GPS BUDOWA I ZASTOSOWANIE SYSTEMU NAWIGACJI SATELITARNEJ

Transkrypt

1 POLITECHNIKA RZESZOWSKA im. Ignacego Łukasiewicza Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa Katedra Awioniki i Sterowania GPS BUDOWA I ZASTOSOWANIE SYSTEMU NAWIGACJI SATELITARNEJ Mikołaj KSIĘŻAK Seminarium Dyplomowe 2001/2002 LOTNICTWO - PILOTAŻ Streszczenie System nawigacji satelitarnej (GPS) jest ogólnoświatowym systemem radiowo nawigacyjnym, utworzonym z konstelacji 24 satelitów, naziemnych stacji kontroli oraz odbiorników. GPS wykorzystuje satelity jako punkty odniesienia aby wyliczyć pozycję (w przestrzeni) z dokładnością do metrów. Ponadto, w niektórych zaawansowanych systemach nawigacyjnych, uzyskiwana dokładność sięga milimetrów! Stacje naziemne (zwane również Segmentem kontroli ), prowadzą ciągły nadzór nad satelitami sprawdzając ich stan techniczny oraz aktualną pozycję w przestrzeni. Centralna stacja kontroli (w Colorado Springs) oblicza i przesyła do satelitów poprawki trajektorii i czasu. Jedynymi nadajnikami w tym systemie są satelity i stacje nadzoru. Odbiorniki GPS są bierne, a ich konstrukcja została zminimalizowana do kilku niezbędnych obwodów dzięki czemu stały się niedrogie w produkcji, a co za tym idzie dostępne praktycznie dla każdego. W dzisiejszych czasach, odbiorniki GPS, znajdują zastosowanie w samochodach, łodziach, samolotach, urządzeniach geodezyjnych i budowlanych czy nawet zegarkach. 1. Wstęp Globalny System Pozycyjny GPS (Global Positioning System), zwany również globalnym systemem lokalizacyjnym, jest spełnieniem odwiecznych marzeń nawigatorów o możliwości określenia pozycji, niezależnie od tego gdzie i kiedy (dostępność przez 24 godziny na dobę) się znajdujemy oraz jakie warunki atmosferyczne panują w danym miejscu. System GPS jest układem biernym, co znaczy, że liczba użytkowników tego systemu jest praktycznie nieograniczona, ponieważ sygnał nadawany jest wyłącznie przez satelity a użytkownik posiada jedynie urządzenie odbiorcze. Rozwiązanie to jest bardzo wygodne, ponieważ minimalizuje skomplikowanie budowy odbiornika, a zarazem jego koszt. 2. Historia systemu W 1957 naukowcy z Uniwersytetu w Baltimore (USA), wykorzystując sygnały radiowe nadawane przez radzieckiego satelitę Sputnik I, zauważyli możliwość wykorzystania sztucznych satelitów Ziemi do nawigacji. Rozpoczęto szczegółowe badania i już na przełomie lat pięćdziesiątych i sześćdziesiątych powstał pierwszy skuteczny system nawigacji satelitarnej Transit SATNAV. W roku 1964 została ogłoszona jego zdolność operacyjna, a w 1967 udostępniono system do celów cywilnych (opracowano go dla potrzeb marynarki wojennej USA). Ze względu na małą ilość satelitów (6), odbiór sygnałów nie był zapewniony na całej Ziemi. W tym samym czasie powstał radziecki odpowiednik systemu Transit system Cykada. Nieustannie prowadzono badania nad udoskonaleniem zarówno nadajników jak i odbiorników oraz wyznaczeniu odpowiednich orbit i trajektorii satelitów. Aż w roku 1973 rozpoczęto prace nad systemem, który służy nam do dziś GPS NAVSTAR. Wysiłki konstruktorów skoncentrowały się na następujących założeniach: działanie całodobowe dostęp w każdym miejscu na Ziemi zachowanie parametrów bez względu na warunki atmosferyczne M. Księżak Budowa i zastosowanie systemu nawigacji satelitarnej MK - 1

