Navigációs szolgáltatások és alkalmazások GPM modernizálás, DGPS, egyéb műholdas helyzetmeghatározó rendszerek 2014. ápr. 14. Németh Krisztián BME TMIT 1
GPS modernizálás Első lépés: Block IIR-M (2005 óta) nyilvánosan elérhető kód az L2 vivőn is neve: L2C nem pont a C/A, de hasonló így az ionoszféra okozta hiba könnyen javítható amelyik vevő tudja venni az ún. kétfrekvenciás (dual frequency receiver) M kód mindkét (L1, L2) vivőn egy újabb katonai kód Block III műholdakon lesz egy plusz antenna, amellyel ezek egy kisebb helyre fókuszálhatóak a teljes földfelszíni lefedettség mellett 2
GPS modernizálás Második lépés: Block IIF Új, ún. L5 ( Safety of Life ) vivő polgári célra 1176.45 MHz Repülésben használt frekvencia ez Nagyobb teljesítmény Cél: repülésben és hasonlóan kritikus helyeken nagy megbízhatóságú szolgáltatás nyújtása Első ilyen műhold 2010 júniusa óta sugároz Jelenleg 5 ilyen van pályán További 7 felbocsátása tervezve Harmadik lépés: Block IIIA Első felbocsátás: 2015 körül Új polgári kód az L1 vivőn: L1C Nagyobb adásteljesítmények 3
GPS modernizálás A GPS műholdak élettartama véges ezért rendszeresen újakkal pótolják őket jelenleg 30 működő van ne feledjük: 21 elsődleges + 3 tartalék a min. követelmény a mindenhol, mindig nagyon nagy valószínűséggel elérhető szolgáltatáshoz ebből 7 db. Block IIA, 12 db Block IIR, 7 db. Block IIR-M, és 4 db. Block IIF típusú (+1 Block IIF felbocsátva, tesztelés alatt) 32 működő az elvi max. az Almanach miatt Akit érdekel, részletesebben a múltbéli és tervezett felbocsátásokról itt: http://en.wikipedia.org/wiki/list_of_gps_satellite_launches 4
DGPS DGPS = Differenciális GPS Ötlet: egy ismert helyzetű vevő méri az egyes GPS műholdak jelének hibáit (hiszen tudja a saját pontos helyét) azaz a vevő-műhold távolság hibáját minden látható műholdra ezt továbbítja az ismeretlen helyzetű vevőkhöz azok ezzel korrigálva pontosabb helyzetet számíthatnak ki Mindez használható kód-, ill. fázismérés esetén is Általában minél közelebb van a két vevő annál jobb annál inkább azonos hibák hatnak rájuk annál inkább azonos műholdakat látnak 5
DGPS megvalósítások Helyi, földi telepítésű kiegészítő rendszer (GBAS: Ground Based Augmentation System) Másik név: Local Area Augmentation System (helyi kiegészítő rendszer) Főleg repterek környékén a leszállás elősegítésére Nagyobb pontosság Ami még fontosabb: nagyobb integritás ha hiba van a rendszerben, szól, így megelőzhető egy hibás leszállás 6
DGPS megvalósítások Geodéziai alkalmazások: fázisméréshez két vevő kell, egyik pozíciója fix akár millió Ft/db L1 fázismérénél kb 10 km, L1+L2 fázismérésnél kb 30 km távolságon belül kell legyen Magyarországon: országos hálózat ismert koordinátájú vevőkből, melyek Interneten teszik közzé a vett adatokat (fizetős szolgáltatás) ezzel megspórolható az egyik GPS vevő így olcsóbb egyszerűbb: nem kell megkeresni vele egy ismert pontot, annak a használatáért nem kell fizetni, nem kell vigyázni a vevőre e hálózat segítségével bárhova kiszámítható egy virtuális fix pozíciójú vevő, így bárhol végezhető centiméteres pontosságú helymeghatározás 7
