Systemy nawigacji satelitarnej. Przemysław Bartczak

Transkrypt

1 Systemy nawigacji satelitarnej Przemysław Bartczak

2 Zniekształcenia i zakłócenia Założenia twórców systemu GPS było, żeby pozycja użytkownika była z dokładnością m. Tymczasem po uruchomieniu systemu okazało się ze dokładność jego wynosi m. Ze względów bezpieczeństwa władze USA postanowiły obniżyć dokładność systemu dla nieautoryzowanych użytkowników. Zakłócenie oficjalnie działało od 25 marca 1990 roku do 2 maja 2000 roku i nazwano Selective Availability (SA). Z założenia zakłócenie to, polegające na celowym, okresowym zaburzaniu sygnału emitowanego przez satelitę, składa się z dwóch czynników, zwanych procesami: ε (epsilon), w którym zaburzana jest efemeryda; dla uzytkownika oznaczało to błędne obliczenie współrzędnych satelity, co prowadziło do błędu w pozycji do 70 m w ciagu godziny, δ (delta), w którym zaburzana jest informacja o częstotliwości zegara satelity; dla użytkownika oznaczało to błąd w określeniu momentu wysłania sygnału przez satelitę, co prowadziło do błędu o.k. 50 m o okresie 4 do 12 minut.

3 Zniekształcenia i zakłócenia Druga metoda ograniczenia dostępu do systemu GPS jest metoda polegająca na szyfrowaniu, poprzez zmianę częstotliwości modulacji około 0,5 Hz, kodu P w kod Y. Kod ten stosowany jest w przypadkach szczególnych(np. operacje ściśle wojskowe). Wraz z kodem Y zostaje włączony specjalny system, określany angielskim terminem anti-spoofing (A-S). System ten uniemożliwia imitowanie przez kogokolwiek sygnałów systemu GPS, zapobiegając tym samym próbom zakłócania pracy urządzeń odbiorczych. Uruchomienie A-S nastąpiło przy pierwszym uruchomieniu kodu Y w dniu 31 stycznia 1994 roku. Opisane zakłócenia SA oraz A-S nazywane są też degradacją systemu.

4 Różnicowe systemy nawigacyjne W celu polepszenia dokładności systemu i ominięciu degradacji sygnału wiele instytucji przystąpiło do badań na systemami które bazują na ogólnie dostępnym kodzie C/A. W wyniku prac powstały różnicowe nawigacyjne systemy satelitarne: Differential GPS (DGPS), Differential GLONASS (DGLONASS). Idea pomiarów różnicowych w nawigacyjnych systemach satelitarnych polega na wykorzystaniu synchronicznych w czasie pomiarów dokonywanych co najmniej przez dwa odbiorniki danego systemu w celu eliminacji skorelowanych błędów pomiarowych.

5 Różnicowe systemy nawigacyjne błędu efemerydy, odchyłki wzorca czasu, refrakcji troposferycznej, refrakcji jonosferycznej, błędy z powodu degradacji sygnału GPS. Do zalet DGPS należy zmniejszenie błędów: Do wad DGPS należy: krótki czas wiarygodności poprawek różnicowych, ograniczony zasięg oddziaływania stacji referencyjnej, wraz ze wzrostem odległości od stacji spada wiarygodność poprawek różnicowych, brak eliminacji szum własny odbiornika, brak eliminacji efektu wielotorowości sygnału satelitarnego (multipath).

6 Różnicowe systemy nawigacyjne Metody określania poprawek różnicowych: Pierwsza metoda Stacja różnicowa na podstawie pomiarów pseudoodległości do wszystkich widocznych w danym momencie satelitów określa własną pozycje P o i porównuje ją ze znaną bardzo dokładnie pozycje rzeczywistą P r. Różnice między współrzędnymi pozycji P o i P r stają się poprawkami róznicowymi. Metoda ta jest najprostsza i najtańsza w eksploatacji, ale nie znalazła szerszego zastosowania, gdyż wiarygodność w ten sposób obliczonych poprawek maleje szybko wraz z oddalaniem się od stacji różnicowej. Dodatkowym ograniczeniem jest warunek określenie pozycji na podstawie tej samej konfiguracji satelitów zarówno dla stacji bazowej jak i odbiornika.

