Global Positioning System (GPS) zasada działania

Transkrypt

1 Global Positioning Sstem GPS asada diałania

2 Metoda wnacania pocji GPS apewnia pocję 3D -,, H. Parametr nawigacjn odległość odbiornika od SV. Odległość od SV wlicana na podstawie pomiaru casu podcas prebtej drogi SV OD. Pseudoodległość wnik pomiaru odległości błędami w pomiare casu.

3 Odległość jako parametr nawigacjn Pocja jednowmiarowa Pocja dwuwmiarowa D Pocja trójwmiarowa prestrenna, 3D 3 S S r r r r pocja r r r 0 0 r r r

4 Odległość jako parametr nawigacjn Pocja jednowmiarowa Pocja dwuwmiarowa D Pocja trójwmiarowa prestrenna, 3D 4 S S 3 pocja S r r r r r r

5 Odległość jako parametr nawigacjn Pocja jednowmiarowa Pocja dwuwmiarowa D Pocja trójwmiarowa prestrenna, 3D r r r r W prpadku trech powierchni pocjnch jedno rowiąań najduje się w pobliżu powierchni Ziemi, a drugie jest od niej nacnie oddalone.

6 Metoda wnacania pocji Do wnacenia jednej powierchni pocjnej: Odebrać sgnał satelit. Określić położenie satelit w chwili nadania sgnału. Wnacć cas prebiegu sgnału od satelit do odbiornika. Oblicć odległość. 6

7 Metoda wnacania pocji określenie casu Mieron cas t składa się : Casu propagacji sgnału: SV OD t p Różnic wskaań egarów SVt s OD t o odchłki egara odbiornika od casu GPS Opóźnienia sgnału w jonosfere t j Opóźnienia sgnału w troposfere t t Innch cnników t r : nierównomiern obrót Ziemi, wielokrotność sgnału, celowe akłócenia lub celowe obniżenie dokładności Pseudoodległość p odległość wnacona na podstawie casu t 7

8 Metoda wnacania pocji określenie casu t o t o traktowana jest jako dodatkowa mienna i oblicana na podstawie pomiaru odległości do kolejnego satelit Błąd egara Odb. YY X 4 ZZ Błąd egara Odb. XX 3 Błąd egara Odb. ct o p i r i ri p i ct o 8

9 9 Metoda wnacania pocji równanie pocji r r r r c t p c t p c t p c t p o o o o i t o c p r i

10 Metoda wnacania pocji równanie pocji Do rowiąania równań stosuje się: Metod linearacji sprowadenie funkcji do postaci liniowej popre rowinięcie ich w sereg Talora. Metod iteracjne wnacanie prrostów współrędnch pocji obserwowanej w stosunku do nanch współrędnch pocji pocątkowej. 0

11 Metoda wnacania pocji D Pocja D wmaga prnajmniej 3 powierchni pocjnch pseudoodległości

12 Metoda wnacania pocji 3D Pocja 3D wmaga prnajmniej 4 linii pocjnch pseudoodległości Satellite Satellite Satellite 3 Satellite 4

13 Sgnał nadawane pre satelitę Ab wnacć powierchnię pocjną treba nać następujące informacje odctwane sgnału satelit: Cas, w którm ostał nadan sgnał, Miejsce na orbicie gdie najdował się satelita w momencie wsłania sgnału, Depesę nawigacjną. 3

14 Sgnał nadawane pre satelitę SV transmitują sgnał w pasmach: S: dwa kanał służące do prekawania informacji dotcącch obsługi samego sstemu L: dwa kanał służące do presłania depes nawigacjnej. 4

15 Sgnał nadawane pre satelitę Cęstotliwość fali nośnej: F podstawowa: 0,3 MH Dwa kanał transmisji: L=54F= 575,4 MH L=0F=7,60 MH W/w F powalają na pomiar odległości dokładnością mniejsą niż 0. m. Dwa kanał transmisji umożliwiają wlicenie aktualnch poprawek na refrakcję jonosfercną w celu więksenia dokładności pomiaru 5

