Podstawy Geomatyki. Wykład III Systemy GNSS

Transkrypt

1 Podstawy Geomatyki Wykład III Systemy GNSS

2 NAVSTAR GPS Najnowocześniejszy z satelitarnych systemów nawigacyjnych, satelitarny system nawigacyjny Navstar(NavigationalSatelliteTime and Ranging) znany pod nazwą GPS (Global PositioningSystem) został zaprojektowany jako precyzyjny system określania położenia o zasięgu globalnym. GLONASS(Global NavigationSatelliteSystem) jest rosyjskim odpowiednikiem GPS Navstar. Oba systemy działają na zasadzie biernego pomiaru odległości między odbiornikiem a satelitami. Metoda pomiaru i działanie systemu są podobne. GALILEOW 2002 UE wraz z Europejską Agencją Kosmiczną zdecydowały się na wprowadzenie alternatywy dla GPS, nazwanej systemem Galileo. System ma się składać z 30 satelitów (27 operujących i trzech w rezerwie) znajdujących się na trzech kołowych orbitach. BEIDOU (COMPASS) Chiński system nawigacji satelitarnej, który w chwili uruchomienia będzie obejmował swym zasięgiem tylko region Chin i państw sąsiadujących. Do końca 2020 roku planowane jest wystrzelenie 35 satelitów. Odbiorcom komercyjnym zapewni badanie położenia z dokładnością do 10 metrów oraz szybkości z precyzją do 0,2 metra na sekundę.

3 System działa na obszarze całej Ziemi (lub na dużej jej części jak chiński BEIDOU), bo w każdym punkcie globu widoczne są zawsze przynajmniej cztery satelity. Satelity krążą po orbitach MEU na wysokości od ok19000 km do km nad powierzchnią Ziemi. Działanie systemów GNSS bywa porównywane przez specjalistów do obserwowania żarówki o mocy 25 W oddalonej o 10 tys. mil. Kilka prostychpytań: - jak są dużo paliwa zabierają ze sobą satelity by pracować na orbicie ok 10 lat - dlaczego satelity nie krążą po orbitach geostacjonarnych (tkwiąc cały czas nad tym samym punktem Ziemi)? - dlaczego nie ma satelitów na pewnych orbitach (np. w wewnętrznym i zewnętrznym pasie van Allena Trochę więcej o rodzajach orbit : ocentric_orbit#geocentric_orbit _types

4 Części składowe systemów GNSS Każdy system nawigacji satelitarnej składa się z trzech segmentów: kosmicznego (tj. co najmniej 24 satelitów nadających sygnały nawigacyjne w różnych konfiguracjach i o różnym okresie obiegu ), kontrolnego (naziemnych ośrodków monitorujących funkcjonowanie segmentu kosmicznego), użytkownika (a więc wszystkich odbiorników śledzących segment kosmiczny). Bazy i stacje monitorujące. Wszystkie satelity są permanentnie obserwowane przez kilka tzw. stacji monitorujących i dla każdego z nich obliczane są precyzyjne elementy orbity i poprawka zegara atomowego. Dane te wprowadzane są do pamięci komputerów pokładowych. W ten sposób każdy satelita ma zapewnioną aktualizację swojej pozycji w przestrzeni i synchronizację zegara do czasu całego GMSS. Np. dla systemu GPS ośrodek dowodzenia (Master Control Station) znajduje się w bazie amerykańskich sił lotniczych w Colorado Springs. Stacje obserwacyjne (Monitor Stations) USAF (US AirForce) pracują w Kwajalein, Diego Garcia, na Wyspach Wniebowstąpienia (Ascension Is.) i na Hawajach. Działa także 6 stacji NGA (National GeospatialAgency): w Argentynie, Australii, Bahrajnie, Ekwadorze, Stanach Zjednoczonych na Alasce, w Korei Południowej, Nowej Zelandii, RPA i na Tahiti.