7 Różnicowe systemy nawigacyjne Metody określania poprawek różnicowych: Pierwsza metoda Bardzo trudno spełnić ten warunek, ponieważ: W różnych odbiornikach stosowane są różne kryteria doboru satelitów i różne algorytmy obliczeniowe. Różnica w konfiguracji satelitów prowadzi do zwiększenia błędu określenia pozycji odbiornika. przy odbiorze sygnałów z satelity dolna graniczna wysokość topocentryczna w odbiorniku użytkownika może okazać się inną niż wysokość przyjęta w odbiorniku stacji. odbiornik użytkownika może w danej chwili określać swą pozycję w trybie 2D, a stacja w trybie 3D.

8 Różnicowe systemy nawigacyjne Metody określania poprawek różnicowych: Druga metoda Odbiornik stacji różnicowej mierzy pseudoodległości ρ io do wszystkich widocznych w danym momencie satelitów. Z uwagi na to, że sygnały z satelity zawierają informację o jego aktualnym położeniu na orbicie, a pozycja stacji jest dokładnie znana, istnieje możliwość obliczenia rzeczywistej odległości ρ ir. Róznica między tymi dwiema odległościami staje się poprawką różnicową PRC (pseudorange correction) dla i-tego satelity. Wartość bezwzględna PRC dla satelitów znajdujących się na orbitach o wysokości rzędu 20 tys. km, może dochodzić do kilkudziesięciu metrów. Metoda ta okazała się najlepszą i jest obecnie powszechnie stosowana przez stacje różnicowe systemu GPS.

9 Różnicowe systemy nawigacyjne Metody określania poprawek różnicowych: Trzecia metoda Stacja różnicowa funkcjonuje jako tzw. pseudosatelita, to znaczy, że traktowana jest przez odbiornik użytkownika jako dodatkowy satelita. Poprawki pseudoodległości do wszystkich satelitów są obliczane i dołączane do pozostałych danych emitowanych przez pseudosatelitę. Rozwiązanie to wymaga jednak wyposażenie stacji różnicowej pseudosatelity w bardzo stabilny wzorzec czasu. Pseudosatelita transmitowałby poprawki różnicowe na częstotliwości nośnej danego systemu satelitarnego lub bardzo jej bliskiej. Poprawki te były by przesyłane z tą samą prędkością, przy tej samej modulacji i formacie, którą używa system satelitarny.

10 Różnicowe systemy nawigacyjne Metody określania poprawek różnicowych: Trzecia metoda Zalety metody pseudosatelity: Do przesyłania poprawek nie zachodzi konieczność tworzenia dodatkowego łącza komunikacyjnego, stacja różnicowa spełnia rolę dodatkowego satelity, zapewniając tym samym możliwość przeprowadzenia pomiaru jeszcze jednej pseudoodległości, co często poprawiało by geometrię systemu. Wady metody: Ograniczenie zasięgu stacji do zasięgu optycznego, Występowanie zakłóceń interferencyjnych powodowanymi dużymi wahaniami poziomu sygnału w pobliżu stacji różnicowej.

11 Zasada wyznaczenia poprawek W stacji referencyjnej dla wszystkich widocznych satelitów porównywana jest zmierzona w jej odbiorniku pseudoodległość ρ z z odległością ρ o obliczoną na podstawie rozkodowanych efemeryd i parametrów stacji. Gdzie: c( t t t t ), z c t o t t j wu t wu ws ρ t -- rzeczywista odległość topocentryczna do satelity, Δt j wydłużenie czasu z powodu przejścia sygnału przez jonosferę, Δt t wydłużenie czasu z powodu przejścia sygnału przez troposferę, Δt wu, Δt ws,ζ -- szumy własne odbiornika, odbicia wielokrotne itp.. Na tej podstawie wyznaczana jest poprawka Δρ, oznaczona symbolem PRC, Równa różnicy między odległością ρ o z pseudoodległością ρ z : o z c[ t ( t t )] ws t j

12 Zasada wyznaczenia poprawek Po uwzględnieniu dodatkowego błędu w pomiarze pseudoodległości z powodu błędu efemeryd Δε s poprawkę PRC można przedstawić w postaci: RPC c[ t ( t t )] ws t j s Z uwagi na to, że obliczona przez stację w chwili t 0 poprawka PRC zostaje uwzględniona w odbiorniku użytkownika dopiero po upływie pewnego czasu w chwili t. Dlatego w stacji referencyjnej jest obliczana dodatkowo poprawka RRC ( Rate of Pseudo-Range Correction), która dotyczy prędkości zmian poprawki PRC. PRC( t) PRC( t0) RRC( t0)( t t0) Przedział czasu (t-t 0 ) nosi nazwę latency. Przedział ten musi być dość krótki i nie powinien przekraczać 10 sekund.