2 odporność na celowe zakłócenia i zniekształcenia zakładana dokładność określania: pozycji 10 m, prędkości 0,1 m/s, czasu t<1 µs bierny odbiornik, nie emitujący żadnych sygnałów niskie koszty korzystania z systemu W dniu uruchomiono system GPS NAVSTAR, a osiągnął on pełną zdolność operacyjną. [2,3] 3. Elementy Globalnego Systemu Pozycjonowania GPS - Navstar 3.1. Segment kosmiczny Segment kosmiczny składa się z konstelacji 24 aktywnych satelitów, okrążających Ziemię w ciągu 12 godzin. Na każdej z sześciu orbit konstelacji znajdują się cztery satelity na wysokości ponad km nad powierzchnią Ziemi. Orbity są rozmieszczone wokół całej Ziemi i nachylone do powierzchni równika pod kątem 55. [2,3] Rys. 1. Rozmieszczenie satelitów: a) położenie przestrzenne, b) rozwinięcie na powierzchnię [3] Arrangement of satellites: spatial orientation surface development 3.2. Segment kontroli Na segment kontroli składa się 5 stacji nadzoru, rozmieszczonych możliwie równomiernie wokół Ziemi w pasie równikowym (rys.2). Pozwala to na śledzenie satelitów w całym zakresie szerokości geograficznych, w których satelity mogą się znajdować w zenicie. Zadaniem stacji nadzoru jest: prowadzenie ciągłego nasłuchu sygnałów z satelitów, sprawdzanie poprawności działania satelitów, śledzenie i sprawdzanie orbit satelitów, zbieranie danych do poprawek jonosferycznych i pomiaru czasu, przesyłanie informacji do stacji centralnej (MCS), przekazywanie informacji do satelitów, Ponadto stacja centralna (MCS) w Colorado Springs spełnia dodatkowe funkcje, tj.: obliczanie parametrów orbit satelitów (efemeryd), wyznaczanie poprawek zegarów satelitów, podejmowanie decyzji o korektach orbit, przekazywanie do satelitów danych efemeryd i poprawek zegara w celu ich retransmisji w depeszy nawigacyjnejsatelitów. [3] M. Księżak Budowa i zastosowanie systemu nawigacji satelitarnej MK - 2

3 Rys. 2. Rozmieszczenie stacji nadzoru. [3] Arrangement of monitor stations Segment użytkownika. Na ten segment składają się najróżniejsze odbiorniki GPS, zarówno wojskowe jak i cywilne. Mogą być to pojedyncze urządzenia lub złożone systemy nawigacyjne (np. GNS). Odbiorniki mogą mieć różny kształt, inną dokładność oraz oprogramowanie dostosowane do potrzeb, ale w każdym przypadku ich budowa oparta jest na jednym schemacie (rys. 3). Dodatkowo wszystkie odbiorniki wyposażone są w antenę o charakterystyce umożliwiającej odbiór sygnałów z całego obszary sfery niebieskiej. [2,3] Rys. 3. Podstawowe bloki funkcjonalne odbiornika GPS. [3] General elements of GPS receiver. 4. Zastosowanie praktyczne systemu GPS 4.1. Zasada działania systemu GPS. Każdy satelita transmituje dwa rodzaje sygnałów: L1 ( MHz) i L2 ( MHz). Sygnał L1 jest przetwarzany dwoma pseudo-przypadkowymi sygnałami zagłuszającymi: chronionym kodem P i kodem C/A. Sygnał L2 zawiera jedynie kod P. Każdy satelita wysyła inny sygnał, co ułatwia odbiornikom rozpoznanie, z którego satelity pochodzi dany sygnał. Cywilne odbiorniki do nawigacji wykorzystują jedynie kod C/A na M. Księżak Budowa i zastosowanie systemu nawigacji satelitarnej MK - 3

4 częstotliwości L1. Niemniej jednak niektóre wyspecjalizowane cywilne odbiorniki geodezyjne mogą przetwarzać sygnał o częstotliwości L2 w celu uzyskania dokładnych pomiarów. Odbiornik na podstawie czasu wysłania sygnału przez satelitę i czasu dotarcia sygnału do odbiornika oblicza czas potrzebny na pokonanie tej drogi. Jeśli odbiornik posiada bardzo dokładny zegar, dobrze zsynchronizowany z zegarem satelity, do określenia trójwymiarowej pozycji wystarczają jedynie pomiary z trzech satelitów. Niestety, zwykłe odbiorniki nawigacyjne ze względu na swoją cenę jak i rozmiary nie są wyposażone w tak dokładne