16 Charakterstka anten P C/A L -63 dbm -60 dbm L -66 dbm -66 dbm.3 dla L 3.4 dla L 3.9 Minimaln poiom sgnału GPS, Antena satelit: Maksimum pr 40, słabse wmocnienie w centrum charakterstki Antena odbiornika więkse wmocnienie w enicie. dbm 6

17 Sgnał nadawane pre satelitę Sgnał emitowan pre satelit jest modulowan: Impulsowo umożliwia odtworenie informacji nawigacjnej sgnału bardo słabego, mniejsa możliwość akłóceń i niekstałceń, powala na transmisję sgnałów e wsstkich satelitów na tch samch cęstotliwościach. Sposób modulacji nawan jest kodem 7

18 Dostęp do pasma radiowego FDMA frequenc division multiple access Dostęp wielokrotn podiałem cęstotliwościowm. Sgnał są transmitowane na różnch cęstotliwościach. TDMA time division multiple access Dostęp wielokrotn podiałem casowm. Sgnał są transmitowane na tej samej cęstotliwości lec w odpowiednio prporądkowanm momencie casu. CDMA code division multiple access Dostęp wielokrotn podiałem kodowm. Do transmisji sgnału wkorstwane jest to samo pasmo cęstotliwości. Identfikacja nadajnika na podstawie charakterstcnego kodu identfikacjnego. 8

19 Pred modulacją Modulacja AM Pasmo transmisji Bepośrednio techniką dostępu do kanału radiowego wiąana jest serokość pasma transmisji. W celu presłania sgnału danch o serokości pasma B należ wkorstać pasmo cęstotliwości radiowej o serokości P: gdie: k współcnnik poserenia pasma. P kb Modulacja FM Modulacja poseronm widmem 0.5 k k 0 k 0 f[h] 9

20 Sgnał nadawane pre satelitę Sgnał emitowan pre satelit GPS ma postać fali nośnej, kodowanej faowo sgnałami: informacjnm, o prędkości 50 bitów na sekundę, pseudolosowm kodem C/A, taktowanm cęstotliwością,03 MH, pseudolosowm kodem P, taktowanm cęstotliwością 0,3 MH, pseudolosowm kodem Y, taktowanm cęstotliwością około 0.5 H. 0

21 Serokość pasma transmisji dla GPS Serokość pasma transmisji pr wkorstaniu kodu: 4 - C/A wnosi.046 MH k 0 - P wnosi 0.46 MH 5 k 0

22 Sgnał nadawane pre satelitę Sgnał pseudolosowe: Modulowane impulsowo faą ciąg pseudolosow Golda. Każd SV nadaje inn odcinek ciągu losowego co umożliwia identfikację satelit. Sekwencję odcinków ciągów prpisano SV tak ab sgnał innch SV nie bł e sobą skorelowane. Współ. autokoralacji dla jednego satelit posiada jedno maksimum Cas dojścia sgnału do OB. SV wnosi 60 8 ms

23 Pomiar casu propagacji t t 3

24 Sgnał nadawane pre satelitę Obieranie sgnału pre odbiornik 4

25 Sgnał nadawane pre satelitę Sgnał satelitarne są sgnałami o widmie roprosonm. Poiom moc sgnału satelitarnego jest o około 30 db niżs od poiomu sumów wmacniaca antenowego. Użwane są dwa cnniki roprasające: kod C/A coarse/acquisition-akwicji grubnej tlko na L kod P precise-dokładn na L i L. Minimalna moc sgnału odbieranego pre antenę odbiornika: -60 dbw L C/A -63 dbw L P -66 dbw L P. 5

26 Sgnał nadawane pre satelitę kod C/A Ogólnodostępn kod C/A coarse acquisition-akwicji grubnej. Każd satelita posiada inn kod. Bit kodu nawane są chipami Nadawan na L Odcinki modulacji kodem psdl. o dł. 03 bit Sbkość transmisji,03 Mbit/s Powtaralność odcinka kodu danego satelit ms co umożliwia sbką snchroniację kodu w odbiorniku nadawanm sgnałem. Powtaranie modulacji co ms pr prędkości fali km/s umożliwia rodielcość pomiaru ok. 3000m pr błędie równm odcinkowi kodu. W praktce dokładność pseudoodległości jest więksa niż 0 do 30 m. 6

