SYSTEMY GPS

Konrad Bajer

Uniwersytet Warszawski

[e-mail]



Instytut Geofizyki

www.igf.fuw.edu.pl



Centrum Badań nad Środowiskiem

Przyrodniczym

odiee.geo.uw.edu.pl



Center for Small-Scale Atmospheric Research

cessar.fuw.edu.pl

GLOBE 2003

– PODSTAWY

G

lobal

P

ositioning

S

ystem

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

2 /
27

GLOBE 2003

Czym jest GPS ?

24 satelity na orbitach wokółziemskich

Wyznaczanie pozycji, nawigacja i

precyzyjny pomiar czasu

Działają 24 godziny na dobę przy

każdej

pogodzie

Używane wszędzie tam, gdzie

potrzebna

jest dokładna znajomość

położenia

NAVSTAR GPS

Nav

igation

S

atellite

T

iming

A

nd

R

anging

System

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

3 /
27

GLOBE 2003

Z czego składa się

GPS ?



Satelity na orbicie



Kontrola naziemna



Użytkownicy

• 1978 Pierwszy satelita Block 1 umieszczony na
orbicie w roku.

• 1986 Katastrofa Challengera opóźnia budowę
systemu.

• 1989 Pierwszy satelita Delta 2.

System GPS jest pod kontrolą Departamentu Obrony

USA

w

w

w

.m

o

n

ta

n

a

.e

d

u

/p

la

ce

s/

g

p

s

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

4 /
27

GLOBE 2003

Satelity GPS

• Panele słoneczne
• Baterie Ni-Cd
• 4 zegary
atomowe

Lockheed Martin

SV11

1400 - 1900 kg

5m szer.

trwałość 7,5 roku

28 na

orbicie

(maj 2003)

minimum:

24

Sa

te

lit

a

N

AV

ST

A

R

e

le

ct

ro

n

ic

s.

h

o

w

st

u

f

w

o

rk

s.

co

m

/g

p

s1

.h

tm

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

5 /
27

GLOBE 2003

Orbity satelitów

GPS

• 24 satelity w sześciu
płaszczyznach orbitalnych
nachylonych pod kątem 55 do

płaszczyzny równika.
Wysokie orbity są stabilne

• Odległość od Ziemi ok. 20 000
km.

• Dla porównania satelity TV
(geostacjonarne) 42,245 km

p

h

y

si

cs

.s

y

r.

e

d

u

/c

o

u

rs

e

s/

P

H

Y

3

1

2

.0

3

S

p

ri

n

g

/G

P

S

/G

P

S

.h

tm

l

•Okres obiegu ok. 12 h
•Codziennie wyłaniają się
znad horyzontu o 4 min.
wcześniej

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

6 /
27

GLOBE 2003

Sygnały GPS



Satelity nadają sygnały radiowe

(mikrofalowe)
na dwóch częstotliwościach nośnych
(moc 300-350 W):

L1: 1575.42 MHz

kod C/A – cywilny
kod P/Y – wojskowy

L2: 1227.60 MHz

kod P/Y – wojskowy



Dostępne są dwie usługi:

S

tandard

P

ositioning

S

ystem

(SPS)

Dokładność przed wyłączeniem

zakłócania (

S

elective

A

vailability) ok. 100 m.

Obecnie (po 1

maja 2000) < 13m

(22m pion)

P

recise

P

ositioning

S

ystem

(PPS)

Dokładność nominalna poniżej 1 m



Sygnał nie przenika przez przeszkody.

Odbiornik
musi „widzieć” satelity. Problemy pojawiają
się w
dżungli i w miejskich „kanionach”.

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

7 /
27

GLOBE 2003

Almanach satelitów



Almanach satelitów jest to kompletna

informacja o wszystkich

przewidywanych

orbitach satelitów.



Almanach nadawany jest przez satelity

razem

z sygnałem czasu



Odbiornik GPS automatycznie wczytuje

almanach za każdym razem, kiedy
włączony jest przez czas dłuższy niż 15

min.



Dane almanachu są aktualne ok. 30 dni.

Odbiornik nieużywany przez dłuższy

czas

pozostawić przez ok. 30 min. w miejscu

gdzie

widoczna jest większość nieba.



Dane almanachu są odbiornikowi potrzebne

do

oceny dostępności satelitów i

wyświetlania ich

położenia.

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

8 /
27

GLOBE 2003

Kontrola naziemna

Stacje monitoringu śledzą wszystkie

satelity precyzyjnie mierząc w jakiej
odległości się znajdują.