DGPS megvalósítások: SBAS Műholdas kiegészítő rendszerek (Satellite Based Augmentation System, SBAS) kontinensnyi méretű rendszerek SBAS rendszerek felépítése hasonlatos a GPS-hez: Földi szegmens: referenciaállomások hálózata (kb. 25-40 db./kontinens) Űrszegmens: 2-3 geostacionárius műholdról sugározzák a korrekciós jeleket (azaz nem a GPS műholdakról) geostac.: probléma: a földrajzi szélesség növekedésével csökken a horizont feletti szög, amely alatt a műhold látszik azaz az északi területeken könnyen kitakart részen lehetnek Felhasználói szegmens A vevőnek képesnek kell lenni venni és feldolgozni az SBAS jeleket Olcsó, sok egyszerű vevőben már be van építve 8
DGPS megvalósítások: SBAS Elérhető pontosság C/A kódméréssel akár 2 m Ennél is fontosabb: integritás Másodperceken belül jelzi, hogy ha meghibásodik egy műhold. Mindezt igen nagy rendelkezésre állással Ezáltal lesz a GPS repülésben is jól használható Konkrét rendszerek: WAAS (USA) EGNOS (EU) MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System, Japán) 2007 óta használják a repülésben GAGAN (GPS-Aided Geo-Augmented Navigation, India) 2014 januárjától működik 9
SBAS: WAAS WAAS (USA) = Wide Area Augmentation System 2-3 GEO műhold kb. 40 követőállomás 2003 óta használható a repülésben WAAS lefedettség 10
SBAS: EGNOS EGNOS (EU) = European Geostationary Navigation Overlay Service WAAS kompatibilis rendszer 4 műhold (ebből 3 Inmarsat, 1 Artemis), >40 földi állomás 2 March 2011 Today, the EGNOS Safety-of-Life signal was formally declared available to aviation. http://www.esa.int/esana/sem98mutlkg_egnos_0.html 11
Egyéb műholdas helymeghatározó rendszerek Közös nevük: globális műholdas helymeghatározó rendszerek (Global Navigation Satellite System, GNSS) Galileo GLONASS IRNSS QZSS Compass 12
Galileo Európai GNSS Műholdak: 27 műhold + 3 működő tartalék 23.222 km (MEO pálya ez is) 3 pályasík, 56 inklináció, 9 műhold / pályasík Szolgáltatások: Open Service (OS): ingyenes, szabad hozzáférés. 2 vivő, 4-8 méteres pontosság Commercial Service (CS): díjköteles. 3 vivő, méter alatti pontosság, differenciális javítással 10 cm alatti Public Regulated Service (PRS) és Safety of Life Service (SoL): nehezebben zavarható, hiba esetén gyorsan (max. 10 mp.) jelez. Pontossága mint az OS-nek. PRS: rendőrség, katonaság, stb SoL: repülés 13
Galileo Státus: Első tervek szerint 2008-ra működni kellett volna... Két próbaműhold már pályára állt (2005 dec., 2008 április) megfelelően működnek 4 db. következő generációs teszt műholdat állítottak pályára 2011-2012-ben ezekkel már 3D helymeghatározás végezhető (tesztüzemben) Ezután következő lépés: teljes értékű műholdak pályára állítása 2010 januárjában 14 műholdra szerződést írtak alá 2012 februárjában további 8-ra Erre a 22 db-ra + a 4 db. 2. gen. tesztműholdra van jelenleg anyagi fedezet... ez kevés a teljes lefedettséghez... 14
Galileo GPS vs. Galileo: Galileo: stratégiai cél, hogy legyen USA-t zavarta: a GPS polgári adása kikapcsolható úgy, hogy a katonai marad A Galileo felhasználható ez esetben egy USA elleni támadásnál fenyegetés: ez esetben lelövik a műholdakat USA lobbi (sikeres): a Galileo frekvenciája legyen annyira különböző a GPS-étől, hogy külön is zavarható legyen 15
GLONASS (GLONASSZ) GLONASS (ГЛОНАСС: ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система; globális műholdas navigációs rendszer) Elvileg 24 műhold (21 aktív + 3 tartalék) 19100 km, 64.8 inklináció Kiépítettség: 1995-re teljesen kiépült majd az orosz gazdaság megingásával szétesett 2001-től elkezdték pótolni a kiesett műholdakat jelenleg 29 műhold kering pályán (24 működik, 3 tartalék, 1 tesztelés alatt, 1 üzembeállítás alatt) ez teljes globális lefedettséget jelent térben és időben India is beszállt a költségekbe 2007-ben Putyin elnök hivatalosan is ingyenesen és nyilvánosan hozzáférhetőnek deklarálta a rendszert azaz annak a nem katonai pontosságú részét az iphone 4S pl. ezt is és a GPS-t is használja 16
