AKADEMIA MORSKA W SZCZECINIE Instytut Inżynierii Ruchu Morskiego Zakład Urządzeń Nawigacyjnych Ćwiczenie nr 11 Ocena dokładności wskazań odbiornika FURUNO GP-80 systemu GPS z zewnętrznym odbiornikiem FURUNO GR-80 systemu DGPS Szczecin 2006
Temat: Ocena dokładności wskazań odbiornika FURUNO GP- 80 systemu GPS z zewnętrznym odbiornikiem FURUNO GR- 80 systemu DGPS. 1. Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest doskonalenie umiejętności obsługi odbiornika nawigacyjnego systemu GPS GP - 80 wraz z dołączonym zewnętrznym odbiornikiem poprawek różnicowych GR - 80 firmy FURUNO ze szczególnym uwzględnieniem funkcji GPS, DGPS i nawigacyjnych do określania pozycji oraz ocena dokładności wskazań na podstawie analizy statystycznej oraz teorii błędu. 2. Zakres przygotowania teoretycznego: Do zaliczenia ćwiczenia obowiązuje znajomość zasady działania systemu GPS oraz DGPS. W szczególności obowiązuje: znajomość segmentów systemu GPS i DGPS, zasady pomiaru pseudoodległości, procedury wyboru elipsoidy odniesienia, źródeł błędów, stosowanych filtrów statystycznych, zasady pomiaru poprawek różnicowych i ich transmisji, stosowanych formatów redukcji błędów, uzyskiwanych dokładności. Część wstępna sprawozdania winna zawierać - tabelę nagłówkową - cel ćwiczenia - opis układu pomiarowego - algorytm wykonywania ćwiczenia - tabele pomiarowe - 2 -
3. Opis układu pomiarowego: Ćwiczenie wykonywane jest w sali 408 przy stanowisku odbiornika nawigacyjnego FURUNO GP-80 systemu GPS z dołączonym zewnętrznym odbiornikiem poprawek różnicowych FURUNO GR-80 (rys. 3-1, 3-3). Anteny odbiorników znajdują się na pomoście antenowym. Rys. 3.1. Stanowisko ćwiczeniowe odbiorników FURUNO GP-80 oraz FURUNO GR-80. Odbiornik GP-80 jest 8 kanałowym odbiornikiem systemu GPS pracującym na częstotliwości L1 (1575,42 MHz) o okresie uaktualniania pozycji równym 1s. Wbudowany 8 stanowy filtr Kalmana umożliwia osiągnięcie dokładności pomiaru pozycji 50m przy poziomie ufności 95%, gdy HDOP 4, oraz gdy aktywny jest selektywny dostęp (SA). Pierwsze wyznaczenie pozycji po włączeniu, przy tzw. zimnym starcie odbywa się po 2 minutach, a gdy odbiornik po wyznaczeniu pozycji został wyłączony na krótki okres czasu przy tzw. ciepłym starcie po 20s. Przy niskim poborze energii (max. 10W) odbiornik zapewnia: możliwość zapamiętania 200 punktów drogowych, 30 tras, 2000 znaków nawigacyjnych, alarmy: podejścia do punktu drogowego, kotwiczny, zejścia z kursu XTE, prędkości statku, temperatury wody, głębokości, przebytego dystansu, funkcję człowiek za burtą (MOB), możliwość podłączenia i sterowania wewnętrznym lub zewnętrznym odbiornikiem poprawek różnicowych FURUNO, zmianę współrzędnych geograficznych pozycji z miary stopniowej na LOP (Loran-C lub Decca), przeliczenie pozycji dla 171 elipsoid odniesienia, cztery porty wejścia/wyjścia do transmisji danych w formacie NMEA 0183. Obsługa odbiornika GP-80 odbywa się przy pomocy panelu kontrolnego przedstawionego na rys. 3-2. - 3 -
Klawisze kursora: zdecentrowanie obrazu i zmiana położenia znacznika kursora Otwarcie MENU, wyjście z bieżącej operacji i funkcji Wybór ekranu (funkcji) nawigacyjnego Rejestracja punktów drogowych i tras Wykreślenie na ekranie znaku w pozycji własnej lub kursora Zmniejszenie zakresu zobrazowania Wycentrowanie zobrazowania w pozycji własnej lub kursora Ustawienie kontrastu i jasności, zmiana systemu wspołrzędnych pozycji, przełączanie opcji Wybór zorientowania obrazu; zatwierdzenie zaznaczeń i opcji Funkcja czlowiek za burtą, zapamiętanie bieżącej pozycji Określenie docelowego punktu drogowego Włączenie i wyłączenie