zegary, w związku z tym, do usunięcia błędu zegara potrzebny jest dodatkowy pomiar z czwartego satelity. Pomiar z jednego satelity określa pozycję na powierzchni sfery, której środkiem jest miejsce położenia danego satelity. W związku z błędem zegara cztery sfery satelitów wykorzystywanych do pomiaru mogą nie przecinać się w jednym punkcie. Odbiornik dostosowuje odczyty czasu z poszczególnych zegarów i w ten sposób podaje dokładną informację o czasie i pozycji. W związku z tym, że odbiornik synchronizuje swój zegar z czasem GPS, może być wykorzystywany jako dokładne narzędzie podawania czasu. [2,3,4] 4.2. Dokładność wskazywania pozycji. Standardowy serwis pozycjonowania dostępny dla użytkowników cywilnych zapewnia dokładność poziomą rzędu 20 m przez 95% czasu. Do 1 maja 2000 roku dokładność ta była mniejsza (ok. 100 m) ze względu na celowe zagłuszanie sygnału (przez Departament Obrony USA) zwane ograniczonym dostępem (tzw. SA). Dokładność pionowa jest około 1.5 razy mniejsza niż dokładność pozioma. Firma Trimble Navigation w broszurze pt. GPS - A guide to the next utility" podaje następujące oszacowanie błędów dla komercyjnych odbiorników nawigacyjnych: błąd zegara satelity - 0,6 m błąd efemerydy - 0,6 m błędy odbiornika - 1,2 m błędy spowodowane wpływem atmosfery/ jonosfery - 3,6 m SA - 7,5 m. Przewidywaną dokładność oblicza się poprzez pomnożenie powyższych wartości przez wskaźnik PDOP (rozmycie dokładności pozycji), który zazwyczaj wynosi od 4 do 6. Daje to dokładność rzędu 30 m. Dokładność oferowaną przez system można poprawić poprzez uśrednienie pomiarów wykonanych w danym przeciągu czasu. [3,4] Wspomniana powyżej 30 metrowa dokładność dotyczy jednoczęstotliwościowych odbiorników nawigacyjnych, które aktualizują swoją pozycję co sekundę. Bardzo dokładne pomiary przeprowadza się przy użyciu innych odbiorników określanych mianem systemów kartograficznych/geodezyjnych". Systemy te używają obydwu częstotliwości oraz skorygowanych danych, uzyskanych poprzez porównanie pomiarów z odbiornika ruchomego i pomiarów z odbiornika stacjonarnego o znanej lokalizacji. Mogą one również dokonywać uśredniania pozycji co pewien okres czasu. Uśrednianie to pozwala raczej określić bardzo dokładnie różnice w pomiarze pozycji pomiędzy odbiornikiem ruchomym i stacjonarnym, niż absolutną pozycję obydwu odbiorników. [2,3,4] 4.3. Ograniczenie dostępu (SA). SA (Selective Availibility) było to celowe zmniejszanie dokładności systemu GPS w celu zapobiegnięcia wykorzystaniu go przez wrogie armie w celach taktycznych. Stany Zjednoczone zdecydowały wyłączyć SA od 1 maja 2000 roku. Wcześniej jednak zdarzało się, że chwilowo rezygnowano z jego stosowania np. podczas wojny w Zatoce Perskiej i podczas inwazji na Haiti, ponieważ wówczas armia nie posiadała dostatecznej liczby odbiorników wojskowych i korzystano również z odbiorników cywilnych. Odbiorniki wojskowe mogą korzystać z odszyfrowanego kodu P i uzyskiwać dokładność około 20 m. [2] 4.4. Ograniczenia użytkowania systemu w stosunku do wartości prędkości i wysokości. System nie posiada żadnych ograniczeń prędkości i wysokości, ale zgodnie z wymogami Stanów Zjednoczonych komercyjne odbiorniki mogą poprawnie pracować jedynie poniżej prędkości 1665 km/h i poniżej wysokości 18 km. Istnieje możliwość uzyskania zezwolenia na przekroczenie tych limitów w przypadku szczególnych zastosowań systemu, takich jak np. rakiety badawcze. Firma Garmin ograniczała dawniej możliwości użytkowania swoich modeli nie przeznaczonych dla