5 Zasada pomiaru położenia odbiornika Pomiar prowadzony na dwóch częstotliwościach jest praktycznie wolny od wpływu refrakcji jonosferycznej. Refrakcję niższych warstw atmosfery troposfery eliminuje się poprzez automatyczne wprowadzanie poprawek obliczanych na podstawie przyjętego modelu atmosfery. Sygnał satelitarny (przykład dla systemów GPS), który dociera z satelity do odbiornika składa się z dwóch częstotliwości: tzw. L1 = 1575,42 MHz i L2 = 1227,60 MHz, (obecnie już trzech L1, L2 i L5) na które nałożone są specjalne kody C/A i P oraz pakiet dodatkowych informacji. Kody zawarte w sygnale satelitów wykorzystywane są do pomiaru odległości (tzw. pseudoodległości) satelity od anteny odbiornika. Kod P (precise protected) jest precyzyjny, ale dostępny tylko dla uprawnionych użytkowników, zaś kod C/A (coarse aquisition clearaccess) ogólnie dostępny, ale mniej dokładny. Pakiet informacji wysyłany w sygnale satelitarnym zawiera między innymi elementy orbit wszystkich satelitów GPS, poprawki zegarów pokładowych oraz dane o jakości sygnału. Identyfikacja satelitów oparta jest na metodzie podziału kodu CDMA (Code Division Multiple Access). Oznacza to, że wszystkie satelity emitują na tych samych częstotliwościach, ale sygnały są modulowaneróżnymikodami. Wyznaczanie pozycji odbiornika polega na pomiarze czasu propagacji sygnału (pomiar kodowy) oraz przesunięcia fazowego (pomiar fazowy) sygnału nadawanego przez satelitę poruszającego się po znanej orbicie. W nawigacji wykorzystywane są przybliżone współrzędne satelitów nadawane w depeszy nawigacyjnej zakodowanej na transmitowanym sygnale oraz wyłącznie pomiary kodowe (dokładność ok. 30 m). W geodezji w celu zwiększenia precyzji wykorzystuje się pomiary kodowe, pomiary fazowe oraz orbity precyzyjne (współrzędne satelitów z dokładnością około 0,03 m). W metodzie kodowej na sygnał satelitarny nakładany jest specjalny kod (poprzez modulację) w przypadku systemu GPS wykorzystywane są 2 kody: C/A (ang. CoarseAquisition kod mniej dokładny) i P (ang. Precise kod precyzyjny). Mierząc czas propagacji fali elektromagnetycznej (wiemy kiedy dany fragment kodu został wyemitowany przez nadajnik satelity oraz znamy moment dotarcia tego kodu do anteny odbiorczej) możemy określić drogę propagacji na podstawie prostego wzoru: D = c t c prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w ośrodku, t -wyznaczony czas propagacji.

6 Naturalnie najsłabszym ogniwem powyższego równania jest prędkość c, którą jest bardzo trudno wyznaczyć z dużą precyzją z uwagi na niejednorodność ośrodka przez jaki przechodzi sygnał. Ponadto problemem jest synchronizacja czasu zegarów odbiornika i nadajnika fali elektromagnetycznej tak, aby wyeliminować jej wpływ na wynik. Metoda fazowa pomiaru odległości polega na wyznaczeniu fazy sygnału docierającego do anteny odbiorczej. Jednakże określenie odległości D wymaga również znajomości liczby pełnych odłażeń (cykli fazowych) fali elektromagnetycznej na drodze nadajnik-odbiornik N. Odległość wyznaczona jest w ten sposób na podstawie wzoru: D = (N + φ) ΔD ΔD- długość fali elektromagnetycznej, N liczba całkowitych cykli fazowych, φ pomierzona faza sygnału przychodzącego W celu zmniejszenia wpływu ośrodka na wyznaczoną odległość do satelitów stosuje się pomiar na dwóch lub więcej powiązanych ze sobą częstotliwościach. Przykładowo w systemie GPS stosowane na początku stosowane były dwie podstawowe częstotliwości L1 i L2, obecnie zaś wprowadzono nowe czczęstotliwości, L5 i L3. Dla poprawnej pracy systemu kluczowy jest czas. Każdy satelita jest wyposażony w zegar atomowy, dzięki czemu jego sygnał jest dokładnie zsynchronizowany z całym systemem. Jednocześnie satelity tworzą razem z kilkoma nadajnikami naziemnymi swoistą sieć korekcji czasu. W efekcie odbiornik GPS podaje nie tylko pozycje, ale również czas. Aby określić pozycję w trójwymiarowej przestrzeni i czas systemu konieczny jest jednoczesny odbiór z przynajmniej czterechsatelitów. Odbiornik oblicza trzy pseudoodległości do satelitów oraz odchyłki czasu (różnicy między tanim i niedostatecznie dokładnym wzorcem kwarcowym zainstalowanym na odbiorniku i precyzyjnym zegarem atomowym na satelicie). Satelita transmituje w depeszy nawigacyjnej m.in. czas, almanach(stan konstelacji satelitów) oraz efemerydy(parametry lotu satelity). Dzięki tym danym odbiornik GPS jest w stanie obliczyć dokładne współrzędne satelity, w momencie nadania sygnału, co z kolei, przy wykorzystaniu pseudoodległości umożliwia obliczenie własnej pozycji.