27 Sgnał nadawane pre satelitę kod P Dostępn dla autorowanch użtkowników kod P - precisedokładn Nadawan na obu kanałach L, L Modulowan w odcinkach o długości jednego tgodnia, cęści trwającej 67 dni sekwencji ciągu psdl. SV ma prpisan jednotgodniow segment tego kodu Wnowienie powtarania odcinka ciągu następuje w sobotę po północ. Sbkość transmisji 0,3 MH 0 *C/A Zwięksenie diesięciokrotnie dokładności wnacania pseudoodległości. 7

28 Sgnał nadawane pre satelitę kod Y Nadawan w stuacjach scególnch podcas włącenia sstemu apobiegania próbom akłóceń prac urądeń GPS anti-spoofing. Kod P sfrowan cęstotliwością modulacji 0.5 H co dodatkowo abepieca serwis PPS Wnioski: Spełnione ałożenia prac sstemu odnosące się do dokładności 0m, 0. m/s, s. 8

29 Sgnał nadawane pre satelitę L L Carrier Wave 575.4MH C/A Code.03 MH Navigation Message 50H Precise Code 0.3 MH 9

30 Sgnał nadawane pre satelitę L L Carrier Wave 7.6MH Navigation Message 50 H Precise Code 0.3 MH 30

31 Sgnał nadawane pre satelitę L 3

32 Poiomu dokładności GPS apewnia dwa poiom dokładności: Dokładn Serwis Pocjn PPS - Precise Positioning Service Standardow Serwis Pocjn SPS - Standard Positioning Service. PPS apewnia dane o pocji i casie o wsokiej dokładności, dostępne tlko dla autorowanch użtkowników. SPS jest mniej dokładn, lec dostępn dla wsstkich użtkowników. 3

33 Poiomu dokładności - PPS PPS dostarca informacji o pocji: dokładnością nie gorsą niż 6 metrów 50%,3D informacji o casie dokładnością nie gorsą niż 00 nanosekund sigma w stosunku do casu UTCUSNO Universal Coordinated Time US Naval Observator. dostępn jest jednie dla autorowanch użtkowników prenacon głównie dla celów wojskowch do autorowanch użtkowników należą: Sił Zbrojne USA i NATO. O autoracji użtkownika decduje Departament Obron USA. 33

34 Poiomu dokładności - PPS Dostęp do PPS kontrolowan jest dwiema metodami: Ogranicon Dostęp SA - Selective Availabilit powala na mniejsenie dokładności pocji i casu dostępnch dla nieautorowanch użtkowników. SA diała popre wprowadanie kontrolowanch błędów do sgnałów satelit i depes satelitarnej. Departament Obron adeklarował, iż w casie pokoju SA mniejs dokładność pocji dla użtkowników SPS do 00 metrów 95%, D. Anti-spoofing A-S jest włącan be ostreżenia b uniemożliwić imitowanie sgnałów PPS pre nieprjaciela. Nie ma to wpłwu na odbiór kodu C/A. Kluc do sfru dostępn jest włącnie autorowanm użtkownikom umożliwiając im usunięcie wpłwu SA i A-S. W ten sposób uskują oni maksmalną dostępną dokładność. 34

35 Poiomu dokładności - PPS Odbiorniki PPS mogą użwać: kodu PY, kodu C/A obdwu. Najwięksa dokładność uskiwana jest pr użciu kodu PY sgnałów o cęstotliwościach L i L. Różnica w casie propagacji sgnałów o różnch cęstotliwościach użwana jest do wnacenia poprawki jonosfercnej. Zawcaj odbiorniki PPS użwają kodu C/A w celu inicjacji śledenia sgnałów satelitów i wnacenia prbliżonej fa kodu PY. ON MAY 000: SA WAS DISABLED BY DIRECTIVE 35