Stacja Centralna (

M

aster

C

ontrol

S

tation -

MCS

)

przetwarza dane obliczając trajektorie
satelitów

MCS poprzez anteny naziemne przesyła dane

o
położeniu i trajektorii do satelitów.

Satelity nadają informacje:

1) Położenie i czas
2) Almanach - obliczone (przewidywane)

trajektorie

3) Poprawki do orbit otrzymane z MCS

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

9 /
27

GLOBE 2003

Wyznaczanie odległości od

satelity

 Zegary satelitów i odbiornika są dokładnie
zsynchronizowane

 Satelity i odbiorniki generują ten sam
pseudolosowy
kod (patrz rysunek)

 Z przesunięcia kodu własnego i kodu
otrzymanego z
satelity odbiornik może obliczyć odległość do
satelity

 Dodatkowe komplikacje są spowodowane
tym, że
prędkość rozchodzenia się sygnału zależy od
stanu
atmosfery (zawartość wody) i wysokości
satelity
(teoria względności)

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

10

/

27

GLOBE 2003

Wyznaczanie pozycji

(2D)

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

11

/

27

GLOBE 2003

Wyznaczanie pozycji

(3D)

e

le

ct

ro

n

ic

s.

h

o

w

st

u

f

w

o

rk

s.

co

m

/g

p

s2

.h

tm

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

12

/

27

GLOBE 2003

Sygnał czasu

Oficjalny wzorzec czasu dla
Departamentu Obrony
USA,
dla GPS oraz oficjalny czas
dla Stanów Zjednoczonych

tycho.usno.navy.mil

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

13

/

27

GLOBE 2003

Synchronizacja zegara

odbiornika

w

w

w

.e

n

g

.a

u

b

u

rn

.e

d

u

/d

e

p

a

rt

m

e

n

t/

a

n

/T

e

a

ch

in

g

/B

S

E

N

_6

2

2

0

/G

P

S

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

14

/

27

GLOBE 2003

Synchronizacja zegara

odbiornika

w

w

w

.e

n

g

.a

u

b

u

rn

.e

d

u

/d

e

p

a

rt

m

e

n

t/

a

n

/T

e

a

ch

in

g

/B

S

E

N

_6

2

2

0

/G

P

S

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

15

/

27

GLOBE 2003

Zastosowania



TRANSPORT



Drogowy



Kolejowy



Lotniczy



Publiczny



Morski



SIECI ENERGETYCZNE



Pomiar czasu z dokładnością

mikrosekundową pozwala

zlkalizować

miejsce awarii z dokładnością do

300 m,

co jest równe odległości między

słupami



Prace poszukiwawcze, np.

pozycjonowanie platform

wiertniczych.



TELEKOMUNIKACJA



Precyzyjna lokalizacja telefonów

komórkowych



Serwisy informacyjne zależne od

lokalizacji telefonu



Procedury ratunkowe zależne od

położenia ratowanego.



Wycena usług zależna od położenia

(strefy „biznesowe” i

„mieszkaniowe”)

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

16

/

27

GLOBE 2003

Zastosowania



SZYFROWANIE



Precyzyjny sygnał czasu może być

podstawą skutecznych i powszechnych
metod szyfrowania
finanse, bankowość, ubezpieczenia
certyfikacja dokumentów elektronicznych



ROLNICTWO



Łatwa i szybka rejestracja obszarów

zajmowanych pod poszczególne uprawy



Precyzyjne stosowanie chemikaliów



ŚRODOWISKO



Badanie stanu atmosfery



Monitorowanie gatunków zwierząt



POMOC LUDZIOM NIEPEŁNOSPRAWNYM



Informacja o położeniu i wskazywanie drogi

niewidomym (zastępuje mapę)



Planowanie trasy dla ludzi na wózkach

inwalidzkich (programowalne wózki)



Pomoc dla ludzi z zanikami pamięci

(choroba Alzheimera)



Systemy informacji w środkach

transportu publicznego

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

17

/

27

GLOBE 2003

Water Vapor Estimation from Ground GPS Networks

& Assimilation into Atmospheric Models

Badanie

atmosfery

w

w

w

.g

fz

-p

o

ts

d

a

m

.d

e

/p

b

1

/G

A

S

P

GPS Atmosphere Sounding Project

(GASP)

GeoForschungsZentrum Potsdam

(GFZ)

Całkowita zawartość pary wodnej w atmosferze

w ciągu ostatnich 24 godzin

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

18

/

27

GLOBE 2003

Ekstremalna precyzja

– drgania budynków

Pa

tr

z

"T

h

e

h

e

ig

h

t

o

f

p

re

ci

si

o

n

"

n

a

s

tr

o

n

ie

w

w

w

.g

p

sw

o

rl

d

.c

o

m

/g

p

sw

o

rl

d

Dokładność 7.6 mm

!!!

