GPS w badaniach przyrodniczych

Cz 1. Podstawy systemów nawigacji

satelitarnej

Na początek definicje

• Nawigacja satelitarna – rodzaj radionawigacji

wykorzystujący fale radiowe ze sztucznych
satelitów w celu określania położenia punktów i
poruszających się odbiorników wraz z
parametrami ich ruchu w dowolnym miejscu na
powierzchni Ziemi.

• Globalny System Pozycjonowania (GPS) - jeden z

systemów nawigacji satelitarnej, stworzony przez
Departament Obrony Stanów Zjednoczonych

System GPS

• Global Positioning System

Navstar – powstał w USA jako

system militarnej nawigacji

• Koncepcja w latach ’70
• Pełna funkcjonalnośd osiągnięta

w 1993 r.

• Udostępniony w 1995 r. w

ograniczonym zakresie do

zadao cywilnych

• Wyłączono zakłócanie sygnału

w 2000 r.

Segmenty systemu GPS

• Segment kosmiczny
• Segment sterowania
• Segment użytkownika

Segment kosmiczny

• 24 satelity: na 6 orbitach po 4 satelity
• 21 satelitów aktywnych i 3 rezerwowe
• Orbity rozłożone co 60°długości

geograficznej.

• Tory nachylone pod kątem 55 stopni

do równika

• W każdym punkcie na Ziemi jest

widocznych jednocześnie minimum 5
satelitów z prawdopodobieostwem
0.9996 (co najmniej 5 stopni ponad
horyzontem)

Zasady działania systemu GPS

• Lokalizacja odbiornika polega na pomiarze jego odległości od kilku satelitów

(min. 3 w trybie 2D i min. 4 w trybie 3D)

• Każdy satelita wyposażony jest w 4 cezowe zegary atomowe i bezustannie

wysyła za pośrednictwem fal radiowych informację o lokalnym czasie.

• Sygnał dociera do użytkownika na dwóch częstotliwościach nośnych

L1=1575,42 MHz i L2 = 1227,6 MHz.

• Dokładne współrzędne satelity są transmitowane w depeszy nawigacyjnej,

która zawiera w sobie informację o układzie satelitów na niebie (tzw.
almanach) oraz informację o ich teoretycznej drodze oraz odchyleo od niej
(tzw. efemeryda)

Pomiar odległości (czasu) - triangulacja

• Odległośd od satelity - czas, który upłynął

pomiędzy wysłaniem a odbiorem sygnału.
Różnicę między tymi dwiema wartościami
mnoży się przez prędkośd światła, czyli
prędkośd rozchodzenia się fal radiowych.

s=c*∆t

• Odbiornik GPS znajduje się gdzieś na

powierzchni sfery o środku w satelicie i
promieniu równym odległości od niego.
Znając odległośd od drugiego satelity, można
zawęzid ten obszar do okręgu, który
powstaje z przecięcia obydwu sfer. Dystans,
który dzieli trzeciego satelitę od odbiornika,
pozwala ograniczyd obszar poszukiwao do
dwóch punktów, z których jeden jako
niemożliwy można spokojnie odrzucid.

Segment sterowania

Bezzałogowe, naziemne stacje monitorujące
• lokalizacja: Hawaje i Kwajalein na Pacyfiku; Diego Garcia na

Oceanie Indyjskim; Ascension Island na Oceanie Atlantyckim;

Colorado Springs
• odbierają sygnały z satelitów i wysyłają informacje do stacji

sterowania, dokonują korekt w razie potrzeby

Naziemna stacja sterowania
• lokalizacja: Colorado Springs.
• poprawia dane (położenie na orbicie, prędkośd i zegary) z

satelitów i wysyła poprawione dane do wszystkich satelitów,

wprowadza korekty

• Stacje kontrolne śledzą trajektorie satelitów

(jedna stacja może monitorowad do 11
satelitów)

• W razie odchyleo od modelowanej trajektorii

– wyliczane są poprawki (efemerydy) i korekty
zegara

• Poprawki wysyłane są do poszczególnych

satelitów i do użytkowników w postaci tzw.
depeszy nawigacyjnej.

