A GPS GPS technikák. A NAVSTAR-GPS endsze űholdk és s kontoll állomások Összeállított: Szűcs LászlL szló GPS: Globl Positioning System (=Globális lis Helymeghtáoz ozó Rendsze) - Globális: lis: helyzet meghtáoz ozásá lklms endsze, mely z egész FöldF ldön mindenhol zonos koodinátendszeben működik - Helymeghtáoz ozás: egy objektum pillntnyi koodinátáink ink meghtáoz ozás - Helymeghtáoz ozó endsze: helymeghtáoz ozás s gykolti megvlósítás. s. Több T vn. A tényleges t endszet neve zonosítj. Helymeghtáoz ozási eljáások Földi geodézii módszeekm Csillgászti szti geometii módszeekm Csillgászti szti fiziki módszeekm esteséges holdkon lpuló módszeek TRANSIT-DOPPLER endsze NNSS (Nvy( Nvigtion Stellite System) 4 db poláis pályp 5-77 műhold m (50-60 kg) pálymgsság: g: 00 km fekvenciák: k: 50 Hz, 400 Hz egy műhold m 5-0 pecig látszottl kb.,5 óánkét t volt műhold m láthtl thtó ebből l pontosség kb. 50 m Hosszúidej idejű méésekből: kb m 4 TRANSIT-DOPPLER endsze A DOPPLER endsze hibái 5 helyzetmeghtáoz ozás óánkéntnt gyos objektumok nvigáci ciójá lklmtln lssú jáművek nvigáci ciójá is nehézkes egy meghtáoz ozás s 5-0 pec ebből l pontosság g kb. 50 m gykoi meghibásod sodásoksok 6
Az űgeodézi. koszk kb. 980-tól Cél: műholds m technikát t mindennpokbn hsználht lhtóvá tenni NAVSTAR-endsze GLONASS-endsze GALILEO-endsze stb. polgái endszeek NAVSTAR-GPS TRANSIT-DOPPLER endszet le kell cseélni 97: Ameiki Védelmi V inisztéiumi jvslt egy új műholds nvigáci ciós s endszee: NAVSTAR-GPS (NAVigtion System with Timing And Rnging) 7 8 Definíci ció báhol FöldF ldön és s közeli k könyezetk nyezetében (bizonyos feltételekkel!) telekkel!) bámely időpontbn, minden időjáási köülmények közöttk hely, sebesség, idő meghtáoz ozás ktoni kívánlmknk k megfelelő pontossággl mindig zonos koodinátendszeben műholds endsze (GNSS: Globl Nvigtion Stellite System) Alklmzhtóság Az USA Kongesszus és s Elnöke utsított tott Védelmi V inisztéiumot, hogy civil felhsználók k felé is lehetővé kell tenni endsze hsznált ltát. t. Az első vevő geodézii cél c készk szült Stellite System) 9 0 Ismet koodinátájú műholdk műhold-vevő távméés vevő helyzete ívmetszéssel ssel meghtáoz htó A működés m s elve A működéshez m kpcsolódó feldtok szegmensek Legyenek műholdk, m melyeke méni lehet műholdk Legyen egy intézm zmény, mely meghtáozz műholdk m koodinátáit it kontoll-állom llomások Legyen, ki meghtáozz műholdm hold- vevő távolságot felhsználók
Áltlános tömegvonzási tövény: Newton. tö: F = : z tömegű test gyosulás Newton. tö: eő és elleneő zonos, de ellentétes előjelű F = = = F (A két gyosulásvekto ellentétes iányú!) 4 Az áltlános tömegvonzási tövényt illesszük be Newton-féle tökbe: Az első teste: G d G F = = ( ) = ( ) d d d d A második teste: G d G F = = ( ) = ( ) d d d d 5 6 A gyosulás két pontot összekötő d vekto második idő szeinti deiváltj: = d H egy koodinátendszeben -el jelöljük z egyes pontok helyvektoát, kko: d = d = = 7 8
