Zarys technologii systemów nawigacji satelitarnej

Transkrypt

1 Zarys technologii systemów nawigacji satelitarnej Stosowanie geoinformatyki w kontekście centralizacji SILP Szkolenie centralne z zakresu geomatyki leśnej dla nadleśniczych, 2011r. przygotował: Jacek Prengel - Zespół Zadaniowy ds. LMN 1

2 Systemy nawigacji satelitarnej Czym jest system nawigacji satelitarnej W jaki sposób wyznacza się pozycję Z czego się składa- przykładzie GPS Jak możemy zwiększyć dokładność wyznaczenia pozycji Jakie są alternatywy dla systemu GPS Jak możemy wykorzystywać GNSS w leśnictwie Sprzęt i oprogramowanie 2 GNSS = globalny nawigacyjny system satelitarny 2

3 Czym jest system nawigacji satelitarnej Jest to system nawigacyjny oparty o satelity poruszające się po ściśle wyznaczonych orbitach, umożliwiający wyznaczenie położenia punktu lub poruszających się obiektów w trzech wymiarach w dowolnej części Ziemi. 3 3

4 W jaki sposób wyznacza się pozycję Istotą wyznaczenia pozycji z wykorzystaniem systemu nawigacji satelitarnej jest obliczenie tzw. pseudoodległości obserwatora (anteny odbiornika) do poszczególnych satelitów o ściśle określonych orbitach Odbywa się to poprzez wyznaczenie opóźnienia sygnału wysłanego przez satelitę do anteny odbiornika. 4 Obliczenie pseudo-odległości polega na pomiarze opóźnienia sygnału i pomnożeniu go przez prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej. Dokładność z jaką ją wyznaczymy będzie zależała od dokładności pomiaru opóźnienia. Każdy z satelitów wyposażony jest w dwa zegary atomowe, mierzące czas z dokładnością do nanosekund (1 ns = 10-9 s czas, w którym światło przebywa drogę 30 cm). Zegary wszystkich satelitów muszą być ze sobą zsynchronizowane. Zegar odbiornika GPS synchronizowany jest z czasem systemowym. 4

5 5

6 Budowa systemu nawigacji satelitarnej na przykładzie GPS (Global Positioning System)- Globalny System Pozycjonowania system satelitarny służący do szybkiego wyznaczenia pozycji obserwatora (anteny) w globalnym układzie odniesienia (WGS84). Stworzony i zarządzany przez Departament Obrony USA, udostępniany do zastosowań cywilnych. 6 6

7 Systemy nawigacji satelitarnej - GPS składa się z trzech modułów: segmentu kosmicznego satelitów okrążających Ziemię segmentu kontroli stacji kontrolujących i monitorujących segmentu użytkownika odbiorników GPS: wojsko oraz użytkownicy cywilni 7 7

8 Segment kosmiczny 27 satelitów (24 aktywne + 3 zapasowe) 6 orbit kołowych, po 4 satelity na orbicie Wysokość orbity km Kąt nachylenia orbity do płaszczyzny równika Czas obiegu- ok. 11godz. 57 min. Widoczność min. 5 satelitów usytułowanych ponad 5 0 nad horyzontem w dowolnym miejscu Ziemi z prawdopodobieństwem 0, System GPS jest ciągle modernizowany następuje wymiana satelitów. W związku z tym, że czas obiegu satelitów wokół Ziemi wynosi ok.11 godzin i 57 minut następnego dnia identyczna konstelacja (układ) satelitów powtarza się o ok. 6 minut wcześniej. Jest to informacja ułatwiająca planowanie sesji pomiarowych. 8

9 Budowa systemu nawigacji satelitarnej na podstawie GPS-symulacja widoczności satelitów 9 Slajd ilustruje symulację widoczności satelitów przez antenę odbiornika dla różnych położeń na kuli ziemskiej. 9

10 Segment kontroli Główna Stacja Monitorująca Baza sił powietrznych Falkon w Colorado Springs Stacje monitorujące: Hawaje, Diego Garcia, Ascesion, Kwajalein Stacje monitorujące przesyłają informacje do stacji głównej, gdzie wyliczane są efemerydy (parametry orbit) i poprawki zegarów satelitów 10 Stacje monitorujące przesyłają informacje do stacji głównej, gdzie wyliczane są efemerydy (parametry orbit) i poprawki zegarów satelitów. Następnie korekty trafiają do satelitów (korygowane są orbity i ustawienia zegarów). Efemerydy - dokładne elementy orbitalne każdego satelity GPS nadającego depeszę nawigacyjną, składające się z 17 parametrów, konieczne do obliczenia pozycji satelitów w momencie obserwacji. / autor hasła: Krzysztof Okła / 10