7 Źródła błędów lokalizacji Na podstawie pomiarów kodowych lub fazowych wyznaczane są odległości satelita -odbiornik. Tak wyznaczona odległość obarczona jest wieloma błędami pomiarowymi spowodowanymi: błędami zegara satelity, błędami zegara odbiornika, wpływem jonosfery, wpływem troposfery, efektami relatywistycznymi, wielotorowością propagacji sygnału, niekorzystną konfiguracją satelitów. Dlatego w pomiarach nawigacji satelitarnej wykorzystuje się systemy wspomagające, takie jak EGNOS lub serwisy ASG-EUPOS: NAWGEO, KODGIS, NAWGIS. Jak to się wszystko zaczęło.. Systemy satelitarne zostały zapoczątkowane przez system Transit, stworzony w 1958 Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa w USA na zamówienie Marynarki Wojennej USA. Pierwszych pomyślnych testów dokonano w 1960, w 1964 Transit wszedł do eksploatacji. Satelity umieszczano na niskich orbitach okołobiegunowych na wysokości około 1100 km nad powierzchnią Ziemi. Okres obiegu satelity wokół Ziemi wynosił ok. 106 minut. Do zapewnienia globalnego zasięgu systemu potrzebna była konstelacja pięciu satelitów. W okresie normalnej działalności systemu na orbicie było utrzymywanych 10 satelitów (5 zapasowych). Od 1967 system Transit zaczął być sporadycznie wykorzystywany również do celów cywilnych. Złożony z sześciu satelitów, był stosowany do 31 grudnia W 1960 został skonstruowany system satelitarny MOSAIC (nigdy nie zaczął funkcjonować) a potem system SECOR w kwietniu Był złożony z trzynastu satelitów, stworzony na potrzeby wojsk lądowych. W 1967 ZSRR uruchomiło swój pierwszy system nawigacyjny CYKLON a następnie system CYKADA.

