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
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
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. 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 1957. 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 1958-1970 Fotografikus megfigyelés Világító műholdak 1960-66: ECHO I., II., PAGEOS 1962: ANNA-1A, B 4
ECHO I. ECHO I. fellövés: 1960.08.12 30,48 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.: 1961.06.28 fellövés: 1961.06.28 Átmérő 40 m 1600 km magasságban 2 óra alatt kerüli meg a Földet fényesebb volt a csillagoknál PAGEOS PAGEOS fellövés: 1966.06.24 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
ANNA-1A és B ANNA-1A és B fellövés: 1962.10.31 magasság: 1181 km keringési periódus: 107,9 perc átmérő: 0,91 m súly: 160kg Xenonlámpával villog Az űrgeodézia 2. korszaka 1970-85 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
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 15-20 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 15-20 perc ebből a pontosság kb. 50 m gyakori meghibásodások 7
Az űrgeodézia 3. korszaka kb. 1980-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
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 20 200 km! i=55 fok A műholdak alrendszere Block I.: 1978.02.22-1985.10.9. (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.: 1989.02-1990.10. 1500 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.: 1990.10.-1997.11. - Block IIR-M (modernized IIR): - 2000 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
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=299 792 458 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
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
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 10-20 m magassági hiba Relatív mérésnél: 2-5 m vízszintes hiba 3-5 m magassági hiba Általában navigációs/térinformatikai célra készül Ára: kb. 50.000 300.000 Ft GPS-vevők fajtái 2. Térinformatikai vevők: Fázisméréssel simított kódmérés Relatív mérésnél 5-25 cm pontosság Ár: kb. 900.000 1 100.000 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: 12-15 M Ft (2 db GPS-vevő + rádió kapcsolat) Y kódmérő vevők csak az amerikai hadseregnek van 12
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
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
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 http://www.hexaszer.hu/logicont/ 15
Járműkövetés Vadállatok követése http://www.environmentalstudies.de/projects/projects.html Vadállatok követése Animal Tracking Animal Tracking: medve és a tervezett horvát autópálya Animal Tracking planned route 16
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
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: 19 130 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 1982.10.12: első műhold fellövése 1996. januárban mind a 24 műhold üzemelt utána takarékossági okokból a fellövések szüneteltek a műholdak száma egyre fogyott 2005.12.25: 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
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 = 1602 + n MHz 16 7 L2 = 1246 + n MHz 16 7. 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
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. 20-30 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
3 db műholdpálya inklináció 56º Műholdpályák minden pályán 9 aktív és 1 tartalék hold Föld feletti magasság: 23 616 km 2005.12.28: az első GALILEO műhold fellövése (Giove A) Baikonurból Terv: a rendszer 2008-2010-re kiépüljön Jelenleg 2 teszthold van! Jelenlegi megvalósulása 2011. október 21: két műhold fellövésével érvényesítik a rendszert 2012. 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