GPS echnikk 3. A NAVSTAR-GPS rendszer Referencia rendszer, műholdak m jelei, mérések elve és s csoporosísa, sa, A vevők k faji és felépíésük, real-ime mérések Ismer koordinjú műholdak műhold-vevő vmérés vevő helyzee ívmeszéssel ssel megharozha rozhaó A működés m s elve Összellíoa: Szűcs LszlL szló 1 A működéshez m kapcsolódó feladaok szegmensek Legyenek műholdak, m amelyekre mérni lehe műholdak alrendszere Legyen egy inézm zmény, amely megharozza a műholdak m koordini i konroll-llom llomsok alrendszere Legyen, aki megharozza a műholdm hold- vevő volsgo felhasznlók alrendszere 3 Konroll-llom llomsok alrendszere Cél: a műholdak m koordini i minden pillanaban ismerni kell. Ez 5 földi f ponról l harozz rozzk k meg Kaonai maszponok Minden lloms s koordinja nagy ponossggal (VLBI mérésbm sből) ismer 4 Konroll-llom llomsok alrendszere Konroll-llom llomsok alrendszere Feladauk: összes műhold m kövek veése (monior llomsok-kör) műholdak plyp lyjnak megharoz rozsa és exrapollsa 4 órra ra előre (BE) (közponi feldolgozó lloms-négyze) plyaadaok felöl lése a műholdakra m (beöl lő llomsok-hromszög) 5 6 1
Kepler 1. örv rvénye A műholdpm holdplyk lalnos elmélee lee - a bolygók k (i műholdak) m ellipszis alakú plyn keringenek, amelynek egyik fókuszponjf kuszponjban a Nap (i a Föld) F és s a bolygó közös s ömegk megközépponja van 7 8 Referencia rendszer Referencia rendszer Mivel a műholdak m a Föld F ömegk megközépponja körül l keringenek, legyen az origó a földi f ömegközéppon. Legyen az XY sík s k az Egyenlíő síkja, így a Z engely a Föld F forgsengelye. Legyen az X engely prhuzamos p a Greenwich-i meridins nsíkkal (hagyomny) Ez egy érbeli deréksz kszögű koordina a- rendszer A műholdak m koordini i ebben harozzuk meg a plyaelemekbp lyaelemekből. 9 10 l. Egy pon koordini: i: Referencia rendszer X = 4 081 734,89 m Y = 1 409 117,17 m Z = 4 678 70,769 m Hol van ez a pon??? Nem szemlélees! lees! 11 A érbeli deréksz kszögű koordinkn knl szemléleesebbek leesebbek az ellipszoidi földrajzi f koordink! k! WGS-84 ellipszoid középponja a Föld F ömegk megközépponjban a=6 378 137,000 00 m b=6 356 75,314 5 m Ez a WGS84 geodéziai dum d (ellipszoid és s elhelyezése) 1
A HelmerHelmer-féle veí veíés sz szmísi képleei Referencia rendszer Z X ( N + h) cos ϕ cos λ r = Y = ( N + h) cos ϕ sin λ Z ( b N + h) sin ϕ a erid h in WG S-8 4 kez dőm P' λ P zp φ Ahol az ellipszoid harngörbülei sugara: xp Y N= yp egyenlíő X 13 a a cos ϕ + b sin ϕ A szmís fordío érelemben is egyérelműen elvégezheő! 14 Egy pon koordin koordini Az elő előzőleg felí felír é érbeli deré derékszö kszögű koordin koordinka sz szmíouk WGS84 ellipszoidi fö földrajzi koordin koordinkk kk: ϕ = 47º 47º 9 9 13.1104 13.1104 λ = 19º 19º 45.4564 45.4564 h= 73.36 Hol van ez a pon? 15 16 A mű működés elve A mű műholdak alrendszere Ismer koordin koordinjú műholdak műholdhold-vevő vevő vmé vmérés vevő vevő helyzee ívmeszé vmeszéssel megha megharozhaó rozhaó Alapfrekvencia: f0=10.3 MHz Ké frekvenci frekvencin sug sugroznak: L1=150 f0=1575,4 MHz L=10 f0=17,60 MHz A vivő vivőfrekvenci frekvencika kó kódokkal modul modullj ljk: C/AC/A-kód: civil kó kód Y-kód: kaonai alkalmaz alkalmazsokhoz D-kód: mű műhold p ply lyjnak adaai 17 18 3