IRNSS (regionális) Indian Regional Navigational Satellite System (IRNSS) Építés alatt álló rendszer, elsősorban India területére 7 műhold, mind GEO 2 fellőve, 2 tervezett felbocsátása 2014, 3 db-é 2015 17
QZSS (regionális) Quasi-Zenith Satellite System Japán felett 3 műhold GPS kiegészítése Pozíció sugárzás, jobb láthatóság Japán felett SBAS javítás Tervek Első műhold sikeresen felbocsátva: 2010. szept. 11. Teljes működés tervezett időpontja: 2013 Kibővítik további 4 műholddal 2018-ig 18
Compass (avagy Beidou-2) Kínai GNSS Előzmény/próba: Beidou, 4 db GEO műhold (2000-2007) Compass terv: 30 MEO + 5 GEO műhold Jelenleg min. 14 műhold már pályán működőképesen, részben tesztelési célokkal 2011 végére 10 műhold elkészült, navigációs szolgáltatást nyújtva az ázsiai-csendes óceáni térségben kb. 2020-ra globális lefedettség lefedettség 2012-ben Forrás: File:Beidou Navigation Satellite System 2012.png, Wikipedia 19
NMEA 0183 20
NMEA 0183 NMEA: National Marine Electronics Association NMEA 0183: szabvány hajón lévő műszerek adatcseréjére Ezt használják a GPS vevők is Pénzért vásárolható meg (párszáz USD) De egész jól visszafejtette Dale DePriest ingyen: http://www.gpsinformation.org/dale/nmea.htm EIA-422 interfész, de gyakran RS-232-n adnak a GPS vevők, vagy ennek USB/Bluetooth feletti verzióján 4800 b/s nincs paritásbit 1 stopbit 21
NMEA 0183 (v2.0, de van azóta újabb) NMEA mondatok : szöveges protokoll $-ral kezdődik 2 karakter az egység azonosítója GP = GPS vevő 3 karakter az üzenet típusa, karakter, majd a paraméterek,-vel elválasztva * és (részben opcionális) checksum: XOR a $ és * közötti résznek (a $-t és *-ot nem beleértve) <CR><LF> Következő diákon: GPS-ek által gyakran küldött NMEA modnatok 22
GPGGA GGA - essential fix data which provide 3D location and accuracy data. $GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,,*47 Where: GGA Global Positioning System Fix Data 123519 Fix taken at 12:35:19 UTC 4807.038,N Latitude 48 deg 07.038' N 01131.000,E Longitude 11 deg 31.000' E 1 Fix quality: 0 = invalid 1 = GPS fix (SPS) 2 = DGPS fix 3 = PPS fix 4 = Real Time Kinematic 5 = Float RTK 6 = estimated (dead reckoning) (2.3 feature) 7 = Manual input mode 8 = Simulation mode 08 Number of satellites being tracked 0.9 Horizontal dilution of position 545.4,M Altitude, Meters, above mean sea level 46.9,M Height of geoid (mean sea level) above WGS84 ellipsoid (empty field) time in seconds since last DGPS update (empty field) DGPS station ID number *47 the checksum data, always begins with * If the height of geoid is missing then the altitude should be suspect. Some non-standard implementations report altitude with respect to the ellipsoid rather than geoid altitude. Some units do not report negative altitudes at all. This is the only sentence that reports altitude. 23
GPGLL GLL - Geographic Latitude and Longitude is a holdover from Loran data and some old units may not send the time and data active information if they are emulating Loran data. If a gps is emulating Loran data they may use the LC Loran prefix instead of GP. $GPGLL,4916.45,N,12311.12,W,225444,A,*1D Where: GLL Geographic position, Latitude and Longitude 4916.46,N Latitude 49 deg. 16.45 min. North 12311.12,W Longitude 123 deg. 11.12 min. West 225444 Fix taken at 22:54:44 UTC A Data Active or V (void) *1D checksum data 24