Segment użytkownika

Segment ten tworzą odbiorniki sygnału GPS.

Najczęstsze zastosowanie w segmencie

użytkownika

• dedykowane odbiorniki nawigacyjne – o różnym

stopniu mobilności:

• ręczne – o niewielkim interfejsie i mniej

zaawansowanych mapach

• samochodowe
• motocyklowe, wodne

• moduły GPS – umożliwiają korzystanie z nawigacji w

komputerach PC, laptopach, palmtopach, smartfonach

poprzez podłączenie przez port USB, Bluetooth czy

złącza SD oraz specjalne oprogramowanie

• data logger GPS – rejestruje przebytą trasę, przekazuje

(np. przez UHF lub GSM) dane do użytkownika

Inne systemy

• GLONASS

• GALILEO

• BEIDOU (Compass)

GLONASS

czyli Global Navigation Satellite System albo z rosyjskiego
Globalnaja Nawigacjonnaja Satelitarnaja Sistemma.
Formalnie system ruszył operacyjnie w 1993 r.
Świadczy dwa poziomy usług:
•Precyzyjny – używany głównie przez armię rosyjską, użycie
wymaga zezwolenia Ministerstwa Obrony Rosji
•Standardowy – mniej dokładny przeznaczony do użytku
cywilnego.
Różnice pomiędzy dwoma systemami dotycz również układu
odniesienia. System amerykaoski działa w oparciu o układ WGS-
84, w rosyjskim używany jest PZ 90. Inny jest też wzorzec czasu,
gdyż GPS używa uniwersalnego czasu UTC, w GLONASS używany
jest rosyjski paostwowy wzorzec czasu, tzw. Etalon UTC.

Galileo

• Europejski system nawigacji satelitarnej w trakcie

budowy.

• System ma byd równoważną alternatywą do

amerykaoskiego systemu GPS i rosyjskiego GLONASS,

lecz w przeciwieostwie do pierwszego z nich będzie

kontrolowany przez instytucje cywilne.

• Jego zaletą i powodem, dla którego ma byd

konkurencją i uzupełnieniem GPS-u, jest mniejszy

promieo błędu (ma on wynosid ok. 1 m na otwartej

częstotliwości i ok. 10 cm na częstotliwości płatnej).

• Plany Unii Europejskiej zakładały, że do kooca 2014 w

sumie wyniesione na orbitę będzie 14 tego typu

urządzeo, ale system na bardzo duże opóźnienie

Beidou / Compass

Beidou (Wielka Niedźwiedzica) - chioski satelitarny
system nawigacyjny, który na razie obejmuje swoim
zasięgiem tylko obszar Azji. Docelowo - globalny.
Aktualnie funkcjonuje system Beidou-1 składający
się z 4 satelitów geostacjonarnych – 3 aktywnych i
jednego zapasowego.
Pierwsze satelity wystrzelono w 2000 roku. W
grudniu 2011 działają tylko dwa. System ten ma
charakter wyłącznie testowy.

Systemy satelitarne, a ekonomia

Systemy nawigacji satelitarnej są
wykorzystywane w wielu dziedzinach
gospodarki, w tym do monitoringu sieci
energetycznych, logistyce, zarządzaniu ruchem
lotniczym czy ratownictwie. Szacuje się, że 6-7%
europejskiego PKB zależy od zastosowao
nawigacji satelitarnej. Rynek samych technologii
satelitarnych wart jest 124 miliardy euro. Dzięki
systemowi Galileo, do 2020 roku ma wzrosnąd
do 250 miliardów euro.

Na następnych zajęciach

• Pomiar różnicowy
• Typy i źródła błędów GPS
• Formaty współrzędnych GPS