11 Segment użytkownika Użytkownicy wojskowi i cywilni Nawigacja Pomiary Wyznaczanie pozycji Transfer czasu 11 Zastosowanie: Bezpieczeństwo Budownictwo przemysłowe Geodezja i geodynamika Komunikacja drogowa Nawigacja morska, śródlądowa i powietrzna Hydrografia i hydrologia Energetyka Obronność Ochrona środowiska Zarządzanie kryzysowe Ochrona zdrowia Rolnictwo i leśnictwo Sport i turystyka Systemy Informacji Przestrzennej Telekomunikacja 11

12 Sygnały emitowane przez satelity GPS mają postać fal nośnych (L 1, L 2 i L 5 ) kodowanych fazowo sygnałami: informacyjnym - depesza nawigacyjna pseudolosowym kodem C/A (akwizycja zgrubna) pseudolosowym kodem P (dokładnym) pseudolosowym kodem Y 12 Sygnały emitowane przez satelity GPS mają postać fal nośnych (L 1, L 2 i L 5 ) kodowanych fazowo sygnałami: - informacyjnym - depesza nawigacyjna zawierająca min. almanach i efemerydę, nakładana na kod C/A i P - pseudolosowym kodem C/A (akwizycja zgrubna), taktowanym częstotliwością 1,023 MHz, emitowany na częstotliwości nośnej L 1, każdy satelita ma swój własny kod C/A nazywany także kodem PRN, jest podstawowym kodem używanym przez odbiorców cywilnych - pseudolosowym kodem P (dokładnym), taktowanym częstotliwością 10,23 MHz, emitowany na częstotliwości nośnej L 1 i L 2 - pseudolosowym kodem Y, taktowanym częstotliwością około 0.5 Hz. uaktywnianym w chwili zagrożenia (szyfrującym kod P)- dostępny tylko dla autoryzowanych użytkowników (wojsko). 12

13 Podstawowe procesy wykonywane przez odbiornik GPS Odbiór i wzmocnienie sygnału odebranego od satelity Zmniejszenie częstotliwości i przetworzenie na postać cyfrową Identyfikacja satelitów na podstawie kodu C/A (PRN) Odczytanie danych zawartych w depeszy nawigacyjnej i wyznaczenie opóźnień sygnału od satelity do anteny 13 13

14 Zasada pomiaru opóźnienia sygnału - wyznaczenie pseudoodległości Pomiar kodowy - Pomiar opóźnienia odbywa się poprzez skorelowanie kodu C/A nadawanego przez satelitę z wzorcem kodu satelity zapisanym i odtwarzanym w odbiorniku GPS. W depeszy nawigacyjnej zapisany jest czas wysłania sygnału 14 Każdy z satelitów generuje unikalny kod PRN (oznaczone nr od 1 do 32-numer satelity). Odbiornik GPS generuje repliki kodów odpowiadające poszczególnym satelitom i bada ich korelację z kodami odczytanymi przez antenę odbiornika. W zależności od zaawansowania technologicznego odbiornika może on śledzić (badać korelację sygnałów) jednocześnie wiele satelitów (np. 20). W przypadku stwierdzenia korelacji pomiędzy kodami z depeszy nawigacyjnej odczytywany jest czas wysłania sygnału i porównywany z czasem jego dotarcia do anteny wyznaczane jest opóźnienie sygnału. Znając czas jakim kod dotarł do odbiornika i prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej można wyliczyć pseudoodległość satelity od anteny odbiornika. Wyznaczona odległość określana jest mianem pseudo-odległości ponieważ zakłada się, że fala przebywa całą trasę ze stałą prędkością. W rzeczywistości fala pokonuje drogę ze zmienną prędkością ponieważ porusza się w różnych ośrodkach (próżnia, jonosfera, toposfera). Obliczenie pseudo-odległości od co najmniej 3 satelitów umożliwia wyznaczenie pozycji obserwatora. Czwarty satelita umożliwia obliczenie wysokości. 14

15 Zasada pomiaru opóźnienia sygnałuwyznaczenie pseudoodległości Pomiar fazowy - Odbiornik generuje sygnał identyczny z falą nośną satelitów i wykonuje pomiar przesunięcia fazowego tj. określa ile całkowitych oraz jaki ułamek długości fali nośnej mieści się ma drodze satelita obserwator. 15 Metoda bardzo dokładna (dokładności subcentymetrowe ok. 2 mm), wymagająca zaawansowanych technologicznie odbiorników i dłuższego czasu pomiaru. Mechanizm wyznaczania pseudo-odległości jest podobny do stosowanego w systemie kodowym (także bada się korelację sygnałów). Miarą pseudo-odległości jest liczba pełnych (wielokrotność) długości fali oraz jej faza (fragment długości fali). 15