Kéttest poblém Ebbe helyettesítsük be z előzőleg levezetett egyenleteket: G = = ( + ) x y z x = y z G = ( + Ez egy másodendű diffeenciális vektoegyenlet. x ) y z A másodendű egyenlet megoldásko -sze kell integálnunk. ivel vektoegyenlet egyenletből áll (X,Y,Z iánybn), ez összesen 6 db integálási állndót jelent. 9 H megdjuk 6 integálási állndót és s két t test tömegt megét, z idő bámely pillntá meghtáozht ozhtó eltív helyzetük, zz d vekto. A 6 integálási állndót t Keple-féle pályelemeknek nevezik (Keple htáozt meg elősz szö) Az egyenletendsze lpján n Keple tövényt vezetett le. 0 Keple. tövt Keple. tövt - bolygók k (itt műholdk) m ellipszis lkú pályán keingenek, melynek egyik fókuszpontjf kuszpontjábn Np (itt Föld) F és s bolygó közös tömegközéppontj vn Keple. tövt keingésko vezésug sugá zonos idők k ltt zonos teületeket súols Keple. tövt keingési idő négyzetének és s pályellipszis fél f l ngytengelye köbének hánydos h állndó T = π G( + ) állndó 4 4 = 9,904694 0 m /s 4 4
A műholdpm holdpályák áltlános elmélete lete A műholdpm holdpályák áltlános elmélete lete h i=0, kko ekvtoiális pályp h i=90, kko poláis pályp keingési iány etogád, h nem zonos Föld F fogási siányávl 5 6 A műholdpm holdpályák áltlános elmélete lete A műholdk m minimum 4 műhold 6 pályp lyán elosztv keingési idő ó csillgidőben ( ó 58 pec szoláis időben) keingési mgsság g Föld F felett 0 00 km! i=55 fok 7 8 A csillgidő űholdpályák Eltéés: kb. p 56 mp 9 0 5
űholdpá holdpályá lyák űholdpá holdpályá lyák A mű műholdk A mű műholdk (Block (Block II.) A mű műholdk A mű műholdk 4-6 hó hónpig omló omló pontossá pontossággl pá pályelemek utomtikus meghtá meghtáozá ozás - hodozó hodozó: űsikló sikló - 4 tomó tomó Block I.: 978.0.978.0.-985.0.9. ( sikees fellö fellövés) 845 kg, z utolsó utolsó 995.XI.8995.XI.8-ig mű működött 4,5 év tevezett életttm (tová (tovább mű működik) i=6 fok Block IIA.: 990.0.990.0.-997.. Block IIR (Replenishment ): (Replenishment): - Block II.: 989.0989.0-990.0. - 500 kg, 7,5 év tevezett életttm civil felhszná felhsználók pontossá pontosság tetszé tetszés szeint kolá kolátozhtó tozhtó! i=55 fok ettő ettől fogv II=má II=második geneá geneáció ciós GPS mű műhold Block IIRIIR- (modenized (modenized IIR): új jeltí jeltípusok sugá sugázá zásá is ké képes (LC és új ktoni kó kódok) 005 szeptembe 009 ugusztus Block IIF (Follow ): (Follow): 5-000 kg, fö földi iá iányí nyítás né nélkü lkül 0 npos mű működés 7,8 év életttm Rubidium tomó tomó, é égiekné gieknél pontosbb 6 hó hónpig omltln pontossá pontossággl pá pályelemek utomtikus meghtá meghtáozá ozás 997 jú július 004 novembe új jeltí jeltípusok sugá sugázá zásá (. civil kó kód (L5), életmentő letmentő kód, stb.) ngysá ngyságenddel ngyobb tomó tomó-pontossá pontosság év tevezett életttm 00 má májusjus- (0 októ októbe) 6 6