8 Podejmując wysiłek konstrukcyjny zbudowania nowego systemu nawigacji globalnej postawiono przed mim konkretne wymagania. możliwość wyznaczenia położenia w czasie rzeczywistym, niezależność od warunków, w których system jest wykorzystywany i odporność na zakłócenia zarówno przypadkowe, jak i celowe, 5 pocisków wystrzelonych z niezależnych platform, naprowadzanych za pomocą systemu, ma trafić w cel z dokładnością 5 m, cena jednego odbiornika nie może przekraczać USD w 1977 r. (równowartość w cenach ok USD w 2019 r.), dostępność na całej kuli ziemskiej, synchronizacja czasu na poziomie 1 μs, nielimitowana liczba użytkowników, niewykrywalność odbiornika (brak komunikacji odbiornika z satelitą, wyznaczenie pozycji ma być możliwe wyłącznie w wyniku nasłuchu) Pierwsze testy systemu rozpoczęły się w 1972 r., 22 lutego 1978 r. został wystrzelony pierwszy satelita bloku I, SVN 1. NAVSTAR-GPSdziała na obszarze całej Ziemi, bo w każdym punkcie globu widoczne są zawsze przynajmniej cztery satelity. Satelity krążą po orbitach na wysokości około km nad powierzchnią Ziemi. Jest to orbita niższa od geostacjonarnej. Segment kosmiczny składa się obecnie z 31 satelitów umieszczonych na orbitach kołowych o nachyleniu 55 (Block IIA, IIR, IIR M) lub 63 (Block I obecnie nie jest stosowany) względem płaszczyzny równika na wysokości km. Obieg Ziemi przez satelitę trwa 11 h 58 min (pół doby gwiazdowej). Około 28 satelitów jest stale czynnych, a pozostałe są testowane bądź wyłączone z przyczyn technicznych.

9 A NavstarGPS satellite undergoing pre-launch testing. GPS Block IIIA satellite in orbit. Degradacje sygnału. Z chwilą wprowadzenia pełnej operacyjności systemu GPS zastosowano również dwa rodzaje celowej degradacji sygnału satelitów powodującej zmniejszenie dokładności wyznaczeń bezwzględnej pozycji. I tak selectiveavailability (SA) polega na zniekształceniu poprawki zegarów satelitów GPS i ograniczeniu dokładności elementów orbit zawartych w sygnale satelitarnym. Natomiast istotą anti-spoofing (A-S) jest zaprzestanie emisji kodu precyzyjnego P i zastąpienie go innym tajnym wojskowym kodem Y. Oba rodzaje degradacji powodowały znaczne (kilkakrotne) zmniejszenie dokładności określenia pozycji bezwzględnej wyznaczanego punktu. Jeśli natomiast chodzi o pozycję względną, to degradacja selectiveavailability miała niewielki wpływ na wyznaczanie różnicy współrzędnych, podczas gdy degradacją anti-spoofing obarczone są wszystkie precyzyjne urządzenia GPS z możliwością odbioru kodu P. Najnowsze instrumenty mają jednak specjalne oprogramowanie wewnętrzne pozwalające na obróbkę odbieranego kodu Y. I choć go nie rozumieją, to wykorzystując pewne wspólne elementy obu kodów, pozwalają osiągnąć taki wynik, jakby pomiar był wykonywany z użyciem kodu P. Stosowane są tu najczęściej metody opracowania sygnału nazywane crosscorellationlub Z-tracking. Aby w przyszłości uniknąć komplikacji z korzystaniem przez użytkowników cywilnych z istniejącego sygnału wojskowego Y, administratorzy systemu GPS zamierzają wprowadzili dla nich w roku 2006 trzeci sygnał L5 (1176,45 MHz).

10 Pierwszy satelita nowego systemu pojawił się na orbicie w 1978 roku, ale niedługo potem system stał się dostępny również dla użytkowników cywilnych. Było to następstwem zestrzelenia przez Rosjan cywilnego Jumbo Jeta z 269 osobami na pokładzie, który z powodu błędu nawigacyjnego naruszył radziecką przestrzeń powietrzną. Aby nie dopuścić do takich sytuacji w przyszłości, prezydent Ronald Regan zdecydował o udostępnieniu nawigacji satelitarnej do zastosowań cywilnych za darmo i na całym świecie. Przez pierwsze kilkanaście lat dokładność wersji cywilnej ograniczono do około 100 metrów, stosując zakłócanie sygnału nazywane SA (SelectiveAvailability). Zniesiono je dopiero w 2000 roku (za prezydentury Clintona). Każdy wykres pokazuje rozrzut pozycji 24 godzin danych (od 00:00 do 23:59 UTC) wykonanych na jednej ze stale działających stacji referencyjnych (CORS). W dniu 2 maja 2000 r. SA została ustawiona na zero. Wykresy pokazują, że SA powoduje, że 95% punktów rozłożone jest w promieniu 45,0 metrów. Bez SA 95% punktów mieści się w promieniu 6,3 metra.