16 Chwile przełomowe w wykorzystaniu systemu GPS faza testu systemu GPS osiągnięcie pełnej zdolności operacyjnej 2000 zniesienie sygnału zakłócającego S.A. (zwiększenie dokładności odczytu pozycji) 16 Do maja 2000 roku sygnał GPS celowo był zakłócany sygnałem S.A. (Selective Availability) pogarszając dokładność wyznaczania pozycji. Z uwagi na to, że system GPS jest systemem wojskowym nie można wykluczyć, że w pewnych warunkach będzie podlegał zakłóceniom. 16

17 Poprawa spodziewanej dokładności wyznaczenia pozycji po wyłączeniu sygnału SA 17 Wykres ilustruje jak zmieniła się spodziewana dokładność wyznaczania pozycji po wyłączeniu S.A. (Selective Availability). CEP-(Circular Error Probable) - 50% pozycji wyznaczanych dwuwymiarowo znajduje się wewnątrz okręgu o promieniu CEP np. CEP<15 m 50% pomiarów zawrze się w okręgu o promieniu 15 m. SEP-(Spherical Error Probable) - 50% pozycji wyznaczanych trójwymiarowo znajduje się w sferze o promieniu SEP. 17

18 Zwiększenie dokładności wyznaczenia pozycji pomiar różnicowy 18 W przeciwieństwie do wyznaczeń absolutnych (bezwzględnych), w pomiarach różnicowych GNSS pozycja określana jest względem stacji referencyjnej (lub grupy stacji) o znanych, stałych współrzędnych. Bierzemy tu pod uwagę założenie, że wpływ czynników zewnętrznych na propagację sygnałów satelitarnych jest w przybliżeniu jednakowy lub liniowo zmienny na ograniczonym obszarze maksymalnie w promieniu kilkunastu do kilkudziesięciu kilometrów. Zatem znając precyzyjne współrzędne danego punktu i jednocześnie wykonując na nim obserwacje GNSS, możemy wyznaczyć poprawki do tych obserwacji (pomiary w czasie rzeczywistym). Poprawki transmitowane do odbiornika ruchomego (tzw. rovera) pozwalają na podniesienie dokładności wyznaczeń nawet do poziomu pojedynczych centymetrów. W przypadku pomiarów statycznych, opracowanych w tzw. post-processingu, zasada pomiarów różnicowych wykorzystywana jest przy wyznaczaniu wektorów pomiędzy antenami uczestniczącymi w tym pomiarze. Wektory te podlegają później procesowi wyrównania w celu wyznaczenia szukanych współrzędnych punktów. 18

19 Zwiększenie dokładności wyznaczenia pozycji - EGNOS System różnicowy korekcji pomiarów GPS Wersje regionalne systemu Spodziewany wzrost dokładności Satelity geostacjonarne systemu 19 W celu polepszenia dokładności systemu stworzono różnicowy system korekcji pomiarów GPS składający się naziemnych stacji referencyjnych, które przesyłają poprawki do trzech satelitów geostacjonarnych EGNOS. Za pośrednictwem tych satelitów, sygnał trafia do odbiorników GPS pozwalając na skorygowanie pomiaru dokonanego na podstawie danych z satelitów GPS. System występuje w trzech kompatybilnych ze sobą wersjach regionalnych : WAAS w Ameryce, EGNOS w Europie oraz japoński MSAS w Azji. EGNOS pozwala na zmniejszenie błędu pomiaru pozycji z ok.10 m do poniżej 3 metrów w odbiornikach przystosowanych do odbioru tego sygnału. Ze względu jednak na to, że satelita EGNOS umieszczony jest na orbicie geostacjonarnej ulokowanej nad równikiem, to na naszej szerokości geograficznej (kierunek południowy - ok. 22 nad horyzontem) dostępność jego sygnału jest ograniczana (dodatkowo również przez przeszkody terenowe). 19

20 Zwiększenie dokładności wyznaczenia pozycji pomiar różnicowy ASG EUPOS 20 Projekt wielofunkcyjnego systemu precyzyjnego pozycjonowania ASG- EUPOS został zrealizowany w Polsce przy wykorzystaniu środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego (EFRR) w ramach Sektorowego Programu Operacyjnego Wzrost Konkurencyjności Przedsiębiorstw (SPO-WKP), działanie 1.5 Rozwój systemu dostępu Przedsiębiorców do informacji i usług publicznych on-line. 20