13 Różnicowe systemy nawigacyjne Metody transmisji poprawek różnicowych: Do transmisji poprawek różnicowych wykorzystuje się zakresy częstotliwości fal radiowych: Częstotliwość nośna radiolatarni morskich, czyli przedział 283,5-325 khz, zasięg km, szybkość transmisji 200 bodów, Częstotliwość fal pośrednich, czyli przedział 1,5-4 MHz; mniejsze zakłócenia niż radiolatarni, za to zakłócenia jonosferyczne ograniczają zasięg, szybkość transmisji 200 bodów Częstotliowść UKF, czyli częstotliwości powyżej 30 MHz, satbilna, szybka i pozbawionów błędów transmisja danych; zastosowana najczęsciej w systemach lokalnych i dla potrzeb lotnictwa, Częstotliwości stosowane w nawigacyjnych systemach satelitarnych, czyli rzędu 1,5 GHz, wykorzystuje się do transmisji satelity geostacjonarne Nowe media transmisji : telefonia komórkowa GSM, internet.

14 Różnicowe systemy nawigacyjne Określenie pozycji użytkownika: Wyróżnia się dwie metody określenia pozycji użytkownika za pomocą nawigacyjnego systemu satelitarnego z wykorzystaniem poprawek różnicowych określanych w brzegowej stacji referencyjnej. W pierwszej z nich wszelkie pomiary oraz określenie pozycji realizowane jest w czasie rzeczywistym, tzw. real-time. Druga, zwana post processing, polega na korygowanie przeprowadzonych w odbiorniku użytkownika pomiarów względem satelitów za pomocą poprawek różnicowych w trybie obróbki komputerowej, ale już po zakończeniu sesji pomiarowej, na podstawie zarejestrowanych w odbiorniku surowych pomiarów.

15 Protokół transmisji RTCM (X,Y,Z,t) (X,Y,Z,t) (X,Y,Z,t) (X,Y,Z,t) (X,Y,Z,t) Data Centre RTCM SC-104 Ver. 2.1 Ref. Stn X,Y,Z Pseudo-range + Corrn. Carrier Phase + Corrn. NMEA 0183 Real Time Position of Rover Fix the Ambiguity cm position accuracy

16 Protokół transmisji Ogólno światowym standardem stał się format transmisji RTCM SC-104. Format RTCM jest bardzo podobny do formatu przesyłanych z satelitów depeszy nawigacyjnej systemu GPS. W zależności od rodzaju emitowanej przez stację informacji i liczby widocznych przez nią satelitów wyróżniono kilkanaście typów wiadomości charakteryzujących się zmienną liczbą słów.

17 Protokół RTCM SC-104 Protokół danych przesyłanych w czasie rzeczywistym Ciągły i binarny strumień dobry format do poprawek w czasie rzeczywistym Istnieją równe wersje protokołu: RTCM2.0 RTCM2.1 RTCM 2.2 RTCM 2.3 RTCM 3.0

18 RTCM Data Format Blok danych zawiera kilka typów wiadomości dla różnych parametrów Message 1, Message2. Message N Każdy Message zawiera nagłówek i wiadomość Nagłówek: typ wiadomości, czas, długość wiadomości, Wiadomość: dane w różnych formatach Blok danych nie musi zawierać wszystkich typów message Niektóre są przesyłane co sekundę (e.g. code corrections) Inne są przesyłane cyklicznie (e.g. base station coordinates)

19 Opis różnych wersji RTCM RTCM 2.0 Tylko do DGPS (message 1,9) i RTK data RTCM 2.1 Zachowuje zgodność z RTCM 2.0 Dodane nowe message danych fazowych i poprawek RTK RTCM 2.2 Zawieraja dane GLONASS i związane z nimi informacje Dodano nowe message RTCM 2.3 Typ anteny (message 23) ARP information (message 24) RTCM 3.0 RTCM 2.3 wymaga prędkości transmisji 4800 bps w podwójnej częstotliwości i koryguje obserwacje fazowe dla 12 satelitów. RTCM 3.0 przesyła te informacje z prędkością 1800 bps. Przygotowanie miejsca do poprawek z innych systemów nawigacji np. GALILEO