19

20 A rendszer felépítése Követő állomások alrendszere Műholdak alrendszere Követő állomások alrendszere Felhasználók alrendszere Követő állomások alrendszere Parancsnokság: Prágában (2010-es döntés) Irányító állomások: Németország, Olaszország GST: GALILEO Sensor Stations veszik az összes GALILEO műhold jelét továbbítják a GCC-khez kb állomás lesz a Földön elszórva ebből kb. 15 a műholdra adatot is tud majd feltölteni GCC: GALILEO Control Centers két feldolgozó központ A műholdak alrendszere A műholdak alrenszere A műholdak alrendszere Sugárzott frekvenciák száma: 6 4 tervezett kód: OS: Open Service: szabadon használható kód SoL: Safety of Life: életmentő-kód, ha a rendszer pontossága romlik, jelez CS: Commercial Service: előfizetős kód PRS: Public Regulated Service: szabadon használható kód 20

21 3 db műholdpálya inklináció 56º Műholdpályák minden pályán 9 aktív és 1 tartalék hold Föld feletti magasság: km : az első GALILEO műhold fellövése (Giove A) Baikonurból Terv: a rendszer re kiépüljön Jelenleg 2 teszthold van! Jelenlegi megvalósulása október 21: két műhold fellövésével érvényesítik a rendszert október 12: két újabb teszthold ezzel a pályatervezési szakaszt lezárták A teljes rendszer (30 műhold) megvalósítása 2019-re van tervezve Vége Vége Csak a SZIE YMÉK Térinformatika c. tantárgyának oktatására használható! 21