GPGSA GSA - GPS DOP and active satellites. This sentence provides details on the nature of the fix. It includes the numbers of the satellites being used in the current solution and the DOP. DOP (dilution of precision) is an indication of the effect of satellite geometry on the accuracy of the fix. It is a unitless number where smaller is better. For 3D fixes using 4 satellites a 1.0 would be considered to be a perfect number, however for overdetermined solutions it is possible to see numbers below 1.0. There are differences in the way the PRN's are presented which can effect the ability of some programs to display this data. For example, in the example shown below there are 5 satellites in the solution and the null fields are scattered indicating that the almanac would show satellites in the null positions that are not being used as part of this solution. Other receivers might output all of the satellites used at the beginning of the sentence with the null field all stacked up at the end. This difference accounts for some satellite display programs not always being able to display the satellites being tracked. Some units may show all satellites that have ephemeris data without regard to their use as part of the solution but this is non-standard. $GPGSA,A,3,04,05,,09,12,,,24,,,,,2.5,1.3,2.1*39 Where: GSA Satellite status A Auto selection of 2D or 3D fix (M = manual) 3 3D fix - values include: 1 = no fix 2 = 2D fix 3 = 3D fix 04,05... PRNs of satellites used for fix (space for 12) 2.5 PDOP (dilution of precision) 1.3 Horizontal dilution of precision (HDOP) 2.1 Vertical dilution of precision (VDOP) *39 the checksum data, always begins with * 25
GPGSV GSV - Satellites in View shows data about the satellites that the unit might be able to find based on its viewing mask and almanac data. It also shows current ability to track this data. Note that one GSV sentence only can provide data for up to 4 satellites and thus there may need to be 3 sentences for the full information. It is reasonable for the GSV sentence to contain more satellites than GGA might indicate since GSV may include satellites that are not used as part of the solution. It is not a requirment that the GSV sentences all appear in sequence. To avoid overloading the data bandwidth some receivers may place the various sentences in totally different samples since each sentence identifies which one it is. The field called SNR (Signal to Noise Ratio) in the NMEA standard is often referred to as signal strength. SNR is an indirect but more useful value that raw signal strength. It can range from 0 to 99 and has units of db according to the NMEA standard, but the various manufacturers send different ranges of numbers with different starting numbers so the values themselves cannot necessarily be used to evaluate different units. The range of working values in a given gps will usually show a difference of about 25 to 35 between the lowest and highest values, however 0 is a special case and may be shown on satellites that are in view but not being tracked. $GPGSV,2,1,08,01,40,083,46,02,17,308,41,12,07,344,39,14,22,228,45*75 Where: GSV Satellites in view 2 Number of sentences for full data 1 sentence 1 of 2 08 Number of satellites in view 01 Satellite PRN number 40 Elevation, degrees 083 Azimuth, degrees 46 SNR - higher is better for up to 4 satellites per sentence *75 the checksum data, always begins with * 26