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

19

/

27

GLOBE 2003

Europejski GPS

Projekt europejskiego systemu
nawigacji satelitarnej (GNSS)

 GNSS I

(EGNOS)

European Geostationary Navigation Overlay System

Ma być uruchomiony w roku 2004.
Składa się z trzech satelitów geostacjonarnych,
34 stacji naziemnych i trzech centrów kontroli.
Wykorzystuje zarówno sygnał amerykańskiego GPS,
jak i rosyjskiego GLONASS

(GLObal Navigation Satellite System)

Poprawi w Europie dokładność z obecnych 20 m
do 5 m. Przeznaczenie wyłącznie cywilne,
głównie dla transportu.

 GNSS II

(GALILEO)

Europejski odpowiednik amerykańskiego GPS.
Ma konkurować z GPS, ale oba systemy mają
wspólnie tworzyć system ogólnoświatowy (GNSS).
GALILEO ma kosztować $ 3,5 mld i być gotowy
w roku 2008. EGNOS będzie konieczne dla integracji
GPS i GALILEO. Stany Zjednoczone próbowały
zahamować budowę niezależnego systemu
europejskiego.

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

20

/

27

GLOBE 2003

EGNOS i GALILEO

Dokładność pozioma

obecnego GPS

27 satelitów na 6-ciu
orbitach
geostacjonarnych.
Możliwa rozbudowa
do 31-32 satelitów
minimum 21 + 3
zapasowe

Dokładność

pozioma

GPS + EGNOS

3 dodatkowe
satelity +
34 stacje
naziemne

Planowane
uruchomienie
2004

Dokładność

pozioma

GALILEO

30 nowych

satelitów

europejskich na

3 orbitach 23

616 km

nachylonych 56

do płaszczyzny

równika

Planowane

uruchomienie:

2008

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

21

/

27

GLOBE 2003

WAAS – EGNOS -

MSAS

Regionalne systemy

wspomagające GPS

Poprawiają dokładność

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

22

/

27

GLOBE 2003

Stacje EGNOS

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

23

/

27

GLOBE 2003

EGNOS dzisiaj

 System uruchomiono 28 lipca 2005

(faza wstępna)

 Na początek roku 2006 planowane jest

oficjalne ogłoszenie dostępności
sygnału

 W roku 2007 ma być ogłoszona

dostępność

sygnału dla systemów

ratujących życie

 SISNet – transmisja sygnału EGNOS

w Internecie. Dostępny, na przykład,
poprzez GPRS (niezależnie od
widoczności satelitów
geostacjonarnych EGNOS)

3 satlity geostacjonarne transmitujące poprawki GPS

Odbiorniki EGNOS:

http://esamultimedia.esa.int/docs/egnos/estb/SBAS_receivers.pdf

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

24

/

27

GLOBE 2003

Odbiorniki GARMIN

GARMIN 72

GARMIN 12

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

25

/

27

GLOBE 2003

Ekrany GARMINa 12

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

26

/

27

GLOBE 2003

„Status

screen”



Searching

Szuka satelitów



AutoLocate Zbiera informacje o położeniu sat.



Acquiring

Zbiera wstępne dane



2D Nav

Ustalił pozycję 2D, czeka na 3D



3D Nav

Normalnie działa i sledzi pozycję



2D dif

Ustalił poz. 2D różnicowo, czeka na 3D



3D dif

W pełni sledzi pozycję różnicowo



Not usable Nie był w stanie obliczyc położenia.

Wyłącz i włącz ponownie



Poor Coverage

Nie może obliczyć położenia,

będzie próbował nadal.



Enter Altitude

Do rozpoczęcia obliczeń niezbędne

wprowadzenie przybliżonej wysokości.



Simulator

Praca symulacyjna (demo). Udaje ruch

(ekran statusu)

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

27

/

27

GLOBE 2003

„Track

screen”

(ekran pozycji)



TRACK

Kierunek, w którym się poruszamy



SPEED

Pozioma składowa prędkości



TRIP

Dystans, jaki pokonalismy



ALT

Wysokość



POSITION

Położenie geograficzne w stopniach
i minutach decymalnych



TIME

Czas (Czas Uniwersalny)

Jednostki można wybierać

Wysokość nie będzie pokazana
jeśli odbiornik namierzył tylko pozycję 2D

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

28

/

27

GLOBE 2003

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

29

/

27

GLOBE 2003

Czasy

Czas uniwersalny UTC – czas jednakowy w
każdym miejscu kuli ziemskiej
Czas urzędowy (local time) – zależy od
długości geograficznej oraz pory roku.