A vivőfrekvenci frekvencik Műhold vevő vmérés 19 ill 4 cm hullossz Nem megy : fémen fn kövön csonon sb. 19 Hogyan udjuk megmérni a műhold m és a műszer m közöi k vols volsgo? Hasznljuk fel a műholdrm holdról l sugrzo jeleke! A műholdak m jelei a légkl gkörben a légkl gköri sugr rörés s (refrakció) ) kövekezk vekezében nem egyenes úon erjednek, de ez modellezheő. Ehhez vizsgljuk meg, milyen jelek is ezek! 0 Tvmérés s elve kódmk dméréssel Minden műholdnak m van egy egyedi kódja k (C/A-kód), mely alapjn n a műhold m megkapja az azonosíó szm (PRN) A műhold m 0,001 msodpercenkm sodpercenkén n sugrozza az 104 bies azonosíó kódo a vivőhull hullmra modullva. lva. A kód k d fusi idejé a fénysebességgel szorozva kapjuk a műholdm hold- vevő volsgo. (c=99 79 458 m/s) 1 Tvmérés s elve kódmk dméréssel Az Y-kód felépíésében hasonló a C/A-kódhoz, de generlsi algorimusa ikos. Csak az USA hadseregének műszerei m ismerik. Régebben P-kód vol, ez ikosío ok k ovbb a Block II-es holdakkal Kövekező ikosís s a Block IIR-M holdaknl l vrhav rhaó M-kódra. A kódmk dmérés s elve A kódmk dmérés s elve Műholdról sugrzo jel Vevőbe érkező jel Vevőben generl jel Elvileg a vevő és s a műhold m ugyanabban a pillanaban generlja a jele. Ehhez szüks kséges egy egységes ges GPS- időrendszer. Ez az időrendszer aomórk k harozz rozzk k meg. Ezér minden műholdon m 4 aomór helyezek el. De még m így is lehe hibjuk. A vevőkben csak egy kvarcóra ra allha lhaó, így lalban rossz az időzíés. sugrzs = d generls véel 3 4 4
A kódmk dmérés s elve (A műhold m és s a vevő órja is hibsan jr) j A kódmk dmérés s elve A mér m hibs s vols volsg g (pszeudo( pszeudo-volsg): Műholdról sugrzo jel Vevőbe beérkező jel δ sugrzs d R = d' c = ( d + δ ρ + δ δ ( X c δ c δ X vevő P c vevő ) c = + ( Y δ vevő Y ) P ) c = + ( Z Z P ) + Vevőben generl jel δ vevő generls d' véel 5 Ismerelenek : X X P, Y, Z, δ, Y P P, Z vevő Meserséges hold adaaiból szmolhaó:, δ 6 A kódmk dmérés s elve A kódmk dmérés s elve Egy időponban mérünk m pszeudo-vols volsgo minden egyes műholdra. m D-kódú üzeneből l szmíjuk a műhold m koordini i és órahibj. Megharozzuk a vevő 3 koordinj és órahibj. Ez 4 ismerelen. 4 ismerelen 4 egyenleből l udunk megharozni, ezér legalbb 4 műhold m véele szüks kséges! Kódmérés s ponossga: vízszinesen: 3-103 méerm magassgilag: gilag: 10-0 méerm Kaonai alkalmazsra készk szül az Y- kód.. Ezzel kb. egy nagysgrenddel grenddel jobb a helymegharoz rozsi ponossg. 7 8 Az SA (Selecive( Availabiliy) Az SA (Selecive( Availabiliy) A civilek helymegharoz rozsi ponossgnak nak ronsa A C/A kód k d sugrz rzsi időponj ponjnak nak kismér rékű vélelenszerű vlozasa (δ-process( process) Műhold plyaadaok p kismér rékű vélelenszerű elronsa (ε-process( process) 9 A Block II. műholdak m megjelenésével vl v leheővé az alkalmazsa. Ké fokoza: 100 m-es m ponossgú helymegharoz rozs (100m vsz/156m mag.) 300 m-es m ponossgú helymegharoz rozs 000. mjus m.-én n elnöki rendelere kikapcsoljk Előe a kikapcsolsa sa kaonai fenyegeés jelene. 30 5