11 III generacja 23 grudnia 2018 roku z powodzeniem wystrzelono pierwszego satelitę GPS III generacji. Najważniejszą zmianą, jaką przyniesie III generacja satelitów, będzie nowy podstawowy cywilny sygnał L1C. Po pierwsze, będzie on bardziej kompatybilny z innymi sygnałami GNSS, przede wszystkim z nadawanym w ramach europejskiego systemu Galileo sygnałem E1. Ma to ułatwić budowanie wielosystemowych odbiorników satelitarnych. Po drugie, L1C ma zapewnić lepszą jakość pozycjonowania w trudnych warunkach pomiarowych w szczególności w miastach. Co istotne, charakterystyka L1C gwarantuje jego wsteczną kompatybilność z dotychczasowym podstawowym sygnałem L1. Na pełną dostępność L1C musimy jednak jeszcze poczekać do końca lat 20. Wystrzeliwanie kolejnych satelitów GPS III będzie również oznaczać coraz lepsze pokrycie świata dwoma pozostałymi cywilnymi sygnałami GPS, czyli L2C oraz L5. Globalna dostępność tego pierwszego ma zostać osiągnięta w 2021 r., a drugiego w 2024 r. Kolejny wyróżnik nowej generacji to dłuższa żywotność satelitów. Ich oczekiwany czas pracy wzrasta z 12 do 15 lat. Nowością jest także użycie do wystrzelenia tego satelity rakiety wielokrotnego użytku Falcon9, co pozwala znacznie obniżyć koszty operacji. Wcześniej wykorzystywano do tego celu jednorazowe rakiety należące do United Launch Alliance. Galileo europejski, cywilny system nawigacji satelitarnej, uruchomiony 15 grudnia Jego zaletą jest mniejszy promień błędu niż dla GPS. Segment kosmiczny będzie się składał z 24 satelitów operacyjnych i 6 zapasowych, równomiernie rozmieszczonych na trzech orbitach. Wysokość orbity będzie wynosić km, a kąt inklinacji 56 (obserwacja do 75 szerokości geogr). Satelity będą nadawać 10 sygnałów w trzech pasmach częstotliwości. Sygnały oznaczone numerami 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9 i 10. Pozostałe sygnały będą szyfrowane i dostępne tylko dla użytkowników mających dostęp do serwisu komercyjnego CS i serwisu regulowanego publicznie PRS. Część sygnałów nie będzie zawierać żadnych danych i będzie przeznaczona do wyznaczania poprawki jonosferycznej w celu zwiększenia dokładności. Będzie to istotna przewaga Galileo nad systemem NAVSTAR-GPS. Serwis otwarty (Open Service OS) darmowy serwis przeznaczony do wyznaczania współrzędnych horyzontalnych z dokładnością od 15 do 4 m, wysokości z dokładnością od 35 do 8 m i czasu. Serwis bezpieczeństwa życia (Safetyof Life Service SoL) jego zadaniem będzie rozszerzenie serwisu otwartego o ostrzeżenia o utracie integralności danych. Użytkownik w czasie kilku sekund zostanie powiadomiony o spadku dokładności wyznaczanej pozycji, co ma szczególne znaczenie np. w lotnictwie, transporcie morskim itd. Serwis komercyjny (Commercial Service CS) Będzie oferował większą dokładność (do 0,8 m w poziomie i do 1 m w pionie) oraz umożliwi przesyłanie wiadomości od stacji naziemnych do użytkowników. Prawdopodobnie też zostanie zapewniona gwarancja jakości funkcjonowania systemu. Dostęp do tego serwisu będzie odpłatny. Serwis regulowany publicznie (Public RegulatedService PRS) będzie przeznaczony dla wybranych użytkowników wymagających bardzo wysokiej dokładności i wiarygodności danych. Poza danymi niezbędnymi do określenia pozycji i czasu będzie dostarczał wiadomości związane z bezpieczeństwem narodowym, dotyczące transportu, telekomunikacji i energetyki itd. Dostęp do niego będą miały europejskie instytucje związane z bezpieczeństwem narodowym, organy ścigania.