W Polsce czas urzędowy jest przesunięty o 2
godziny do przodu względem UTC w okresie
letnim oraz 1 godzinę w zimie.

Przykład:

10:10 czasu urzędowego w letniej porze roku
odpowiada 8:10 czasu UTC.
Wszystkie pomiary w GLOBE powinny
być raportowane w czasie uniwersalnym

Południe lokalne- moment górowanie Słońca
nad horyzontem. W środkowej Polsce przypada
on na godzinę 10:30 UTC co oznacza że w lecie
południe lokalne występuje o godzinie 12:30
zaś w zimie około 11:30. Południe lokalne
przesuwa się o 1 godzinę na 15 stopni
szerokości geograficznej

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

30

/

27

GLOBE 2003

Czasy

Przykład:

 Jeśli na szerokości geograficznej 23

o

E

południe lokalne występuje o godzinie
12:15 czasu urzędowego to na szerokości
geograficznej 18

o

E występuje o godzinie:

(23-18)/15=1/3 h
Zamieniamy 1/3 godziny na liczbę minut:
1/3*60=20 minut.
12:15 – 20 minut (minus bo przesuwamy się na

zachód) . Przesuwając się na zachód
południe lokalne wypada wcześniej zaś na
wschód później.

Południe lokalne wypada wiec o 11:55

Sposoby wyznaczania południa lokalnego:
1) Na podstawie czasu wschodu i zachodu

Słońca

2) Na podstawie GPS
3) Na podstawie pomiarów cienia przy

pomocy gnomonu (umożliwia wyznaczenie
deklinacji magnetycznej)

 Przykład
Wschód Słońca 5:40 zachód Słońca 19:50
Obliczamy sumę: 5:40+19:50=23h 90 m= 24h

30m

Dzielimy otrzymana godzinę na pół: 12h 15 m

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

31

/

27

GLOBE 2003

Przeliczanie

jednostek

Zamienianie stopni /minut/ sekund na
układ dziesiętny.

Przykład:
Mamy następującą szerokość geograficzna:
52

o

34

’

12

’’

N i chcemy ja zamienić na liczbę

stopni w systemie dziesiętnym.
Zamieniamy liczbę sekund na minuty
12

’’

/60=0.2

’

Mamy zatem: 52

o

34.2

’

N

Następnie zamieniamy minuty na stopnie
34.2/60=0.5700

o

zaokrąglając do 4 cyfr po

przecinku.
Otrzymujemy wiec
52.5700

o

N

Odwrotnie
Wychodzimy z wartości 52.5700

o

N

Z części ułamkowej 0.5700 obliczamy liczbę
minut
0.5700*60=34.20

’

Liczbę sekund obliczamy z części ułamkowej
0.20
0.20*60=12
Zatem mamy 52

o

34

’

12

’’

N

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

32

/

27

GLOBE 2003

Pomiar pośredni

1.

Wyznacz lokalną deklinacje magnetyczną
W Polsce wynosi 71

o

N 96

o

W (biegun północny),

-72

o

S 155

o

E (biegun południowy)

1.

Zaznacz miejsce pomiaru docelowego.
Spróbuj, czy da się wykonać pomiar bezpośredni

2.

Za pomocą kompasu wyznacz północ magnetyczną

3.

Uwzględniając deklinację oblicz i wyznacz kierunek
północy geograficznej

4.

Idź dokładnie na północ lub dokładnie na południe
od miejsca pomiaru docelowego aż trafisz
na miejsce gdzie możliwy jest pomiar GPS.
To będzie punkt pomiaru pośredniego.

5.

Zanotuj, czy szedłeś na północ, czy na południe.

6.

Taśmą mierniczą lub „stopkami” zmierz odległość,
jaką przeszedłeś.

7.

Zmierzoną odległość podziel przez 1855 m/minutę,
aby otrzymać różnicę położeń wyrażoną
w decymalnych minutach kątowych.

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

33

/

27

GLOBE 2003

Deklinacja

magnetyczna

Wartość odczytana z mapy
powinna być dodana do 0

o

i

wówczas wskazuje prawdziwy
kierunek północny

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

34

/

27

GLOBE 2003

Arkusz pomiaru

pośredniego

Arkusz pomiaru pośredniego GPS

Uniwersytet Warszawski
Instytut Geofizyki

35

/

27

GLOBE 2003