GPRMC RMC - NMEA has its own version of essential gps pvt (position, velocity, time) data. It is called RMC, The Recommended Minimum, which will look similar to: $GPRMC,123519,A,4807.038,N,01131.000,E,022.4,084.4,230394,003.1,W*6A Where: RMC Recommended Minimum sentence C 123519 Fix taken at 12:35:19 UTC A Status A=active or V=Void. 4807.038,N Latitude 48 deg 07.038' N 01131.000,E Longitude 11 deg 31.000' E 022.4 Speed over the ground in knots 084.4 Track angle in degrees True 230394 Date - 23rd of March 1994 003.1,W Magnetic Variation *6A The checksum data, always begins with * 27
GPVTG VTG - Velocity made good. The gps receiver may use the LC prefix instead of GP if it is emulating Loran output. $GPVTG,054.7,T,034.4,M,005.5,N,010.2,K*48 where: VTG Track made good and ground speed 054.7,T True track made good (degrees) 034.4,M Magnetic track made good 005.5,N Ground speed, knots 010.2,K Ground speed, Kilometers per hour *48 Checksum Receivers that don't have a magnetic deviation (variation) table built in will null out the Magnetic track made good. 28
NMEA példa $GPGLL,4728.35558,N,01903.62621,E,154123,A*27 $GPRMC,154123,A,4728.35558,N,01903.62621,E,0.06,315.1,260310,0.0,E*4D $GPVTG,315.1,T,315.1,M,0.06,N,0.10,K*49 $GPGGA,154124,4728.35558,N,01903.62622,E,1,11,16.9,116.2,M,41.0,M,,*74 $GPGLL,4728.35558,N,01903.62622,E,154124,A*23 $GPRMC,154124,A,4728.35558,N,01903.62622,E,0.03,315.1,260310,0.0,E*4C $GPVTG,315.1,T,315.1,M,0.03,N,0.06,K*4B $GPGSA,A,3,07,08,10,13,15,19,28,02,03,05,06,,32.0,16.8,30.9*0E $GPGSV,3,1,11,07,55,057,38,08,84,247,23,10,64,230,33,13,22,099,45*70 $GPGSV,3,2,11,15,07,290,17,19,03,070,34,28,32,163,47,02,10,238,54*7A $GPGSV,3,3,11,03,07,046,54,05,55,285,54,06,04,034,54*41 $GPGGA,154125,4728.35558,N,01903.62622,E,1,4,16.8,116.2,M,41.0,M,,*40 $GPGLL,4728.35558,N,01903.62622,E,154125,A*22 $GPRMC,154125,A,4728.35558,N,01903.62622,E,0.03,315.1,260310,0.0,E*4D $GPVTG,315.1,T,315.1,M,0.03,N,0.05,K*48 $GPGGA,154126,4728.35558,N,01903.62622,E,1,11,16.7,116.2,M,41.0,M,,*78 $GPGLL,4728.35558,N,01903.62622,E,154126,A*21 $GPRMC,154126,A,4728.35558,N,01903.62622,E,0.08,315.1,260310,0.0,E*45 $GPVTG,315.1,T,315.1,M,0.08,N,0.14,K*43 $GPGGA,154127,4728.35558,N,01903.62619,E,1,11,16.6,116.2,M,41.0,M,,*70 $GPGLL,4728.35558,N,01903.62619,E,154127,A*28 $GPRMC,154127,A,4728.35558,N,01903.62619,E,0.02,315.1,260310,0.0,E*46 $GPVTG,315.1,T,315.1,M,0.02,N,0.04,K*48 $GPGGA,154128,4728.35559,N,01903.62619,E,1,11,16.4,116.1,M,41.0,M,,*7F $GPGLL,4728.35559,N,01903.62619,E,154128,A*26 $GPRMC,154128,A,4728.35559,N,01903.62619,E,0.03,315.1,260310,0.0,E*49 $GPVTG,315.1,T,315.1,M,0.03,N,0.06,K*4B $GPGGA,154129,4728.35559,N,01903.62617,E,1,11,16.3,116.1,M,41.0,M,,*77 $GPGLL,4728.35559,N,01903.62617,E,154129,A*29 $GPRMC,154129,A,4728.35559,N,01903.62617,E,0.00,315.1,260310,0.0,E*45 $GPVTG,315.1,T,315.1,M,0.00,N,0.01,K*4F $GPGSA,A,3,07,08,10,13,15,19,28,02,03,05,06,,31.8,16.2,30.8*0E $GPGSV,3,1,11,07,54,057,38,08,84,248,23,10,64,230,34,13,22,099,45*79 $GPGSV,3,2,11,15,07,290,16,19,03,070,34,28,32,163,47,02,10,238,54*7B $GPGSV,3,3,11,03,07,046,54,05,55,285,54,06,04,034,54*41 $GPGGA,154130,4728.35559,N,01903.62617,E,1,4,16.2,116.1,M,41.0,M,,*4A $GPGLL,4728.35559,N,01903.62617,E,154130,A*21 $GPRMC,154130,A,4728.35559,N,01903.62617,E,0.03,315.1,260310,0.0,E*4E 29