Az abszolú abszolú kó kódmé dmérés ponoss ponossga Az SA (Selecive (Selecive Availabiliy) Availabiliy) 10 m 31 3 A mű műholdhold-vevő vevő vols volsg megha roz s nak elve megha roz fzismé zisméréssel A relaí relaív kó kódmé dmérés ponoss ponossga 5m A mű műholdak lal sug sugrzo vivő vivőhull hullm beé beérkezé rkezési f fzis zisnak megha megharoz rozsa 33 A f fzismé zismérés elve 34 A f fzismé zismérés elve (Hib (Hiblan mű műhold és vevő vevő óra eseé eseében) Vevő Műhold Hiblan eseben a hiblan mér fzisra: R = ρ = Nλ + Φ λ Φ λ = R Nλ λ Nλ Φλ R Hibs eseben a hibsan mér fzisra: Φλ = R Nλ = ρ Nλ + vevő muhold Új ismerelen: N (fzisöbbérelműség) Hullosszak: L1 (19,05 cm), L (4,45 cm) 35 36 6
A relaív v fzismf zismérés s ponossga A mérések m csoporosísa sa 1. Kódmérés: a vevő helyzeé a vivőjelre modull l kód k d (C/A vagy Y) fusi idejéből l szmío pszeudovolsgokból harozzuk meg. Fzismérés: s: A vevő helyzeé a műholdakról l beérkez rkező vivőhull hullm (L1 vagy L) beérkez rkezési fzisf zisból harozzuk meg. 1 cm 37 38 Mérések csoporosísa sa. Abszolú mérésm Abszolú mérés: m egy pon koordini i harozom meg a műholdakra végze v mérésekbm sekből. Relaív v mérés: m egy pon koordini i egy msik m ponhoz képes harozom meg a műholdak alapjn. 39 40 Relaív v mérésm Mérések csoporosísa sa 3. Saikus: a megharozand rozandó objekum ll. Kinemaikus: a megharozand rozandó objekum mozog. 41 4 7
A mé mérések csoporosí csoporosísa Mérések csoporosí csoporosísa 4. Abszolú Relaív Saikus Kinemaikus kód fzis kód fzis 5-0 m 5-0 m 3-5 m 0,1-10 mm 3-5 m 1-0 mm Léezik még az ún. fzisméréssel simío kódmérés echnológija érinformaikai célokra. Ezzel az elérheő ponossg 5-5 cm relaív mérés eseén. Uó Uófeldolgoz feldolgozsos: sos: a mű műszerek rögzí gzíik a mé mérési eredmé eredményeke. A koordin koordinka irodai adaleö adaleölé lés és feldolgoz feldolgozs u un kapjuk. Való Valósidejű sidejű: a mé mérések feldolgoz feldolgozs a mű műszerek azonnal a mé mérés u un elvé elvégzik. A koordin koordinka szine való valós idő időben kapjuk. 43 44 Való Valósidejű sidejű kinemaikus (RTK) mérés Való Valósidejű sidejű relaí relaív mé mérések elve A bzis zis műszer egy ismer koordin koordinjú ponon ll Méri a mű műholdak pszeudopszeudo-vols volsg Sz m í ja a geomeriai vols Sz volsgo és saj ó rahib j saj rahib Műholdhold-órahiba és meeoroló meeorológia miai javí javís sz szmol a pszeudopszeudo-vols volsgokra A javí javísoka sug sugrozza 45 Való Valósidejű sidejű relaí relaív mé mérések elve A mozgó mozgó (rover) rover) mű műszer mé méri a műholdakra menő menő pszeudopszeudovols volsgo Veszi a korrekció korrekció Korrekció Korrekcióval megjaví megjavíja a mé mér pszeudopszeudo-vols volsgoka Megha Megharozza a koordin koordini és az órahib rahibj 46 Való Valósidejű sidejű relaí relaív mé mérések elve Elő Előny: azonnali relaí relaív koordin koordink megnő megnő a ponoss ponossg 47 Lehe kó kódmé dméréssel: DGPS Lehe f fzismé zisméréssel: RTK 48 8
Valósidej sidejű relaív v mérések m elve A bzisb zis-műszer szer lehe: saj ulajdonú vevő egy ismer geodéziai ponra felll llíva korrekciós s szolgla la llomsa Az adaviel viel lehe Rdióelefon: kölsk lséges, nehézkes Földi rdir dió: : kis haósugar sugarú, megbízha zhaó Műholdas sugrz rzs: nagy haósugar sugarú,, néha n szakad a véelv Inernees: Inerne kapcsola szüks kséges 49 50 Saj műszerrel m ör rénő adasugrz rzs Lekö egy műszerm Engedélyeze rdir diók k maximlis haóvols volsga km Felhasznlha lhaó az OGPSH alaphlózaa Orszgos GPS HlózaH 51 5 Permanens lloms Permanens lloms anenna an.aró meeorológia GPS vevő szmíógép INTERNET RTCM archívum aomóra szünemenes pegység kódoló 53 54 9