21 Zwiększenie dokładności wyznaczenia pozycji pomiar różnicowy ASG EUPOS 21 Jednym z trzech głównych segmentów systemu ASG-EUPOS jest segment odbiorczy. Jego rolą jest zbieranie danych obserwacyjnych do satelitów GNSS (globalny nawigacyjny system satelitarny) i przekazywanie ich w czasie rzeczywistym do Centrum Obliczeniowego. Składa się on z równomiernie rozłożonych na obszarze Polski i państw sąsiadujących stacji referencyjnych GNSS. Zgodnie ze standardem EUPOS przy budowie segmentu odbiorczego przyjęto następujące założenia: średnia odległość pomiędzy stacjami wynosi 70 km, do sieci stacji referencyjnych włączone zostały istniejące stacje EPN i IGS (stacje permanentne), współrzędne stacji wyznaczone są w systemie ETRS89 oraz w układach państwowych, w stacjach referencyjnych wykorzystano jedynie precyzyjne dwuczęstotliwościowe odbiorniki GNSS, miejsca zainstalowania stacji referencyjnych wybrano tak, aby zapewnić dogodne warunki obserwacji satelitów GNSS. Aktualnie segment ten składa się z następujących grup stacji referencyjnych: 81 stacje krajowe z modułem GPS, 18 stacji krajowych z modułem GPS/GLONASS, 22 stacje zagraniczne. Krajowe stacje referencyjne w większości zlokalizowane są na budynkach administracji publicznej szczebla wojewódzkiego i powiatowego, placówkach badawczych i budynkach oświaty. Mapa przedstawia rozmieszczenie stacji referencyjnych systemu ASG-EUPOS w Polsce z podziałem na ich funkcję oraz obserwowane systemy GNSS. 21

22 Alternatywa dla GPS? - GLONASS Globalny System Nawigacyjny GLONASS- podobnie jak GPS z tą różnicą, że właścicielem systemu są siły zbrojne Rosji. Istnieją także różnice techniczne. System składa się z 24 (docelowo) satelitów rozmieszczonych na trzech orbitach kołowych o promieniu ok km. Płaszczyzna orbit nachylona jest do płaszczyzny równika pod kątem 64,8 stopnia. Czas obiegu satelity wokół Ziemi wynosi ok. 11 godzin i 15 minut. Glonass nie osiągnął pełnej sprawności z uwagi na nie skompletowaną konstelację satelitów. W chwili obecnej na orbitach jest 22 aktywnych satelitów. W sprzedaży są dostępne specjalizowane odbiorniki obsługujące jednocześnie system GPS i GLONASS

23 Alternatywa dla GPS - GALILEO - cywilny system nawigacji satelitarnej, firmowany przez UE 2005 wystrzelono pierwszego satelitę 2008 planowane było uruchomienie systemu Docelowo segment globalny: 30 satelitów na trzech orbitach (w tym 3 zapasowe) 2 centra kontrolne, zlokalizowane na terenie Europy (GALILEO Control Centers) Światowa sieć stacji Up-link transfer danych do i od satelitów Stacje nadzoru rozmieszczone na całym globie, monitorują jakość sygnału 23 23

24 Optymalizacja czasu pomiaru Planowanie misji pomiarowej w celu wyboru optymalnej konstelacji satelitów. Wykorzystano program Planning 2.7 firmy Trimble. 24 Optymalizacja czasu pomiaru ma na celu wyznaczenie przedziałów czasu, w których wykonane pomiary będą mogły być najdokładniejsze. Największy wpływ na spodziewaną dokładność ma tzw. geometryczny rozkład satelitów. Jego miarą jest współczynnik DOP (ang. Dilution of Precision). Wyraża on stosunek objętości półkuli określonej przez orbity satelitarne i punkt, w którym znajduje się obserwator, do wielościanu opartego na aktualnie widocznych satelitach i obserwatorze. Wynika z tego, że współczynnik DOP 1. Przyjmuje się, że rozkład satelitów charakteryzowany poprzez DOP<1,3> jest bardzo dobry, przy DOP<3,6> jest on akceptowalny, natomiast przy DOP>6 nie powinno się wykonywać precyzyjnych pomiarów. W terminologii dotyczącej GNSS stosuje się często warianty cząstkowe współczynnika DOP, tj. GDOP (geometryczny), PDOP (pozycji), HDOP (pozycji poziomej), VDOP (pozycji pionowej), TDOP (czasu), charakteryzujące wpływ rozmieszczenia satelitów na jedną lub więcej wyznaczanych wielkości. Bardzo ważna jest tzw. widoczność satelitów. Minimalna liczba satelitów potrzebna do wyznaczenia pozycji wynosi 4. Należy jednak przyjąć, że antena odbiornika powinna widzieć więcej niż 5 satelitów. Programy do planowania czasu misji pomiarowych umożliwiają założenie tzw. maski horyzontu (kąta powyżej którego będziemy mięli możliwość obserwować satelity). Uwzględnienie tego parametru jest szczególnie istotne podczas planowania pomiarów w terenie o urozmaiconej rzeźbie np. w górach. Dla pomiarów w lesie powinno przyjmować się maskę horyzontu większą od 20 st. 24

