GPS és atomóra Kunsági-Máté Sándor Fizikus MSc 1. évfolyam Informatikai eszközök fizikai alapjai, 2017. március 1. Eötvös Loránd Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Budapest
Történeti bevezető 1957 - 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
Történeti bevezető 1967 - Timation műholdak: nagyon pontos órák űrbe helyezése (1974-ben első atomóra űrbe vitele) 1970-es évek - OMEGA navigációs rendszer 10-14 khz frekvenciatartományban működő rendszer 5 különböző földi rádióállomás alkotta hálózat hajók és repülők helyzetmeghatározására volt alkalmas 1960 - MOSAIC (MObile System for Accurate ICBM Control) "GPS koncepció születése" Kunsági-Máté Sándor GPS és atomóra 2017. március 1.
Global Positioning System (GPS/NAVSTAR) amerikai rádiónavigációs rendszer United States Air Force (USAF) üzemelteti 31 Föld körüli pályán keringő műhold 20180 km-es pályamagasság 6 különböző pályasík
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
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
Alapok
Milyen jelet küld a GPS? a két legfontosabb frekvenciatartomány, amin sugároz: 1575.42 MHz, 1227.60 MHz (L1 és L2 jelek) ezt kódólják ún. pszeudo-random kóddal (PRN), mely minden műholdra egyedi
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...
Milyen jelet küld a GPS? L3 (1.38105 GHz): United States Nuclear Detonation Detection System: nukleáris detonációkat észlelnek és jelentenek L4 (1.379913 GHz): ionoszférára való korrekció miatt fontos L5 (1.17645 GHz): safety of life signal, még nagyobb pontosságot, és elérhetőséget fog biztosítani
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?
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!
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
Miért is kell atomóra? távolság = fénysebesség * időkülönbség d = c t azt akarjuk, hogy d < 5m t = d/c 16ns nagyon pontos időmérés kell
Atomóra 1879 - 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 2004 - chip méretű atomórák
Atomóra legpontosabb időmérő eszköz atomfizikán alapul energiaszintek közötti átmenet során kibocsátott mikrohullámú sugárzást kell detektálnunk
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
Atomóra videó: The NIST-F2 Atomic Clock: How does it work?
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
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
Alternatív rendszerek BeiDou (kínai) 1m (0.1m) pontosság, lokális lefedettség, 35786 km-es pályamagasság (geoszinkron), 21 műhold IRNSS (indiai) 1m (0.1m) pontosság, lokális lefedettség, kb. 36000 km-es pályamagasság (geoszinkron), 7 műhold animáció: Comparison satellite navigation orbits
Alternatív rendszerek Quasi Zenith Satellite System (QZSS) (japán) egyelőre csak 1 műhold a 3-ból, lokális lefedettség, 0.01-1m-es pontosság
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 2017. március 1.
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
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
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)
Hivatkozások [1] https://en.wikipedia.org [2] http://www8.garmin.com [3] www.youtube.com [4] korábbi évek diái
Köszönöm a figyelmet!