rejestracji trajektorii ruchu Zwiększenie zakresu zobrazowania Wyłączenie i włączenie znacznika kursora Kasowanie punktów drogowych i znaków, błędnie wprowadzonych danych oraz wyłączenie alarmu Wyłączenie i włączenie odbiornika Rys. 3.2. Panel kontrolny odbiornika GP-80. Odbiornik GR-80 odbiera wiadomości z poprawkami różnicowymi w formacie RTCM SC104 transmitowane przez radiolatarnie w paśmie 283,5 do 325 khz. Odebrane poprawki poprzez port szeregowy przekazywane są do odbiornika GPS. GR-80 może być kontrolowany z własnej klawiatury lub poprzez port wyjścia/wejścia przez zewnętrzny odbiornik GPS FURUNO. Opcja MONITOR L/L pozwala na repetycję pozycji DGPS na ekranie GR-80. W opcji AUTO L/L odbiornik pracuje w pełni automatycznie dobierając radiolatarnie według listy w pamięci poprzez znalezienie najbliższej z nich. Dokładność pozycji poprawionej przez GR-80 to ok. 10m. Pobór mocy podczas pracy nie przekracza 5W. - 4 -
Antena DGPS Antena GPS Odbiornik GPS GP-80 Prostownik Zasilanie statkowe 12/24V DC 100/110/200/220V AC Rys. 3.3. Schemat konfiguracji odbiornika sygnałów radiolatarni DGPS FURUNO GR-80. - 5 -
4. Wykonanie ćwiczenia: Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy zapoznać się z opisem układu pomiarowego i układem instrukcji firmowych FURUNO Operator s Manual GPS Navigator GP-80 oraz FURUNO Operator s Manual DGPS Beacon Receiver GR-80. Podzielić zadania w grupie na: - zapisy, - obsługa odbiorników GPS i DGPS, zmieniając się w trakcie ćwiczenia. Włączyć odbiornik GP-80 wciskając i zwalniając przycisk POWER (odbiornik GR-80 uruchamia się automatycznie po włączeniu go do zasilania) i odczekać do wyświetlenia w prawym górnym rogu ekranu komunikatu GPS 2D, GPS 3D, DGPS 2D, DGPS 3D, NO FIX lub DOP. W razie potrzeby ustawić kontrast i jasność ekranu wciskając przycisk TONE i poziome strzałki kursora dla kontrastu oraz pionowe strzałki kursora dla jasności. 1. Rejestracja współrzędnych geograficznych pozycji anteny odbiornika dla stacji referencyjnej Dziwnów. Limit czasu na wykonanie zadania 20 min. 1.1. Wcisnąć przycisk MENU i wybrać opcję 9 (SYSTEM SETTINGS) i wybrać 7 (DGPS SETUP). Wprowadzić częstotliwość oraz szybkość przesyłania danych (Baud Rate) stacji referencyjnej Dziwnów (korzystając z Radiosignals v. 2 bądź też z instrukcji firmowej) i potwierdzić ENTER i ESC. 1.2. Ustawić opcję 2D, w tym celu wcisnąć MENU i wybrać 9 (SYSTEM SETTINGS), następnie 6 (GPS SETUP) i zmienić na 2D potwierdzając ENTER i ESC. 1.3. Przez 15 minut notować wskazania odbiornika (co 30 sekund), a wyniki obserwacji zamieść w tabeli 1 (załącznik), w której należy zamieścić: - szerokość geograficzną - długość geograficzną - DOP - segment kosmiczny Do przeglądania tych danych stosujemy klawisze MENU i 7 (GPS MONITOR) oraz ESC - 6 -
2. Rejestracja współrzędnych geograficznych pozycji anteny odbiornika dla stacji referencyjnej Hammerodde. Limit czasu na wykonanie zadania 20 min. 2.1. Wcisnąć przycisk MENU i wybrać opcję 9 (SYSTEM SETTINGS) i potwierdzić ENTER dalej wybrać 7 (DGPS SETUP). Wprowadzić częstotliwość oraz szybkość przesyłania danych (Baud Rate) stacji referencyjnej Hammerodde (korzystając z Radiosignals 2 bądź też z instrukcji firmowej) i potwierdzić ENTER i ESC. 2.2. Zwróć uwagę co się dzieje z odbiornikiem poprawek różnicowych 2.3. Ustawić opcję 2D / 3D, w tym celu wcisnąć MENU i wybrać 9 (SYSTEM SETTINGS), następnie 6 (GPS SETUP) i zmienić na 2D / 3D. 2.4. Przez 15 minut notować wskazania odbiornika (co 30 sekund), a wyniki obserwacji zamieść w tabeli 2 (załącznik), w której należy zamieścić: - szerokość geograficzną - długość