25 Optymalizacja czasu pomiaru 25 Do planowania czasu misji pomiarowych można wykorzystywać oprogramowanie na komputery osobiste, pda (palmtopy) lub wykorzystywać witryny sieci web. 25

26 Optymalizacja czasu pomiaru 26 W przypadku systemów w pełni operacyjnych (GPS) spełnienie minimalnych założeń pomiarowych jest łatwiejsze. W przypadku systemów w budowie (GLONASS), gdzie na orbitach ciągle brakuje jeszcze satelitów mogą zdarzyć się obszary o gorszych parametrach. 26

27 Praktyczne wykorzystanie pomiarów GPS w leśnictwie pomiar obiektów poligonowych, liniowych i punktowych nie wymagających dużej precyzji wszystkie działy gospodarki leśnej min. ochrona lasu, hodowla, użytkowanie, selekcja i nasiennictwo, łowiectwo, ochrona p.poż. nawigowanie po trasie i na punkt wyznaczanie pozycji identyfikacja obiektów w terenie prace urządzeniowe i inwentaryzacyjne 27 27

28 Z czego możemy korzystać sprzęt Proste odbiorniki jednoczęstotliwościowe (w formie kart rozszerzeń lub modułów komunikujących się bezprzewodowo do notebooków i palmtopów, odbiorniki zintegrowane) Specjalizowane jednoczęstotliwościowe odbiorniki GPS Odbiorniki dwuczęstotliwościowe Odbiorniki RTK Odbiorniki dwusystemowe (GPS + GLONASS) 28 28

29 Z czego możemy korzystać -oprogramowanie elas Mobile ArcPad 10 mlas Inżynier Farm Site Mate ArcGis 10 Oprogramowanie dedykowane i udostępniane przez producentów sprzętu: np. MobileMapper Office (Thales), Pathfinder Office (Trimble), GIS DataPRO (Leica) 29

30 Praktyczne zastosowanie GPS Pomiar wielkości i kształtu obiektów poligonowych na przykładzie gniazd w rębniach częściowych Margonin, luty

31 Praktyczne zastosowanie GPS Pomiar wielkości i kształtu obiektów poligonowych na przykładzie działek działek zrębowych 31

32 Praktyczne zastosowanie GPS Wyznaczanie współrzędnych obiektów i nawigowanie do nich na przykładzie drzew matecznych (doborowych) 32

33 Praktyczne zastosowanie GPS Identyfikacja obiektów oraz uzyskiwanie informacji z bazy opisowej na przykładzie programu mlas Inżynier 33 33

34 Podsumowanie Polepszenie dokładności pomiarów można osiągnąć poprzez stosowanie się do następujących zaleceń: W teren ruszamy po zaplanowaniu czasu misji pomiarowej Włączamy odbiornik w miarę możliwości w terenie otwartym (skróci to czas startu GPS-a) W miejscu pomiaru sprawdzamy jakość sygnału tzw. fix, który powinien być 3D oraz PDOP, który powinien być < 6 W odbiornikach obsługujących korekcję DGPS (np. Egnos) włączamy usługę może to polepszyć dokładność pomiaru W przypadku korzystania z oprogramowania pomiarowego umożliwiającego uśrednianie pomiarów oraz weryfikację parametrów opisujących jakość sygnału ustawiamy uśrednienie z co najmniej 30 epok i zapis pomiaru przy spełnieniu: PDOP<6, fix=3d Obiekty powierzchniowe i liniowe mierzymy wykonując pomiar ciągły z interwałem np. 2 sekundy umożliwi to późniejszą generalizację oraz eliminację błędów grubych spowodowanych np. chwilowym zaniku sygnału lub jego zniekształceniem 34 Idealnym rozwiązaniem było by korzystanie z odbiorników mogących korzystać z poprawek w trybie DGPS np. z sieci ASG-EUPOS. 34