lotnictwa (np. 40 i 45) do pracy poniżej prędkości 166,5 km/h. Gdy ta prędkość została przekroczona, odbiornik wyświetlał informację o błędzie i przestawał aktualizować pozycję. Takie ograniczenie wynikało również ze względów marketingowych, ponieważ lotnicy zmuszeni byli kupować droższe, przeznaczone dla lotnictwa modele odbiorników, które zawierają lotniczą bazę danych. Garmin zaprzestał stosowania tej praktyki z chwilą wypuszczenia na rynek swoich 12 kanałowych odbiorników (GPS 12/12XL/II+/III). [2,3,4] 4.5. Różnicowy system GPS (DGPS). Różnicowy GPS (DGPS) to sposób korygowania niektórych błędów systemu GPS przy wykorzystaniu błędów zaobserwowanych w miejscu o znanej lokalizacji, które następnie są używane do skorygowania odczytów pozycji ruchomego odbiornika. Podstawą korekcji jest to, że stacja referencyjna zna" swoją pozycję i w ten sposób określa różnicę pomiędzy znaną pozycją i pozycją określoną przez odbiornik GPS. Uzyskany pomiar błędu jest następnie przesyłany do ruchomego odbiornika, który może poprawić obliczone przez siebie pozycje. Niestety wielkość błędów zależy od tego, które satelity zostały wykorzystane do pomiaru pozycji, M. Księżak Budowa i zastosowanie systemu nawigacji satelitarnej MK - 4

5 dlatego też stacja referencyjna nie może po prostu zalecić" przesunięcie wszystkich pozycji np. o 100 m na południe. Różnicowa stacja referencyjna oblicza błędy w pomiarze pseudo-odległości oddzielnie dla każdego satelity, będącego w jej polu widzenia i nadaje informację o błędach oraz informację o statusie systemu. Różnicowy odbiornik radiowy odbiera i dekoduje tą informację a następnie wysyła ja do różnicowego odbiornika GPS. Odbiornik GPS łączy odebraną informacje z indywidualnymi pomiarami pseudo-odległości zanim obliczy swoją pozycję. Dla zastosowań morskich, amerykańska i kanadyjska straż wybrzeża (oraz podobne agencje w innych państwach) zainstalowały stacje DGPS, które nadają dane korekcji różnicowej przez morskie odbiorniki radiowe na częstotliwości khz. Ten serwis morski jest dostępny bezpłatnie w Stanach Zjednoczonych i w Kanadzie, natomiast w innych krajach może być wymagana subskrypcja. DGPS eliminuje błędy wprowadzane dawniej przez ograniczony dostęp (SA) oraz błędy spowodowane przez opóźnienie sygnału w jonosferze. Dzięki temu błąd obliczonej pozycji wynosi około 10 m przez 95% czasu dla typowych systemów morskich DGPS, używających niedrogich odbiorników nawigacyjnych GPS. Lepsze odbiorniki oferują dokładność rzędu 3 m. Dane korekcyjne DGPS mogą być wykorzystywane w odległości 1500 km od stacji referencyjnej, jeśli są one częścią większej sieci monitorującej. Należy zauważyć, że zalecany zakres dla radioodbiorników morskich wynosi jedynie km, wobec czego na większe odległości musza być wykorzystywane inne sposoby transmisji danych. Dane korekcji różnicowej są powszechnie transmitowane przy użyciu standardu RTCM-104. Standard ten definiuje liczbę różnych komunikatów z danymi w formacie binarnym. Pierwszy komplet komunikatów od 1 do 17 został przewidziany do wykorzystania przez odbiorniki śledzące kod C/A i otrzymujące dokładność ok. 10 m. Koryguje on błędy spowodowane przez opóźnienie jonosferyczne, SA oraz inne, jednakże w ramach dokładności oferowanej przez kod C/A. Komunikaty od 18 do 21 zawierają dane korekcyjne fazy GPS używane w pomiarach kartograficznych. [1,3,5] Rys. 4. Schemat działania różnicowego systemu GPS. [3] Functioning scheme of differential GPS. ` 4.6. Systemy pomiarowe GPS i DGPS. Pomiarowe