A műholdk m Block III (hmdik geneáci ciós mh): tevezés s ltt ngyobb jeleőss sség, pontosság és s működési m megbízht zhtóság 5 év életttm negyedik civil kódk lézepizmák A műholdk m Jelenleg (most éppen) műhold m üzemel: Block II Block IIA Block IIR Block IIR- Block IIF 0 db. 8 db. db. 8 db. 4 db. 7 8 A műholdk m GPS konstelláci ció Plne/Slot A B C D E A- (9) A-8 () A-4 4 (6) A- (4) R-4 4 (5) A- (5) A-7 7 (0) A-5 5 () R- (46) -88 () A-8 8 (8) - () A-9 () -55 (7) A-6 6 (40) 4 A-5 (7) A- (5) A-0 0 (7) A- (4) R-7 7 (54) 5 (spe( spe) -44 (9) R-5 5 (44) -99 (5) A-0 () UNITED STATES NAVAL OBSERVATORY (USNO) GPS CONSTELLATION STATUS SVN PRN 5 5 Lunched 0 OCT 990; usble 5 OCT 990; opeting on Cs std 4 4 Lunched 04 JUL 99; usble 0 AUG 99; opeting on Cs std 5 5 Lunched FEB 99; usble 4 AR 99; opeting on Cs std 6 6 Lunched 07 JUL 99; usble JUL 99; opeting on Rb std 7 7 Lunched 09 SEP 99; usble 0 SEP 99; opeting on Rb std 9 9 Lunched 8 DEC 99; usble 05 JAN 99; opeting on Rb std 0 0 Lunched SEP 996; usble 0 OCT 996; opeting on Rb std 0 Lunched NOV 99; usble DEC 99; opeting on Cs std 0 Lunched 8 AR 996; usble 09 APR 996; opeting on Cs std F R-6 6 (4) A-4 (6) R- (4) A-6 () A-7 (9) http://www.spcendtech.com/spcedt/constelltions/nvst- 9 40 gps_consum.shtml A műholdk m Alpfekvenci: f0=0. Hz Eedetileg két k t fekvencián n sugáoznk: L=50 f0=575,4 Hz L=0 f0=7,60 Hz A vivőfekvenci fekvenciákt kt kódokkl k modulálj lják: C/A-kód: civil kód k Y-kód: ktoni lklmzásokhoz D-kód: műhold m pályp lyájánk dti A C/A kódk véletlennek tűnő, t, de lgoitmussl geneált bitsoozt (0/) (Pseudo( ndom noise = pn) kód k d 04 bitből áll teljes kód k d másodpecenkm sodpecenként nt 000-sze ismétl tlődik 4 4 7
A C/A kódk A D kódk bit hossz z időben: 7 t b = /000/04 = 9,766 0 s Fénysebesség: c = 9979 458 m/s bit ideje ltt vivőhullám áltl megtett út: sb = ctb = 9, 766m Ezen belül %-os pontossággl tudnk méni műszeek, így műhold-vevő távolság métees pontossággl meghtáozhtó! 4 44 Az Y kódk mp ltt 0 000-sze ismétl tlődik A távolst volságméést 0, m pontosn lehet vele végehjtniv Csk z USA ktonság hsználhtj A műholdk m inden GPS-holdon vn: ádió dó és s vevő tomó számítógép endszefennttó egységek gek A műholdk m zonosítás: s: PRN-sz szám ( áosztott C/A kód k d szám, -) A műholdk m FöldF ldől l 4-64 óán át látsznk 45 46 Kontoll-állom llomások Cél: műholdk m koodinátáit it minden pillntbn ismeni kell. Ezt 5 földi f pontól l htáozz ozzák k meg Ktoni támszpontokt inden állomás s koodinátáj ngy pontossággl (VLBI méésbm sből) ismet Kontoll-állom llomások Feldtuk: összes műhold m követk vetése (monito állomások-kö) műholdk pályp lyájánk meghtáoz ozás és s extpolálás 4 óá előe (BE) (központi feldolgozó állomás-négyzet) pálydtok feltölt ltése műholdk m (betölt ltő állomások-háomszög) 47 48 8
Kontoll-állom llomások 49 Civil követk vetőhálózt: IGS Feldtuk: műholdk követk vetése és s méések m chiválás pályelemek utólgos meghtáoz ozás (PE) pályelemek intenetes közzk zzétételetele Intentionl GPS Sevice (IGS) 99 ót működőm hálózt állomásokon GPS, VLBI, SLR csk utólg d, koodinátákt kt ngyon pontos koodináták k (kb. 0 cm) 50 Civil követk vetőhálózt: IGS Vége 5 5 9