36 Poiomu dokładności - SPS Standardow serwis pocjn dostarca informacji o pocji: dokładnością nie gorsą niż 00 metrów 95%,D w rowiąaniach dwuwmiarowch 56 metrów 95%,3D w rowiąaniach trójwmiarowch. Dokładność informacji o casie określona jest na nie gorsą ni. 337 nanosekund 95% w stosunku do skali UTCUSNO. SPS prenacon jest głównie dla użtkowników cwilnch. Wmieniona dokładność awiera wpłw SA, któr jest głównm źródłem błędów SPS. Rokład błędów wnacenia pocji prpomina rokład normaln długookresową średnią równą eru. 36

37 Poiomu dokładności - SPS A-S uniemożliwia użtkownikom SPS dostęp do kodu Y. użtkownic SPS nie mogą opierać się na bepośrednim pomiare kodu P, b mierć dokładnie różnice w propagacji cęstotliwości L i L, a atem określić wielkość poprawki jonosfercnej - kod C/A nadawan jest tlko na cęstotliwości L. Tpow odbiornik SPS do wnacenia poprawek jonosfercnch użwa modelu jonosfer transmitowanego w depes satelitarnej Jest to procedura nacnie mniej dokładna niż pomiar na dwóch cęstotliwościach. Dokładność pocji pr użciu SPS uwględnia też błąd modelowania jonosfer. Odbiorniki geodejne użwają romaitch wrafinowanch metod do określenia różnic casów propagacji, be jawnej najomości transformacji kodu P do Y. 37

38 Poiomu dokładności - SPS Stucnie wprowadone i niektóre naturalne ogranicenia dokładności mogą bć w dużm stopniu weliminowane pr użciu technik różnicowch. Techniki te polegają na wkorstaniu poprawek wnacanch pre precjnie lokaliowane odbiorniki, wane stacjami referencjnmi. Poprawki różnicowe mogą bć wprowadane po pomiare, lub w casie recwistm, w tm ostatnim wpadku do ich transmisji wkorstuje się łąca radiowe. W najbliżsm casie prewiduje się upowsechnienie sstemów dstrbucji poprawek różnicowch pokładu satelitów komunikacjnch. 38

39 Depesa nawigacjna Depesa nawigacjna: Nałożona na sgnał satelitarn w obu kodach C/A i P. Identfikację i wnacenie położenia SV którego odebrano sgnał. Określenie casu wsłania sgnału. Ustalenie casu sstemu GPS. Określenie konfiguracji całego sstemu na podstawie informacji dotcącch wsstkich satelitów. Zawiera almanach - dane dotcące aktualnego stanu sstemu, w tm prbliżone element orbitalne wsstkich satelitów, którch najomość prśpiesa proces akwicji 39

40 Depesa nawigacjna: Depesa nawigacjna Sbkość transmisji wnosi 50 bitów na sekundę. Składa się ona 5 ramek frame, każda łożona 500 bitów. Każda ramka podielona jest na 5 podramek subframe, po 300 bitów każda, awiera 0 słów 30-bitowch. Dane w ramce aktualiowane co - godin Odebranie jednej ramki danch ajmuje więc 30 sekund, a odebranie wsstkich 5 ramek ajmuje.5 minut. Podramki, i 3 powtarają te same 900 bitów danch we wsstkich 5 ramkach, umożliwia to odbiornikowi odebranie krtcnch danch w ciągu 30 sekund. Dane depes nawigacjnej uaktualniane są co cter godin. 40

41 Zawartość jednej ramki: Depesa nawigacjna,,3 podramka informacje dotcące orbit danego satelit, 4,5 podramka informacje umożliwiające: Oblicenie casu UTC, Oblicenie poprawek jonosfercnch Almanach sstemu GPS Almanach awiera 5 stron w dwu podramkach nawan również superramką 4

42 Zawartość podramki: Depesa nawigacjna Ropocna się słowem informacja telemetrcnmi TLM, Powala na identfikację SV ora snchroniację ciągów losowch satelit i odbiornika. Słowo HOW Hand Over Word Umożliwia dostrojenie sgnałów OB. Do nadawanch SV, Roponanie kodów pseudolosowch, Prejście od odbioru kodu C/A do kodu P. 4

43 Depesa nawigacjna Aktualiacja kodów satelitów następuję co tdień w sobotę o północ. Koniec 43