Az anenna helye a Műszaki Egyeemen Az anenna helye a Műszaki Egyeemen 55 56 Az anenna helye a Műszaki Egyeemen Az anenna helye a Műszaki Egyeemen 57 58 Az új anenna fényképe a eőn: A megharozsi erv: 59 60 10
A műszer felllísa a sashegyi és a nadapi ponokon specilis kényszerközponosíóval: Az anenna felllísa a pilisi ponon: 61 6 Az anenna fziscenrumra vonakozó megharozo koordink az EUREF89 rendszerben: ϕ = 47 8 51.3974 m ϕ =0.00 m λ = 19 03 3.50581 m λ=0.001 m h = 180.980 =0.016 m A geoidundulció éréke: 63 Illeszkedé Illeszkedés az orsz orszgos rendszerbe N = 43.65 m 64 A budapesi ellosg 65 66 11
WAAS-EGNOS WAAS-EGNOS 67 68 WAAS-EGNOS vevők k faji i 1. C/A kódmk dmérő vevő: : kézi k navigci ciós s műszerek. m Abszolú mérésnm snél: 3-10 m vízszines v hiba 10-0 m magassgi gi hiba Relaív v mérésnm snél: -55 m vízszines v hiba 3-55 m magassgi gi hiba 69 Álalban navigci ciós/érinformaikai célra készk szül Ára: kb. 50.000 300.000 F 70 vevők k faji i. Térinformaikai vevők: Fzisméréssel ssel simío kódmk dmérés Relaív v mérésnm snél l 5-55 cm ponossg Ár: kb. 900.000 1 100.000 F vevők k faji i 3. L1 fzismf zismérő vevő: : egyfrekvencis geodéziai vevő Tudja a kódmk dmérés is 10 km alai relaív v mérés m s eseén n a ponossga 0,1-10 10 mm Ára: 1,,5 M F 71 7 1
vevők k faji i 3. vevők k faji i 4. kód+l1+l fzismf zismérés: s: kéfrekvencis s geodéziai vevők Relaív v mérés m s ponossga: 0,1-10 10 mm 10 km vekorhossz fölö f is. Ára: 4 8 M F Valósidej sidejű relaív v mérés m s (RTK) eseében ra: 1-15 15 M F ( db vevő + rdir dió kapcsola) 73 74 vevők k faji i 5. Y kódmk dmérő vevők csak az amerikai hadseregnek van vevő felépíése Rdiófrekvencis rész Anenna és előerősíő Kijelző Adabevieli egység Mikroprocesszor Adaroló 75 Energia ells 76 vevő felépíése vevő felépíése Anenna: veszi az összes műhold m jelé, felerősíi is ovbb bbíja a rdiófrekvencis s (RF) egységnek. gnek. RF egység: g: levlaszja laszja az egyes műholdak m kódjai a vivőhull hullmról és s külön k csaornkhoz rendeli. előll llíja a vevőben generl kódok (szmolja a beérkez rkező vivőhull hullm fzis) 77 Mikroprocesszor: előll llíja minden egyes csaornn n a ve jel és s a generl jel közöi k időkülönbs nbsége megharozza a mérési m hely koordini i navigci ciós s adaoka szmol irny nyíja a műszer m működésém 78 13
vevő felépíése Az alegységek gek vagy külön k n szerkezeek vagy öbbe egybeépíenek. Pl.: Geodéziai vevők: régebben külön k n anenna, műszer, m akkumulor mosanban gyakran egybeépül néha mr m r nincs is kijelző és s kezelőgombok, csak ki/be kapcsoló és ledek Pl.: Navigci ciós s vevők: minden egybeépíve, maximum külsk lső anenna vagy p p kapcsolhaó 79 Pl. Trimble 4000 soroza 80 Pl. Trimble 4000 soroza Pl. Trimble 4000 soroza 81 8 Pl.: Trimble 4800 Pl.: Trimble 4800 83 84 14
Pl.: Ashech Promark Pl.: Ashech Promark 85 86 Pl.: Ashech Promark Pl.: Trimble Pahfinder Basic+ 87 88 Pl.: Garmin e-trex Visa Vége 89 90 15