12 Galileo-FOC [ESA] orbits of the 30-satellite Galileo constellation. GLONASS (ros. ГЛОНАСС, Глобальная навигационная спутниковая система) rosyjski, satelitarny system nawigacyjny obejmujący swoim zasięgiem całą kulę ziemską. Podobnie jak GPS jest systemem stadiometrycznym, czyli pozycja jest wyznaczana w punkcie przecięcia czterech sfer o promieniach obliczonych na podstawie czasu propagacji sygnału i środkach znanych z depesz nawigacyjnych wysyłanych przez satelity. Charakterystyka orbit: prawie kołowe, wysokość h = km (nieco niższe niż satelity GPS), okres obiegu T = 11,25 h (satelity GPS mają okres obiegu 12-godzinny), nachylenie i = 64,8 bliskie nachyleniu krytycznemu

13 Cechą charakterystyczną konstelacji GLONASS jest to, że każdy dany satelita przechodzi tylko przez to samo miejsce na Ziemi co ósmy dzień gwiazdowy. Ponieważ jednak każda płaszczyzna orbity zawiera osiem satelitów, satelita przejdzie przez to samo miejsce w każdy dzień gwiezdny. Dla porównania, każdy satelita GPS przechodzi przez to samo miejsce raz na każdy dzień gwiazdowy. Kąt inklinacji orbit satelitów GLONASS pozwala na lepsze pokrycie satelitami wyższych szerokości geograficznych niż w przypadku systemu GPS. Zdecydował o tym fakt, że na szerokościach okołobiegunowych prowadzona jest intensywna żegluga rosyjskich okrętów podwodnych, nosicieli broni jądrowej. Beidou(Wielka Niedźwiedzica) chiński satelitarny system nawigacyjny, który na razie obejmuje swoim zasięgiem tylko obszar Azji. Docelowo ma być systemem globalnym. Aktualnie funkcjonuje system Beidou-1 składający się z 4 satelitów geostacjonarnych -3 aktywnych i jednego zapasowego. Pierwsze satelity wystrzelono w 2000 roku. W grudniu 2011 działały tylko dwa. System ten ma charakter wyłącznie testowy. Jego następcą (ale nie rozwinięciem) ma być globalny system Beidou-2znany również pod eksportową nazwą Compass. System ten będzie złożony z 5 satelitów geostacjonarnych i 30 poruszających się po orbitach o średniej wysokości. Dokładność wyznaczania pozycji udostępniona komercyjnym użytkownikom będzie wynosiła około 10 metrów, a prędkości 0,2 m/s. Compassdziała w rejonie Azja-Pacyfik od grudnia 2011 roku, używając wtedy 10 aparatów, a zasięgiem obejmując w 2012 roku obszar Azji i Pacyfiku. Obecnie (od 2015) budowany jest globalny system Beidou-3 (obecnie jest na orbicie 9 jego satelitów). Pełną operacyjność (czyli 35 satelitów) i globalny zasięg system ma osiągnąć do 2020 roku.

14 Zadanie domowe :

15 Doba gwiazdowa, doba syderyczna (dawniej: dzień gwiazdowy, dzień syderyczny) czas gwiazdowy między dwoma kolejnymi górowaniamipunktu równonocy wiosennej (punktu Barana) i równy okresowi obrotu Ziemi wokół własnej osi względem gwiazd, czyli około 23 godzinom 56 minutom i 4,091 średnim sekundom słonecznym ( sekund). Dobę gwiazdową dzieli się na 24 godziny gwiazdowe, te na 60 minut gwiazdowych, a te z kolei na 60 sekund gwiazdowych. Doba gwiazdowa znajduje zastosowanie w badaniach astronomicznych, gdyż określa czas, który potrzebny jest do pełnego obrotu sfery niebieskiej.