geograficzną - wysokość - DOP - segment kosmiczny Do przeglądania tych danych stosujemy klawisze MENU i 7 (GPS MONITOR) oraz ESC 3. Rejestracja współrzędnych geograficznych pozycji anteny odbiornika dla stacji referencyjnej Dziwnów. Limit czasu na wykonanie zadania 20 min. 3.1. Wcisnąć przycisk MENU i wybrać opcję 9 (SYSTEM SETTINGS) i potwierdzić ENTER dalej wybrać 7 (DGPS SETUP). Wprowadzić częstotliwość oraz szybkość przesyłania danych (Baud Rate) stacji referencyjnej Dziwnów (korzystając z Radiosignals 2 bądź też z instrukcji firmowej) i potwierdzić ENTER i ESC. 3.2. Zwróć uwagę co się dzieje z odbiornikiem poprawek różnicowych 3.3. Ustawić opcję 2D / 3D, w tym celu wcisnąć MENU i wybrać 9 (SYSTEM SETTINGS), następnie 6 (GPS SETUP) i zmienić na 2D / 3D. 3.4. Przez 15 minut notować wskazania odbiornika (co 30 sekund), a wyniki obserwacji zamieść w tabeli 3 (załącznik), w której należy zamieścić: - 7 -
- szerokość geograficzną - długość geograficzną - wysokość - DOP - segment kosmiczny Do przeglądania tych danych stosujemy klawisze MENU i 7 (GPS MONITOR) oraz ESC 4. Obliczanie odległości pomiędzy punktami drogi (WP Waypoint) 4.1. Sporządź poniższą tabelę Nazwa Szerokość Długość Prędkość Droga Kurs Czas Wybierz z ALRS cztery Radiolatarnie (np.: dwie z Hiszpanii i dwie ze wschodniego wybrzeża USA) i wynotuj ich nazwy i współrzędne geograficzne w powyższej tabeli. 4.2. Wciśnij MENU i 5 (MANUAL CALCULATION). 4.3. Wprowadzając do odbiornika współrzędne geograficzne kolejnych radiolatarni oblicz odległość, kurs i czas jak będzie potrzebny na przebycie drogi pomiędzy kolejnymi WP. Przy obliczeniach pomocne Ci będą: Ustaw TRIAL SPEED na MAN i przyjmij prędkość w granicach: 8 20 w. Przyciskiem TONE zmieniamy N i W na S i E. 4.4. Otrzymane wyniki zamieść w powyższej tabeli - 8 -
5. Opracowanie wyników badań Do każdego poniższego podpunktu (1 4) należy zamieścić wnioski szczegółowe w aspekcie dokonywanych obliczeń i pomiarów. Na końcu sprawozdania zamieścić wnioski końcowe w aspekcie wykonywanego ćwiczenia. Są to warunki konieczne do pozytywnego zaliczenia sprawozdania. 1) Obliczyć wartości średnie i odchylenia standardowe ϕ, λ, h. 2) Obliczyć koła błędów dla pozycji uzyskanych z czterech serii pomiarowych. 3) Przedstawić na wykresach przebieg zmian ϕ, λ, h w funkcji czasu w zależności od wykorzystanej stacji referencyjnej i rodzaju nawigacji (2D lub 3D). 4) Obliczyć odległości pomiędzy pozycjami średnimi uzyskanymi z pomiarów, a pozycją geodezyjną laboratorium określoną na elipsoidzie WGS 84: ϕ = 53 25 44,71 N λ = 014 33 49,02 E 5) Porównać pozycje 2D i 3D dla Dziwnowa 6) Sprawozdanie zakończyć wnioskami z przeprowadzonych badań. UWAGA: W sprawozdaniu należy zamieścić oryginał tabel pomiarowych. - 9 -
Tabela pomiarowa 1 Stacja różnicowa:................ Data:.............. Godz.:........... L.p. Szerokość (ϕ) Długość (λ) DOP 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Osoby wykonujące ćwiczenie: Zmiany śledzonego segmentu kosmicznego Podpis prowadzącego: - 10 -
Tabela pomiarowa 2 Stacja różnicowa:................ Data:.............. Godz.:........... L.p. Szerokość (ϕ) Długość (λ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Osoby wykonujące ćwiczenie: Wysokość (h) DOP Zmiany śledzonego segmentu kosmicznego Podpis prowadzącego: - 11 -
Tabela pomiarowa 3 Stacja różnicowa:................ Data:.............. Godz.:........... L.p. Szerokość (ϕ) Długość (λ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Osoby wykonujące ćwiczenie: Wysokość (h) DOP Zmiany śledzonego segmentu kosmicznego Podpis prowadzącego: - 12 -