systemy GPS były jednymi z pierwszych komercyjnych zastosowań systemu GPS. Dokładność tego typu systemów jest znacznie większa od dokładności popularnych odbiorników nawigacyjnych, dzięki zastosowaniu post-processingowej korekcji różnicowej, wykorzystującej w tym celu dane zgromadzone przez stację referencyjną oraz poprzez uśrednianie danej pozycji przez pewien okres czasu śledząc fazę sygnału oraz innych technik, aby uzyskać zwiększoną dokładność. Tego typu systemy mogą zapewnić M. Księżak Budowa i zastosowanie systemu nawigacji satelitarnej MK - 5

6 dokładność nawet poniżej 1 cm, jednak są bardzo drogie: ceny wynoszą od ok do dolarów i więcej. [1,2,3] Do niektórych pomiarów są używane systemy DGPS krótkiego dystansu. Pracują one na stosunkowo niewielkich odległościach i oferują dokładność od 0,5 do 1 m. W tym wypadku dokładność przeprowadzanych pomiarów zależy od jakości i parametrów technicznych odbiornika oraz odległości pomiędzy odbiornikiem ruchomym a stacją referencyjną. Najbardziej elastycznym rozwiązaniem tego typu pomiarów jest posiadanie własnej stacji referencyjnej, co niestety podwaja koszty zestawu pomiarowego. [1,2] 4.7. Pomiary statyczne. Odbiorniki GPS mogą zostać umieszczone na poszczególnych pozycjach przez pewien okres czasu (od ok. 2 min. dla niewielkich odległości nawet do 1 godziny) i rejestrować niesformatowane dane pseudoodległościowe. Tak zarejestrowane dane można następnie poddać procesowi post - processingu, który wykorzystuje je jako punkt odniesienia dla ustalenia np. odległości i azymutu. Tak wyznaczona pozycja może osiągać dokładność rzędu 1 mm, ale w przypadku asymetrycznego rozmieszczenia satelitów lub większych odległości może być znacznie mniej dokładna. Metoda ta może zostać wykorzystana do wyznaczania bardzo dokładnych współrzędnych danego punktu (np. punktu triangulacyjnego lub współrzędnych punktu umieszczenia anteny na dachu). W ten właśnie sposób wyznaczane są nowe punkty referencyjnych stacji DGPS. [2] Literatura DCI (Differential Corrections Inc), April Kwiecień Narkiewicz J.: Podstawy układów nawigacyjnych. WKŁ, Warszawa, 1999, str Schiff B. :Commercial Pilot Mannual Navigation. Aviation supplies & Academics, Inc., Wells D.: Guide to GPS Positioning. Canadian GPS Associates, 1987 GPS STRUCTURE AND USE OF GLOBAL POSITIONING SYSTEM Mikołaj Księżak The Global Positioning System (GPS) is a worldwide radio-navigation system which is formed from a constellation of 24 satellites, their ground stations and user receivers. GPS uses these satellites as reference points to calculate positions accurate to a matter of meters. In fact, with advanced forms of GPS you can make measurements to better than a centimeter! Ground Stations (also known as the "Control Segment"), monitor the GPS satellites, checking both their operational health and their exact position in space. The master ground station transmits corrections for the satellite's ephemeris constants and clock offsets back to the satellites themselves. The satellites can then incorporate these updates in the signals they send to GPS receivers. These devices have been miniaturized to just a few integrated circuits and so are becoming very economical. And that makes the technology accessible to virtually everyone. These days GPS is finding its way into cars, boats, planes, construction equipment or even wrist watches. Soon GPS will become almost as basic as the telephone. M. Księżak Budowa i zastosowanie systemu nawigacji satelitarnej MK - 6